安全阀的动态特性仿真及流场分析.pdf

论文题目安全阀的动态特性仿真及流场分析 专业机械制造及其自动化 硕 士 生刘子川（签名）。 指导教师曹春玲（教授）（签名）。 摘要 安全阀在保证井下煤矿安全生产方面有着不可言喻的重要性。鉴于安全阀的使用条 件、工作状态以及系统介质的复杂因素，将流体动力学分析软件 FLUENT 和三维建模软 件 CATIA 等相结合进行仿真分析，研发出高质量、高标准的大流量安全阀，为保证液压 支架系统的稳定工作和煤矿的安全生产都有着一定的现实意义。 本文所针对研究对象为液压支架用德国进口安全阀，介绍了其结构与工作原理，并 且对安全阀的静态分析得出一些重要的仿真参数。 利用仿真软件 AEMSim 对其进行动态 特性分析，并绘制了压力曲线图和阀芯位移曲线图，找到了影响其性能优劣的一些关键 因素； 然后采用 WORKBENCH 软件把在 CATIA 基础上建好的安全阀三维模型的三维流 体模型抠出来并利用 ICEM 进行网格划分， 最后倒入流体动力学分析软件 FLUENT 对其 进行仿真，绘制出其在不同边界条件下、不同开口度下的总压云图、动压云图、速度云 图以及速度矢量图，通过比对分析结果所得到的结论，可为以后安全阀的设计工作提供 一些参考。 关 键 词安全阀；力学分析；三维建模；动态特性；流场 研究类型应用研究 万方数据 SubjectDynamic Characteristics Simulation and Flow FieldAnalysis of The Safety Valve SpecialtyAutomation and Machinery Manufacturing NameLiu Zichuan（（Signature）） Instructor Cao Chunling（（Signature）） ABSTRACT The safety valve in underground coal mine safety production are ineffable importance.In view of the use of valve conditions, working status and system of complex factors,the fluid dynamics analysis software FLUENT and 3D modeling software such as CATIA simulation analysis, the combination of the development of high quality, high standards of large flow safety valve, to ensure the stability of hydraulic support system and coal mine safety in production work has a certain practical significance. In this article in view of the object of study for the hydraulic support with German import safety valve, introduces its structure and working principle, and static analysis of the safety valve simulation of some important parameters.Using simulation software AEMSim carries on the dynamic characteristics analysis, and draw the pressure graph and the valve core displacement curve, found some key factors affecting its perance ； Then using the WORKBENCHsoftwarebasedonCATIA3Dmodelbuiltthesafetyvalveof three-dimensional fluid model to dig out and use the ICEM mesh，at last add on the fluid dynamics analysis software FLUENT simulation, draw under different boundary conditions, the different is the total pressure contours and dynamic pressure contours and velocity contours and the velocity vector diagram, by comparing the results of the analysis of conclusion, can provide some references for the future design of safety valve work. Key words safety valve,；mechanical analysis,；3D modeling；dynamic characteristics； flow field Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 国内外安全阀的现状与前景.......................................................................................1 1.2 课题研究的内容、目的和意义................................................................................... 3 1.2.1 课题研究的目的与意义.................................................................................... 3 1.2.2 课题研究的主要内容........................................................................................3 1.3 本章小结.......................................................................................................................4 2 安全阀基本特性与力学分析..................................................................................................5 2.1 安全阀的分类...............................................................................................................5 2.2 安全阀的工作原理.......................................................................................................5 2.3 安全阀工况要求...........................................................................................................6 2.4 安全阀的静态特性分析...............................................................................................6 2.4.1 稳态液动力的计算............................................................................................7 2.4.2 液压卡紧阻力的计算........................................................................................7 2.4.3 O 型密封圈摩擦阻力的计算............................................................................ 8 2.4.4 方形弹簧刚度的计算........................................................................................8 2.5 安全阀的性能指标.....................................................................................................11 2.5.1 启闭特性..........................................................................................................11 2.5.2 压力调节范围..................................................................................................11 2.5.3 压力超调量......................................................................................................11 2.5.4 压力上升时间..................................................................................................12 2.5.5 压力下降时间..................................................................................................12 2.6 本章小结.....................................................................................................................12 3 基于 AMESim 安全阀动态特性分析...................................................................................13 3.1AMESim 的功能.........................................................................................................13 3.2 安全阀工作系统组成及工作原理............................................................................. 15 3.2.1 安全阀工作系统组成......................................................................................15 3.2.2 安全阀工作系统原理......................................................................................16 3.3 安全阀仿真模型的建立.............................................................................................16 3.4 安全阀仿真与结果分析.............................................................................................17 3.4.1 主要元件参数的设定及仿真分析.................................................................. 17 3.5 影响因素分析.............................................................................................................19 3.5.1 方形弹簧刚度的影响......................................................................................19 万方数据 目录 II 3.5.2 溢流孔个数的影响..........................................................................................20 3.5.3 搭合量的影响..................................................................................................21 3.5.4 O 型密封圈的影响.......................................................................................... 22 3.5.5 其他量的影响..................................................................................................23 3.6 本章小结.....................................................................................................................23 4 安全阀流道三维流场的仿真与分析....................................................................................24 4.1 流体力学基本理论.....................................................................................................24 4.1.1 流体的分类......................................................................................................24 4.1.2 流体运动的分类..............................................................................................24 4.2 FLUENT 软件简介.....................................................................................................24 4.3 安全阀流道的三维几何模型.....................................................................................25 4.4 网格的划分及边界条件的设定................................................................................. 26 4.4.1 网格的划分......................................................................................................26 4.4.2 网格无关性验证..............................................................................................26 4.4.3 边界条件的设定..............................................................................................28 4.5 三维模型的仿真结果与分析.....................................................................................29 4.5.1 相同开口度、出口压力相同，入口压力不同时的流场对比.......................29 4.5.2 不同开口度，出、入口压力相同时的流场对比...........................................33 4.5.3 相同开口度、进口压力相同，出口压力不同时的流场对比.......................36 4.6 本章小结.....................................................................................................................39 5 结论与展望............................................................................................................................41 5.1 主要结论.....................................................................................................................41 5.2 展望.............................................................................................................................42 参考文献...................................................................................................................................43 致谢...........................................................................................................................................46 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 国内外安全阀的现状与前景 近年来，衡量一个国家经济水平的高低最重要的标准之一就是重工业包括煤炭工业 所产生的经济利益的大小。要想高效率地开采煤炭资源，不仅需要在技术方面的深层次 创新，同时广泛地使用先进的综采设备也是一个重要的指标。从 80 年代到现在，在科技 力量的大力推动下，许多大量生产煤炭国家的生产成本得到降低，生产记录不断刷新， 使世界煤炭行业踏上了一个新台阶[1]。但是，矿井安全问题时常出现，神木、安徽、湖 南、铜川等地的煤矿时不时地出现塌方、冒顶，造成大量人力、物力、财力的损失，而 造成这些影响的关键因素就是液压支架支护问题，它一直是限制煤炭高产高效、安全生 产的重要问题。[2]其中安全阀在煤炭工业生产与保护液压支架安全运行中所发挥出的重 要作用，迅速得到了世界各国的高度关注，并且对其做了大量的研究工作，最终研制生 产出在动、静特性方面都具有良好效果的安全阀。 由于上述问题的出现，国外对安全阀内部结构进行了改造，让其更加适应这种大工 作量的强度，同时做了大量关于安全阀的理论受力分析、基于 AMESim 动态特性仿真及 FLUENT 流场分析等方面的研究，取得了相当丰硕的研究成果，为优化安全阀性能方面 做出了有价值的参考。 Shigeru 等人通过使用水和油两种不同的液体进行多次实验研究并进行性能的比对， 最终绘制出了在不同的压差条件下，两种介质分别在溢流口处的压力云图、速度云图以 及速度矢量图，为设计出性能更优良更全面的锥阀打下了夯实的基础[3]。 Linda 采用流体分析软件 CFD 对英式阀进行了优化设计，作者在入口质量流率不同 的前提下进行了数值模拟，得到了各种条件下各个截面上的压力云图和速度云图，掌握 了造成阀内压力损失的原因[4]。 日本的 Tetsuhiro 等从铁谱分析的角度进行了多次研究， 最终得出了安全阀的使用时 间主要与水质、介质中的杂质、安全阀材料、维护不到位等方面的因素有关，在大量实 验的基础上提出了可以延长寿命和保证安全性的意见建议[5]。 O.Chen 等利用 CFD 软件对湍流状况下的液压伺服阀流道内部进行流场数值模拟， 同时在多相混合模型以及标准的k模型下对气穴现象进行分析研究， 发现在阀芯和阀 座配合之间的间隙处最容易产生气穴[6]。 MR.Mokhtarzadeh 等采用有限元方法，对卸压阀表现出的各方面性能进行分析与研 究，仿真情况表明，由于阀内流道不断变化的复杂性，流体在阀内部出现了回流的情况， 并指出阀口压力的大小随着阀芯位移的变化而变化，带来明显的影响[7]。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 Matthe 等在 FLUENT 模拟环境下对液流在高压阀流道内部的流动情况进行可视化 研究仿真，并与先前得到的理论分析结果对比，发现数字仿真比物理实验能够更快速、 准确地估计流体流场的分布状况[8]。 M.Borghi 等分析了安全阀在不同开口度下其流量、压力、速度云图，并对阀芯表面 上的压力进行积分处理，最后算出了稳态液动力和瞬态液动力俩者的准确值[9]。 Priyatosh Barman 建立了滑阀流道的三维几何模型，并对其内部的气蚀情况进行仿 真。作者得出当滑阀的流量、压差增大时，其流道内部的介质越易被产生汽化，并且当 气泡破裂时，对阀体、阀芯表面产生液压冲击。通过分析该模型两相流动仿真，得到了 其流场的压力、速度云图，还有流道内部的气体体积分布区域，为进一步改善滑阀的阀 腔结构从而阻止气蚀现象的产生提供了有价值的参考[10]。 国内对液压支架的研究还处在一个瓶颈状态，虽然国外有许多参考文献值得我们参 考，但是想要进行更深层次的研究尚处于摸索阶段。就现阶段而言，在关于安全阀动态 特性的研究方面资料甚少，成果缺乏。[11]大多数的专家学者都还停留于研究其静态方面 的一些特征特性。迫于当前的这种现实需求，我国只能购买西方发达国家已经在这方面 领域有突出研究成果的安全阀成品，在对其进行研究的基础上，不断掌握如何提高产品 在动态特性方面性能的方式方法，并取得了一定的成绩。 但现在仍然有一个巨大的困难摆在我们面前，就是科研人员如何才能自主的研发出 高质量、高标准的大流量安全阀，尤其是将流体动力学分析软件 FLUENT 和三维建模软 件 CATIA 等相结合进行仿真分析更难。 平煤集团的张新城利用功率键合图法建立了先导控制卸压阀的模型，并通过对其进 行动态仿真研究，得出了部分临界参数的选取对输出的瞬态响应曲线的影响较大[12]。 辽宁工程技术大学的王慧设计了一种新型安全阀，它具有双极保护功能，并采用 FLUENT 软件和 Matlab 相结合的方法对其流道进行了模拟仿真， 获得了流道内的压力和 气穴分布云图，为安全阀的设计与性能分析提供了有价值的参考[13]。 高红、傅新通过对球阀阀口三维气穴流场的数值模拟与分析研究，计算了小球在对 称位置与非对称位置的气穴流场，同时利用高速摄像机的捕捉能力，观察到阀口附近的 气穴现象，并与模拟实验结果进行比对[14]。 华北水电水利学院的郑淑娟等人，通过对液压支架用的大流量安全阀结构以及工况 特点进行了研究分析，提出了评价阀动态特性的指标，并以此为基础对大流量安全阀进 行了优化设计，同时对样本进行了实验研究和计算机理论仿真研究[15]。 燕山大学的王益群等为了清晰地认识液压支架用锥阀在不同开口度、不同阀芯结构 以及不同阀座尺寸下的内部流场情况，绘制出压力云图、速度云图和速度矢量图并且用 有限元法 Galerkin 进行可视化仿真，得到可视化图形图像，实验所得结果对液压锥阀的 优化设计具有一定的指导意义[16]。 万方数据 1 绪论 3 冀宏等采用流场仿真和流动显示实验，从流场控制的角度获得了溢流阀三维流道内 的压力云图、 速度云图以及速度矢量云图， 研究了其流道结构对气穴和气穴噪声的影响， 并根据所得分析结果对流道局部结构进行合理优化[17]。 综上所述，安全阀在保证井下煤矿安全生产方面有着不可言喻的重要性。[18]鉴于安 全阀的使用条件、工作状态以及系统介质的复杂因素，国内对液压支架用安全阀的研究 相对较少，尤其是将流体动力学分析软件 FLUENT 和三维建模软件 CATIA 等相结合进 行仿真分析更少，而且国内对安全阀技术的创新、提高安全阀灵敏度方面与国外相比还 有很明显的差距，因此设计出通液能力强、动态特性好、性价比高的的安全阀就成为了 我国煤炭科研机构重点攻关的课题[19]。 1.2 课题研究的内容、目的和意义 1.2.1 课题研究的目的与意义 煤炭工业现已经进入一个高速发展的时期，十几年前的那种靠人力多而产量大的生 产方式逐渐向高产高效转变，它迫使产煤所用的液压架也不断向大吨位、大缸径方向发 展来适应当前这种新的生产方式。液压阀在整个液压支架中起着举足轻重的作用，它直 接控制着液压缸从开始运转到最终结束整个过程的每个环节，进而才能使液压支架完成 它的一系列连续动作。[20]由于其流动性和力学特性的的优劣受到多方面的影响，构造特 点的不同是最大的影响因素之一，所以整体性能就会出现很大的差别。随着时间的推移 和科学技术的不断进步， 研发人员也逐渐摸索出了一些能够提高安全阀整体性能的办法。 比如新材料的研究使用、结构密封方法多样化、分析研究方式多元化，这些都起到了一 定的效果，但是与此同时还有许多问题有待解决。 我们设计安全阀时更多地是依赖已有的经验和资料，创新性不够，导致产品性能提 升慢，在如何应对解决当前问题方面也还没有形成一套完整设计理论。安全系数不高， 实际应用中所表现出来的性能不强，设计结构存在缺陷等等问题的存在，是与保证井下 煤矿生产安全相违背的。因此，我们只能研究国外先进的安全阀，[21]在此基础上，利用 流体动力学软件 FLUENT 对其三维流场内部流体流动情况进行可视化仿真， 并绘制压力 云图、速度云图、速度矢量图，分析流场内部各位置的数值变化，比如负压区、漩涡区， 从而为安全阀进行优化设计提供了理论依据，尤其是对于保证安全而又高产高效地进行 煤矿生产具有非常重要的意义。 1.2.2 课题研究的主要内容 （1）基于三维软件 CATIA 对安全阀进行建模，并介绍安全阀的结构、工作原理、 基本特性以及关键零件的力学分析。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 （2）基于仿真软件 AMESim 对安全阀建立合理的仿真模型并绘制阀芯位移、阀口 压力曲线图，对其进行动态特性仿真，通过对比分析结果研究弹簧刚度、溢流孔个数、 搭合量等因素对安全阀性能的影响，从而实现优化。 （3）利用 WORKBENCH 软件抠出安全阀的三维流体模型 （此方法避免了再次运用 三维软件建模时所产生的测量误差，大大节省在建模时所花费的时间），并用 ICEM 对 其进行网格划分，然后利用流体动力学分析软件 FLUENT 对安全阀的三维流道在不同 进、出口压力和不同开口度的条件下进行仿真并分析。 1.3 本章小结 本章主要介绍了液压支架的发展状况、进口安全阀的应用特点及其在国内外的研究 现状，提出了分别应用 AMEsim 软件对安全阀进行动态特性仿真和 FLUENT 软件对安 全阀三维流道的流场分析的研究方法，并给出了本文主要研究内容以及研究的目的和意 义。 万方数据 2 安全阀基本特性与力学分析 5 2 安全阀基本特性与力学分析 高压设备上安全装置的故障可能引起严重的后果，并给生产带来困难，而安全阀运 行中的许多缺陷是由于在选用阀门时没有考虑他们的结构特点和性能所引起的。所以， 透彻了解安全阀的基本特性的重要性，是显而易见的[22]。 2.1 安全阀的分类 目前，国内安全阀种类颇多，通常分为以下几大方面[23] （1）按照以作用在阀瓣上的载荷形式为标准，可分为以下几大类 ①重锤式安全阀它是重锤直接加载于阀瓣上的而杠杆重锤式安全阀是重锤通过杠 杆加载于阀瓣上的。重锤式安全阀目前几乎已经不采用，因为它加于阀瓣的作用力的大 小有限，并且还有系统振动的倾向。 ②气室式安全阀它的的载荷是由压缩空气装置通过固有的膜片和阀杆而作用在阀 瓣上产生的。这种安全阀对周围环境的温度波动很敏感，由于温度波动会引起安全阀整 定压力的变化。 ③弹簧式安全阀它在所有工业部门中应用的最为广泛，其结构简单，动作灵敏， 使用可靠。 ④磁铁弹簧式安全阀当它在关闭位置时作用在阀瓣上的力不仅仅是弹簧作用力， 还有磁铁所形成的力，从而提高气密封性能。这种安全阀的开启是俩段式的，而关闭则 由于磁力的附加作用而成为比例式的。 （2）按照作用原理，安全阀又可以分为以下俩大类 ①比例作用式安全阀简单来说这种安全阀就是微启式的，因为在更大的开启高度 下，几乎不可能把压力的升高值限制在标准规定的范围之内； ②全启式安全阀显而易见它是是全启式的，而且这种安全阀的开启是俩段式的， 因为在设计的时候， 就在其内部安装了帮助阀芯开启的装置， 以便于增加它的开启高度。 2.2 安全阀的工作原理 本论文的研究对象是矿用最为广泛的弹簧式进口安全阀， 其三维模型剖视图如图 2.1 所示。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 图 2.1 安全阀三维模型剖视图 由图 2.1 可知，当液压支架顶板压力过高时，立柱腔内液体压力也突然增大，从而 安全阀进液口压力突然增大，当达到开启压力后，液体推动阀芯沿着轴向向左移动，压 缩弹簧，此时阀芯上分布的 8 个溢流孔位于 O 型密封圈的左侧，高压液体迅速从 8 个溢 流孔流出，达到卸载目的；当立柱下腔的液体压力降到一定数值后，弹簧力将阀芯沿着 轴向向右移动，此时阀芯上分布的 8 个溢流孔位于 O 型密封圈的右侧，从而关闭安全阀 以保证液压支架系统达到平衡状态。 2.3 安全阀工况要求 一般情况下，由于受井下环境条件及安全阀安装位置的影响，对安全阀工作时的要 求如下 （1）当达到最高允许压力时，安全阀应能保证阀芯安全地开启，并达到完全开启 高度，同时还得稳定而无振荡地卸载一定规格数量的液体介质； （2）如果工作压力稍微低于额定压力的时候，安全阀必须处于关闭状态，以便保 证其必需的密封性； 但需要说明的是，以上俩点（1）是最主要的，所有其它要求与它相比都是次要的， 只有把此项要求保证好，安全阀的工况要求才算合理[24]。 2.4 安全阀的静态特性分析 安全阀的静态特性是指安全阀在稳定工作状况时的性能。主要包括稳态液动力、瞬 态液动力、液压卡紧阻力以及 O 型密封圈摩擦阻力等等。 万方数据 2 安全阀基本特性与力学分析 7 2.4.1 稳态液动力的计算 稳态液动力的定义为流体流出控制容积和流入控制容积时对固体所产生的作用力。 以本文所使用安全阀为例，是指当阀芯不再进行移动时，液体流经阀口时由于液体动量 的变化而作用于阀芯上的力。[24]稳态液动力可分解为径向分量和轴向分量，由于安全阀 阀口处往往开有环形槽，液体径向流动可看成是轴对称的，所以稳态液动力的径向分量 实际上可以相互抵消，而其轴向分量都是力图使阀口趋向于关闭的，它指向阀口关闭的 方向，也就是说，阀芯在移动过程中打开阀口时，稳态液动力的轴向分量阻碍阀口移动； 而当关闭阀口时，又推动阀芯移动。在此我们只考虑液动力的轴向分量对于安全阀的影 响。通过查阅液压阀设计手册可得出稳态轴向液动力的公式（2.1） aQFscos（2.1） 而PACQ xd   2 式中，Q为安全阀的公称流量， d C 为液体流过阀口的流量系数， 取 0.8。 x A 为控制容积内液体流过的断面面积， P为阀口俩边的压差，为液体流经断 面时的速度，a为阀口液流角，取  15a，密度在常温常压下取 33 /109 . 0mkg。由 此代入可以得到公式（2.2） xd s AC aQ F cos 2  （2.2） 产生最大稳态液动力时的开口量为最大行程 MAX F  由公式   gP aXCQ d 2 sin代入可得到公式（2.3）    gP a Q MAX F 2 sin8 . 0 67.16 （2.3） 将上面各个参数带入可以得到阀芯的最大行程 MAX F 约为 8mm。 2.4.2 液压卡紧阻力的计算 液压系统在实际工作中会受到许多种作用力，其中一种特殊的、对其影响比较大的 就是液压卡紧力。[25]在液压元件的大部分滑动副里都会存在一些配合上的间隙，比如安 全阀的阀芯和阀套、乳化液泵的活塞和缸体等等，液体充满这些间隙后，摩擦力应该是 很小的，当所施加的作用力大于阀芯的周围液体所产生的粘性阻力时，推动阀芯移动， 实现卸载；但是往往会出现“卡死”的现象，这是因为安全阀不可能一直处在工作状态， 当它“休息”不动的时候，阀芯周围的粘性阻力会大大增加，就像把它粘住了一样，很 难再推动它。这就是上述液压卡紧力的现象，产生“卡死”的原因主要有以下几种 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 （1）由于加工误差引起的径向轴向力不平衡导致阀芯偏心； （2）液体中可能含有杂质、污垢等，对滑动副表面划伤，产生