基于CFD的高水基先导阀流场的数值模拟.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 基于CFD的高水基先导阀流场的数值模拟 姓名王芳 申请学位级别硕士 专业机械设计及理论 指导教师廉自生 20060501 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于C F D 的高水基先导阀流场的数值模拟 摘要 煤矿综采工作面液压支架电液控制系统是实现煤矿安全高效生产 的关键技术设备。在该系统中，电磁先导阀是关键的元件之一，其性能 直接影响着整个综采工作面的可靠性及安全性。本文结合计算流体动力 学C F D C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 软件F L U E N T 对液压支架电液 ， 。 控制系统中先导阀的流场进行了数值模拟与分析计算。～ ’ “ 采用A u t o C A D 和U G 软件，按照先导阀的实际结构和参数，结合计 算数学模型的可行性，分别建立了阀的二维和三维几何模型。运用 F L U E N T 前处理软件G A M B I T 进行了网格的划分。在F L U E N T 软件中对两种 模型的流场进行了稳态数值模拟。 在进行先导阀流场的二维数值模拟时，对阀在不同边界条件下流场 的流动特性和力特性进行了仿真研究。比较分析了流场流动状态的变化 ● ●● 规律及其影响因素。同时，比较分析了阀在不同开口量时，阀芯与阀体 配合时的阀芯上下两切面和与阀芯两切面对应的阀体上下内表面所受 的总压力及其变化趋势。 ． 对先导阀流场的三维数值模拟，是在阀固定开口量的基础上，针对 流场不同边界条件下进行的仿真研究。通过数值模拟，比较分析了在不 I 太原理工大学硕士研究生学位论文 同边界条件下流场的流动状态及其变化趋势，分析了先导阀最易发生气 穴和气蚀现象的部位及其影响因素。 在先导阀节流口处，由于液流动量发生变化，将有附加的液动力作 用在阀芯上。本文针对先导阀芯所受的稳态液动力进行了数值模拟和理 论计算。通过对阀内部流场在不同入口流量和不同出口压力的边界条件 下进行数值模拟得到了稳态液动力的值及其变化趋势。并对由数值模拟 和理论计算两种方法得到的稳态液动力值进行了比较分析，进一步验证 了数值模拟的正确性。 论文研究表明阀开口量越小、入口速度 流量 越大、出口压力 负载压力 越大，则漩涡区越大，能量损失越大，所受轴向阻力系数 越大，压力损失越大，节流口越易发生气穴与气蚀现象。’因此，支架电 液控制系统中，阀在小开口、大流量、高负载的工况下使用时受到的冲 击、磨损、变形和腐蚀是最严重的，引起能量和压力的损失也是最大的； 开口量越小，阀芯切面受到的径向不平衡液压力值越大，使阀芯换向过 程中很可能出现明显的偏心现象；在开口量相同的条件下，流量因素对 稳态液动力的影响是很大的。并针对能量损失大和受力大的区域，对阀 的局部结构提出了优化设计的方法，以提高阀的工作性能和通流能力， 减小其磨损、腐蚀和能量损失。 本文进行的研究工作为阀的结构设计和优化提供了参考依据，对保 证液压支架电液控制系统可靠地工作，保证煤矿安全高效地生产都有一 定的现实意义。 关键词液压支架，先导阀，流场，数值模拟 Ⅱ 太原理工大学硕士研究生学位论文 C F DN U N 饪 R I C A LS I Ⅳ【L Ⅱ。A T I O NO FT H EF L O W F I E L DI NAH I G HW r A T E RB A S E D F L U l DP I L O TV A L V E A B S l R A C T F o rm i n e e x p l o i t a t i o n o nt h e w o r k p l a c e ，h y d r a u l i cs u p p o r t e l e c t r i c - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tp a r te n s u r i n gas a f e p r o d u c t i o n ．I nt h es y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ei s o n eo fc r u c i a l c o m p o n e n t s ．I t sp e r f o r m a n c ea f f e c t st h er e l i a b i l i t y a n ds e c u r i t yo fe n t i r e w o r k p l a c ed k e c t l y ．A p p l y i n gF L U E N Ts o , w a r eo fC o m p u t a t i o n a lF l u i d D y n a m i c s ，t h ef l o wf i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ei ss i m u l a t e da n d a n a l y z e di nt h ep a p e r ． T h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fp i l o tv a l v ei sb u i Rb ya p p l y i n gA u t o C A D a n dU Gs o f t w a r e ．a c c o r d i n gt oi t sa c t u a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa sw e l la s f e a s i b i l i t yo fc o m p u t a t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l ．T h em o d e li st r a n s f o r m e d a n di m p o r t e di n t oG A M B I Ts o f t w a r e ，w h i c hi st h ep r e p r o c e s s o ro f F L U E N Tt og e n e r a t em e s h ．B o t ht h et w oa n dt h r e e d i m e n s i o nf l o wf i e l do f I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 v a l v ea r es i m u l a t e di nF ．己f 匹N Z W h e nt h ef l o wf i e l do f p i l o tv a l v ei st w o d i m e n s i o n , t h ef l o wa n df o r c e p r o p e r t i e so ff l o wf i e l da l es i m u l a t e di nt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ． B y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef l u i df l o w i n gr e g u l a r i t ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r s i nf l o wf i e l da r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ．T h et o t a lp r e s s u r e sa n d v a r i a t i o n a l t r e n dw h i c ha c to nt h ec o n et a n g e n t sa n dc o r r e s p o n d i n gv a l v ei n t e r i o r s u r f a c e sa r ec o m p a r e de q u a l l y ． W h e nt h ef l o wf i e l do fp i l o tv a l v ei st h r e e d i m e n s i o n ，t h ef l o wa n d f o r c ep r o p e r t i e so ff l o wf i e l da r es i m u l a t e da tt h es a m eo p e n i n ga n dd i f f e r e n t o t h e rb o u n d a r yc o n d i t i o n s ．B ys i m u l a t i o n ，t h ef l o wc o n d i t i o na n dt r e n di n t h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ec o m p a r e da sw e l la st h ep o s i t i o na n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sw h i c hi se a s i e s tt ob r i n ga i rp o c k e ta n dc o r r o d e ． W i t ht h ev e l o c i t yc h a n g i n go f t h ef l u i df l O W , t h ef l o wf o r c ei sg e n e r a t e d ， w h i c ha f f e c t sn o to n l yt h ep i l o tv a l v ep e r f o r m a n c eb u ta l s ot h eh y d r a u l i c s y s t e m ．T h es t a t i c f l o wf o r c ea c t i n go nt h ev a l v ec o n ei ss i m u l a t e da n d c a l c u l a t e di nt h ep a p e r ．T h ef o r c ev a l u ea n di t sv a r i a t i o n a lt r e n da r eo b t a i n e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ．T h ef o r c e v a l u e sa c q u i r e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h t h ev a l u e sf r o mt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，w h i c hv a l i d a t e st h er a t i o n a l i t yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． T h ep a p e rm a n i f e s t st h a t ，i t ’Se a s i e rt ob r i n gl a r g e rs w i r l ，g r e a t e re n e r g y Ⅳ 太原理工大学硕士研究生学位论文 l o s s ，l a r g e rd r a gc o e f f i c i e n ta n da i rp o c k e ta n dc o r r o d ep h e n o m e n ai nc a s e o ft h es m a l l e ro p e n i n gp o s i t i o n 、t h el a r g e rf l o wa n do u t l e tp r e s s u r e ．S o i m p a c t 、w e a l “ 、c o r r o d ea n de n e r g yl o s so fv a l v ei sm o r es e r i o u si n t h a t c o n d i t i o na n di t ’Sn e c e s s a r yt op r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n T h es m a l l e ro p e n i n gp o s i t i o na f f e c t st h ef o r c ep r o p e r t yo f v a l v eg r e a t l ％ S Oi t ’Sp r o b a b l et oa p p e a re c c e n t r i c i t yi nt h ew o r k i n gp r o c e s so fv a l v ec o n e ； a tt h es a m ep r e m i s eo f o p e n i n g ，f l o w i sv e r yc r u c i a lt h a ta f f e c t st h ef o r c eo n t h ev a l v ec o n eg r e a t l y ．T h e nt h em e a s u r et or e d u c ew e a r 、d i s t o r t i o na n d c o r r o d e ，t oo p t i m i z et h es t r u c t u r ea n dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c ei sp u t T h es t u d yf o rt h ev a l v eh a so f f e r e dt h es i g n i f i c a n tr e f e r e n c et od e s i g n a n do p t i m i z et h ev a l v es t r u c t u r e ．O nt h eo t h e rh a n d ，i ta l s oh a sac e r t a i n p r a c t i c a lm e a n i n gt o e n s u r et h er e l i a b l ew o r ko fh y d r a u l i c s u p p o r t e l e c t r i c h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n dt h es a f ea n de f f i c i e n tp r o d u c t i o no f m i n e ． K E YW O R D S h y d r a u l i cs u p p o r t ，p i l o tv a l v e ，f l o wf i e l d , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n V 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ．1 液压支架电液控制系统的发展概况 液压支架的使用是煤矿井下采煤由人工劳动到机械化生产的根本性转变，它作 为煤矿井下安全支护的主要设备，已经成为煤矿安全生产的重要环节0 1 ．一般的液 压支架是以高压液体作为动力 一般为乳化液 ，由若干液压元件 液压缸及液压 阀 与金属结构件 顶梁、掩护架、底座、四连杆机构等 组成的一种支撑和管理 顶板的支护设备，由手动液压操纵阀来控制支架的升架、降架、拉架和推溜等动作。 电液控制支架是在一般液压支架基础上发展起来的，二者基本结构相同，但控制方 式不同。电液控制液压支架是用先进的电子计算机技术与液压阀等相结合组成的电 液控制系统来代替一般的液压支架手动液压操纵阀控制系统，从而使液压支架的操 作更加灵活、快捷。 图l 一1 液压支架简图 F i g ．1 - 1T h es c h e m eo f h y d r a u l i cs u p p o r t 太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支架电液控制系统是具有单片机、传感器等电子装置和液压回路控制部件 的，可以根据生产需要而控制液压支架自动动作的系统Ⅲ。液压支架采用电液控制 是当前国内外工作面支护技术发展的主要方向之一。 1 它可以将液压支架的降架、拉架、升架、推移前部输送机、拉后部输送 机、收护帮板、伸护帮板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的人工手动 操作改为电液自动控制、程序化操作，能够与高效采煤机相匹配加快工 作面推进速度，显著提高采煤工作面的生产效率。 2 可以实现跟机自动化作业、降低工人的劳动强度，改善工人的劳动条件、 减少工作面的操作人员，改变煤矿生产落后危险的社会形象。 3 可以解决特殊地质条件和困难生产条件下的生产工艺问题，例如在薄煤 层工作面人员无法在工作面内操作的条件下，可以实现无人化工作面 需 与刨煤机系统配合使用 。 4 可实现多架同时推输送机并可定量推进，保证输送机缓慢弯曲，避免中 部槽连接处产生过大应力，延长输送机的寿命。同时可以保护工作面输 送机的平直性，实现工作面的平直推移。 5 易于实现带压移架，对于保护顶板的稳定性和防止冒顶事故非常有利。 6 可以较好地控制支架初撑力，显著地改善支护效果和工作面管理水平。 1 ．1 ．1 国外液压支架电液控制系统的发展概况 7 0 年代中期，英国煤炭局首先提出研制电子控制液压支架，1 9 8 1 年澳大利亚 的科里曼尔煤矿最先将电子控制的液压支架用于长壁综采工作面。1 9 8 3 年底英国原 道梯公司又为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮式微处理机控制的液压支架，于1 9 8 4 年投产。英国原伽立克公司1 9 8 3 年3 月研制出“E L E C T R O F L E X ”电液控制系统在 “H e m H e a t h ”投入试验。1 9 8 5 年底英国原道梯公司又研制出第二代全工作面集中 电液控制系统。该系统的主控制台及电源均布置在工作面运输巷内，可实现全工作 面集中控制。 德国8 0 年代初开始大力发展液压支架电液控制系统。威斯特伐利亚公司与西门 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 子公司于1 9 7 8 ～1 9 8 4 年间合作研制出德国第一套支架电子控制装置一 P a n e r m a t i c - E 系统。1 9 8 6 年又研制出P a n e r - m a t i c 一 支架电控系统。1 9 8 7 年威斯 特伐利亚公司与M A R C O 公司合作研制出P M 2 电液控制系统，1 9 9 0 年又研制出更为先 进的P M 3 支架电液控制系统，技术上已相当可靠，在全世界广泛推广应用。9 0 年代 后期威斯特伐利亚公司甩掉M A R C O ，自行改进推出P M 4 系统，而M A R C O 公司改进推 出P M 3 1 系统。 除此之外，日本三井三池株式会社、英国原米柯公司、德国原赫姆夏特公司 现 合并为D B T 公司 、波兰E M A G 、法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功支架电液控 制系统，并推广使用。 美国1 9 8 4 年在西弗吉尼亚州拉弗里吉煤矿装备了第一个使用原英国道梯公司 制造的装有电液控制系统的液压支架的高产高效工作面，并取得成功。到1 9 9 4 年 全美国8 1 个综采工作面中已有7 3 个装备了电液控制的液压支架，占全部综采工作 面的9 0 ％以上，到1 9 9 6 年比例数又上升到9 2 ．7 ％。 目前，国外液压支架电液控制技术已发展到相当成熟的阶段，发展十分迅速。 美国、澳大利亚、南非等国家的煤矿新装备的综采工作面几乎全部采用电液控制的 液压支架[ 3 1 。 1 ．1 ．2 国内液压支架电液控制系统的发展概况 我国自8 0 年代中期即开始研制液压支架电液控制系统。1 9 9 1 年北京煤机厂研 制出第一套B M 卜I 型支架电液控制系统，在晋城古书院煤矿进行了井下工业性试验， 并于1 9 9 2 年4 月通过初步鉴定，在此基础上改进的第二代B M J - I I 型支架电液控制 系统 2 0 架 ，于1 9 9 2 年1 2 月至1 9 9 5 年5 月在井下进行工业性试验，但从此即被 搁置一边。 郑州煤机厂1 9 9 1 年5 月研制出D Y Z K - I 型支架电液控制系统，于1 9 9 2 年5 月在 大同四台矿完成2 0 架井下工业性试验，在I 型的基础上又经过多次改进，于1 9 9 3 年 9 月开发出D Y Z K - I I 型支架电液控制系统，在邢台煤矿进行井下工业性试验并通过鉴 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 定，从此即完全停止。国家为上述两厂支架电液控制系统科研项目投入的经费近3 0 0 万元。 煤科总院太原分院研制的Y L T 型支架电液控制系统，于1 9 9 6 年在大同矿务局马 脊梁矿进行了国内第一个全套工作面井下工业性试验，并于1 9 9 7 年7 月通过鉴定， 又于1 9 9 8 年在东胜补连塔煤矿进行了1 6 架试验，现已撤出。国家和协作单位先后 为该项目投入科研经费达5 0 0 多万元伽。 2 0 0 2 年1 1 月2 5 日中国神东煤炭集团公司的大柳塔矿井 平硐 创造了“一井一 面”年原煤产量1 0 0 1 ．0 4 万t 的纪录，工作面采用D B T 的P M 4 支架电液控制系统、 W S l ．7 两柱液压支架、J O Y 的6 L S 一5 型采煤机、J O Y 公司的3 8 m m 工作面刮板输送机。 2 0 0 2 年1 月兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿 立井 创造了综采工作面月产6 3 ．2 万t 的纪录，工作面采用新增自动放项煤功能的P M 3 1 型电液控制系统、国产Z F S 6 8 0 0 液 压支架、德国艾柯夫公司S L 3 0 0 采煤机、国产工作面输送机 进口减速箱、电机 ； 2 0 0 2 年3 月，铁法煤业集团小青煤矿 立井 创造了薄煤层工作面月产1 4 ．2 万t 的纪 录，工作面采用德国D B T 公司P M 4 型电液控制系统、国产液压支架 推移千斤顶德国 进口 、德国D B T 公司的刨煤机”1 。 由此看出，我国液压支架电液控制系统研制已经历了十几年时间，至今仍未得 到推广。全国只有神华集团神东矿区等为数不多的几家从国外引进了电液控制的液 压支架。 我国支架电液控制系统发展受阻的原因虽然很复杂，但主要原因有以下几点 1 受基础工业水平的制约，基本元件的可靠性、材料、加工水平存在较大 差距。 2 管理水平低，成批生产产品保证不了加工质量，达不到样机的指标，因 此在工作面使用故障多，发挥不了应有的作用。 3 攻关组织不得力，力量和资金投入分散，低水平重复。 4 煤矿经济困难，机械化发展资金短缺，缺少市场刺激。 从技术上说，我国开发电液控制系统是完全可行的，理论上也已不存在困难。难 度在于可靠性，尤其是电液控制阀组的可靠性和电器元件的可靠性”1 ． 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 2 电液控制阀组图 F i g ．1 - 2T h es c h e m a t i c so f e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s 1 ．2 电磁先导阀的作用、重要性与存在的问题 1 ．2 ．1 先导阀的作用与重要性 在液压支架电液控制系统中，电磁先导阀是关键的元件之一。它的功能是将电 控系统发出的电信号有效地转换为液压信号，以控制主控阀动作。其性能及可靠性 直接影响整个系统的性能和可靠性”1 。而电磁先导阀的选用必须适合煤矿安全与高 效生产，一般在液压支架电液控制系统中选用的是本安型电磁先导阀。 本安型电磁先导阀是指在正常或故障状态下所产生的电火花和热效应不致引 起爆炸危险的先导阀。由其本安型电源和本安型电磁铁的电路本身来保证使用场所 的安全性”1 。本安型电磁先导阀可以用很小的驱动电流、电磁力来控制较大液流， 既符合本安型电源设备的电流要求，还具备多个电磁阀可同时驱动的功能，便于成 组地顺序移动支架。一般功率要求要小于1 ．2 W ，为常规阀的二十分之一，是一种超 小功率的电磁换向阀，属高难技术。国内目前引进和自行研制的支架电液控制系统 中的先导阀均属此类。由于支架电液控制系统具有广阔的应用前景，电磁先导阀的 研究提高便十分重要”J 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．2 先导阀存在的问题 先导阀结构较为复杂，常常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等。流体流经这些复 杂流道处会产生漩涡、回流、脱壁和重新附壁等流动现象。若设计不当，会使能量 损失过大，产生热变形，加剧阀的腐蚀、气蚀及振动与噪声，降低使用寿命与工作 性能，从而直接影响整个系统的工作性能“】。在不增大电磁先导阀外形尺寸的前提 下，提高阀的通流能力和换向性能，减少压力损失和电磁铁的消耗功率，以及节能、 小型化等，一直是各大电磁阀生产厂家要解决的主要技术问题”l 。 本论文研究的先导阀的开启行程小，其开启行程只有0 ．2 姗，稍有杂质或沉积 物，立刻垫在阀口上，导致阀失灵；阀的平衡推杆过细，用不久就有可能出现折断 或弯曲变形；直角孔只有0 ．4 m m ，且孔道较长，钻孔时在保证垂直度和同轴度上比 较困难阀芯台肩与阀体的封油长度均比较短，有可能造成高、低压腔问的泄漏， 过大的泄漏量不但会造成能量损失，同时影响对应主阀的正常工作和换向速度。这 些都是急需解决的问题。 1 ．3 高水基介质概述 作为传动介质，常用的液体主要是石油基矿物油。随着液压技术的发展，每年 消耗的液压油越来越多，是对能源的极大浪费。而且矿物油易燃烧，特别是随着工 作压力的提高，着火的危险尤为严重，从高压油管喷出的油液往往呈细雾状，只要 遇到3 0 0 ～4 0 0 。C 高温就会燃烧，并可能引起火灾，造成设备及人身事故。由于煤 矿综采工作面的特殊工作环境和液压支架电液控制系统高压下工作性能的要求，所 选用的液压介质必须首先保证生产工作面的安全性，即介质不易燃烧，再者需满足 传动过程中的一些具体要求，所以煤矿生产工作面液压支架电液控制系统的工作介 质一般选用的是高水基液压液。 。 所谓高水基介质是以水为主要成分，一般含水量达9 0 ～9 5 ％以上，5 ％左右为 复合添加剂。在复合添加剂中通常含油性剂、防锈剂、消泡剂、防霉剂、防冻剂等． 由于其主要成分是水，所以它继承了水的特性，诸如不燃烧，粘度变化小，比热大， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 导热性能好。系统的温升一般比使用矿物油低8 ～1 4 0 c ，价格仅为矿物油的十分之 一左右。此外运输储存方便，只需运输和储存5 ％的复合添加剂，大大节省了运输 费用和仓库面积。特别是不燃烧，确保安全生产等方面具有无可比拟的优越性。同 时可避免油液泄漏对环境的污染，防止油分子挥发对人体健康的危害。随着人类文 明的高度发展，对环境保护要求的提高，这方面的重要性将更加突出㈣。此外，能 源短缺是永久的，节能工作刻不容缓，高水基液体可以代替矿物油产品使用，缓解 油紧张，且高水基液体与矿物油相比，系统有效能提高了1 5 ％～2 0 ％，具体情况如 图卜1 和图卜2 。由于通常高水基液体中不含高聚物，而且液体粘度又低，所以剪 切稳定性较好⋯l 。 m 图1 - - 3 油压系统的有效能示意图 F i g 。1 3T h ee f f e c t i v ee n e r g ys c h e m a t i c s O f o i l p r e s s u r es y s t e m ①输入能量1 0 0 9 6 ②经油压泵转换成流体能量 ③效率损失1 5 ％r 容积效率7 ％ 1 o 机械效率8 ％ ④管线阻力造成的损失2 0 9 6 ⑤传动装置损失1 5 5 ⑥控制阀损失1 0 ％r 压力损失 压力泄漏 7 ％ 1 o 回路保持压力3 ％ ⑦有效能量4 0 ％ 图卜4 高水基液系统的有效能示意图 F i g ．1 4T h ee f f e c t i v ee n e r g ys c h e m a t i c s o f h i g hw a t e rb a s e df l u i ds y s t e m ①输入能量1 0 0 ％ ②经油压泵转换成流体能量． ③效率损失1 5 ％r 容积效率1 0 9 6 1 L 机械效率5 ％ ④管线阻力损失2 9 6 ～4 ％ ⑤传动装置损失1 5 ％ ⑥控制阀损失5 ％r 压力损失2 ％ 1 o 回路保持压力3 ％ ⑦泄漏损失4 ％ 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ⑧有效能量5 7 ％～5 9 5 当然，高水基介质不可避免也有它的缺点，如易泄漏等。除了添加各种化学添加 剂外，还需要从液压元件和液压系统方面进行相应的研究，以适应高水基液压液的要 求。 各种各样的高水基逻辑控制系统推广应用的关键元件是先导阀。可以说先导阀 的成败，决定了高水基逻辑控制系统的发展前景o ”． 1 ．4 国际国内的研究状况 长期以来，德国D B T 、I 垤A R C O 公司和美国J O Y 公司等归属的研发部门都在作电磁 先导阀的研究，许多专家学者都致力于电磁先导阀的研究和开发上，从其结构工艺着 手，对先导阀压力损失和泄漏及其驱动元件等方面的问题都进行了大量和细致的研究 工作。特别是德国一些公司相继研制出一批高性能、高可靠度的电磁先导阀。在长期 的研究中，这些国家积累了大量的理论知识和丰富的经验，同时，还应用计算机对先 导阀内部的流场进行了模拟研究。 在国内，对液压支架的研究起步相对国外要晚，对其中应用高水基液的电磁先 导阀的研究则更晚一些。一般是在煤炭科学研究总院各个专业研究所、骨干的支架 制造厂及其一些液压件厂中有见到。而且他们所进行的是传统设计，即根据经验和 以往设计实例，设计人员在纸面上设计所需的产品。产品生产人员再按照纸面设计 进行工艺准备，做出样机，然后进行各种工况下的功能试验、可靠性试验和寿命试 验。如果出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计。这样，一方面把 产品从开始设计到正式投放市场的周期拉得很长，从而在市场竞争中痛失良机，另 一方面也增加了开发成本。传统设计中也使用绘图软件，但这些软件只是绘图工具， 把手工绘图改为计算机绘图，其实质只是绘图不是辅助设计。一般均使用普通的C A D 二维软件，很少使用三维软件，更不用说在计算机上使用c A D ／c A E 工具，对电磁先 导阀进行虚拟建模和运动学、动力学的流场仿真分析，再对之进行辅助设计、参数 化设计以及优化设计．因此，设计、制造水平的落后直接导致了我国的电磁先导阀 在性能指标、技术水平及实际参数等诸多方面的落后。在国内对该类液压支架中的 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 阀元件作研究的，整体水平还比较低，尚处于摸索阶段，更很少有将现在国际上广 泛采用的流体动力学分析软件F L U E N T 和几何建模软件U G 、P r o ／E 等结合起来进行 的分析研究。 而针对一般的液压阀类元件内部流场所作的数值模拟与仿真研究，国内外则均 呈现深入而广泛开展的好势态。随着计算机技术的飞速发展以及数值计算技术研究 的不断深入，使得对于几乎一切流体力学问题，包括液压技术中的流体力学问题的 研究成为可能。液压系统中的流体力学问题正在逐步地得到解决。 国外，日本的T e t s u h i r oT s u k i j i ，Y o s h i k a z uS u z u k i t ”’用涡量法对液压油用锥阀 的内部三维轴向流动进行了数值模拟，并对液压油用锥阀的内部流动进行了分析， 这种方法与边界元法结合对于解决紊流和具有移动边界问题时是非常有用的。 S h i g e r uO S H I I A ，T m a oL E I N O o 帕等对水用锥阀与油用锥阀在各个特性上进行了 比较分析，详细地给出了不同压差下节流口处的压力变化、流量系数和质量流率的 变化曲线图，以及阀芯上的压力分布图，这对理论研究和数值模拟都是一个很好的 参考。 ‘ K e s h e nY U ，K o j iT A K A H A S H I t ”1 用流线坐标法对液压锥阀的流场进行了数值计算。 由于沿着固体壁面或任意自由表面的流线都可以被用来定为坐标系，因此对不同形 状的阀都很容易进行分析。作者对锥阀的流量系数和内部液动力进行了详细计算分 析，计算结果与试验结果一致。并得出以下结论随着阀芯开口度的增大，阀芯上 的液动力增大；无倒角阀座的阀芯所受的液动力比有倒角阀座的阀芯所受的液动力 要大；对于无倒角阀座的锥阀阀芯所受液动力在很大程度上并不依赖于流速。相反， 对于有倒角阀座的锥阀阀芯所受液动力与流速关系比较密切，这与实验结果完全吻 合。 Y o s h i n a r iN A K A M U R Af l ”等通过实验的方法对锥阀的静态特性和动态特性进行了 详尽的研究；M ．K i p p i n g o 力用三种不同介质对液压滑阀的内部流场分别作了实验和数 值分析；M ．D i e t z eo ”用不同的二维和三维模型对液压阀在不同的锥角下进行了数值 模拟，并与实验结果基本吻合． M ．B o r g h i ，M i l a n i “”文中使用C F D 软件F I D A P 7 ．0 7 分析了安全阀在固定开口度为 0 ．4 ，0 ．7 ，1 ．0 ，1 ．2 m m 时的压力分布图、速度分布图和流量、压力与压差的曲线图。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过阀芯表面上的压力积分计算了阀的稳态液动力，根据公式估计了瞬态液动力和 稳态液动力两者的比例。 R o g e r Y a n g ，P h ．D ㈣利用C A D 软件进行几何建模，利用C F D 软件A N s Y S ／F L 0 r r R A N 两者相结合对液压阀内的流场进行了模拟。主要是对滑阀内部流场的模拟和液动力 计算。为了计算液动力，对液压元件相应表面面积上的压力和速度分别进行了积分。 文中假设阀内部的流场是稳定状态，只考虑了作用在阀上的稳态液动力，忽略了瞬 态液动力的影响。 SB E R N A D ，RS U S A N R E S I G A 【2 ”等研究锥阀阀腔内部的气蚀现象。论文中进行了 阀内部流场的数值模拟分析，对阀进行了二维的稳态流动的研究，研究了阀内部的 单相流动和两相流动即气蚀现象。 P r i y a t o s h B a r m a n t 纠对三维的滑阀模型进行了仿真研究。指出滑阀在流量很大， 压差很大时，阀内部的流动区域可能形成汽化，当气泡破裂时对阀体和阀芯表面形 成气蚀。使用S T R A - C D 流场仿真软件进行了两相流动的仿真。文中给出阀内流场的 压力分布，速度分布和气体体积分布图。这对优化滑阀的阀腔结构，阻止气蚀现象 的发生有一定的指导意义。 在国内，西南交通大学的王国志Ⅲ1 等运用三维流体分析软件对水压滑阀的流动 状态以及阀芯