本文關(guān)鍵詞：高壓大沖擊流量條件下乳化液錐閥失效機理及關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：液壓支架的關(guān)鍵控制元件——大流量液控單向閥在工作時壓力高、流量大、速度快。故在高壓大沖擊條件下,流動特性、力學(xué)特性、沖擊特性、通流能力及破壞機理是大流量液控單向閥的核心問題。圍繞上述問題,本文以揭示高壓大沖擊流量條件下錐閥的失效機理、提高可靠性與壽命為目標,設(shè)計了大流量液控單向閥,運用CFD方法對錐閥的流場進行了分析和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;運用單向FSI方法,CFD分析和FEA結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合,對閥芯的力學(xué)性能進行了研究;同時理論分析與實驗研究相結(jié)合,對沖擊特性、液阻特性及功率譜進行了研究;最后通過綜合試驗對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的性能進行了驗證。相關(guān)研究工作主要包括以下幾個方面:闡述高壓沖擊流場的理論,分析大流量液控單向閥的負載特性與性能需求,據(jù)此設(shè)計大流量液控單向閥;然后從一級閥芯半錐角角度、閥座結(jié)構(gòu)及密封形式、過流面積三個方面對液控單向閥進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立了大流量液控單向閥流道的幾何模型,并通過Fluent軟件對原始一級閥芯開啟過程中的流場進行了計算仿真。得出如下結(jié)論:隨著大流量液控單向閥一級閥芯開口度的增大,閥的流量增加,而流動趨于平穩(wěn),局部能量損失降低;流體在流經(jīng)閥芯區(qū)域時壓力明顯降低,且通過閥芯節(jié)流口時,由于過流面積突然變小,流速增大,產(chǎn)生了空化,氣泡在運動至一級閥芯頭部時,此時流體壓力回升,所以主要會在此位置產(chǎn)生氣蝕造成破壞。對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行氣液兩相流分析,采用空化模型得到壓力云圖和氣相、液相體積分數(shù)云圖,然后分別對一級、二級閥芯進行單向流固耦合分析。得出如下結(jié)論:半錐角方面45度與60度一級閥芯較好,閥座方面宜采用閥座I或閥座II并改為錐面密封,過流面積方面選擇較大過流面積;在閥芯開啟的整個過程中,一級閥芯的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在首端,二級閥芯的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在尾端,一級、二級閥芯的最大等效應(yīng)力值隨著開口度的增大而明顯降低,一級、二級閥芯的最大等效應(yīng)力都在45鋼的許用強度內(nèi);同一開口度下,一級閥芯半錐角越大,其最大等效應(yīng)力越小,閥芯受到破壞的可能性越小,壽命會越長。從降低流場空化產(chǎn)生可能性和減小應(yīng)力的角度分析,一級閥芯盡量選用較大的半錐角;閥芯最危險的工況出現(xiàn)在閥芯剛開啟的時刻。采用AMESim軟件建立了液控單向閥的仿真模型,分析了液控單向閥在沖擊載荷下的動態(tài)特性,分析了卸載壓力沖擊產(chǎn)生的原因。得出如下結(jié)論:液控單向閥在沖擊卸載階段,閥口壓力、流量和閥芯位移同時出現(xiàn)劇烈的振蕩;產(chǎn)生沖擊的主要原因是液控單向閥在反向開啟時主閥芯和控制活塞的受力平衡遭到破壞,并產(chǎn)生了使二級閥芯關(guān)閉的運動,從而導(dǎo)致了壓力沖擊的出現(xiàn);在其他因素不變的情況下,增大一級閥芯的半錐角可以顯著地提高大流量液控單向閥的動態(tài)特性,可以使液控單向閥閥芯更快的打開,提高響應(yīng)速度;減小卸載時的壓力沖擊,增加開啟的過程中的穩(wěn)定性。根據(jù)大流量液控單向閥的工作特點,設(shè)計搭建了以蓄能器為動力源、通過增壓缸增壓的快速加載實驗系統(tǒng),并對大流量液控單向閥進行了沖擊卸載實驗、液阻實驗以及功率譜分析。得出如下結(jié)論:針對所設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)進行沖擊特性實驗可知,半錐角45度的一級閥芯動態(tài)性能最佳,在前端設(shè)置了緩沖槽的閥座I效果最好,過流面積為31.2mm2時,壓力振動小,卸載時間較快,流量上升梯度適中,是較為理想的;通過壓差-流量特性實驗可知,在流量上升階段相同的壓差下,半錐角45度一級閥芯、閥座III和過流面積為36mm2時流量最大,其通流能力最強;通過功率譜密度結(jié)合形貌分析,引入空化指數(shù)的概念,通過壓差比分析得出結(jié)論可知,氣蝕的產(chǎn)生更多的取決于壓力而非流量;氣泡的潰滅形成了具有高頻振蕩特性的應(yīng)力脈沖,使得密封副表面產(chǎn)生高頻交變載荷和脈沖式的局部塑性變形,在這種應(yīng)力脈沖的反復(fù)作用下,就使得密封副的表面出現(xiàn)氣蝕坑,產(chǎn)生氣蝕破壞。針對控制壓力對大流量液控單向閥性能的影響以及密封壽命等問題,在原有基礎(chǔ)上通過沖擊實驗與功率譜分析進行了深入研究,同時,在錐閥各個部件優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行了綜合匹配實驗,從動態(tài)特性、阻力特性、壽命等各方面設(shè)計出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。得出如下結(jié)論:控制壓力越大,越能避免液控單向閥主閥芯完全關(guān)閉,可以提高響應(yīng)速度,有效減小卸載時的壓力沖擊,增加開啟過程中的穩(wěn)定性,顯著地提高大流量液控單向閥的動態(tài)特性;而且隨著控制壓力的增大,空化指數(shù)呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,說明在結(jié)構(gòu)一定的條件下,控制壓力的變化對空化氣蝕的影響較小,所以當(dāng)液控單向閥反向開啟時控制壓力應(yīng)選在沖擊壓力的50%以上;材料特性方面硬度過大反而不利于抗氣蝕性能的提高;通過將錐閥的各元件進行優(yōu)化匹配,設(shè)計了具有良好綜合性能的高壓大流量液控單向閥,同時降低了空化指數(shù),減少了密封失效,增強了其工作可靠性和壽命。
【關(guān)鍵詞】：高壓大沖擊流量 錐閥 失效機理 沖擊特性 空化氣蝕
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD355.4
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• Extended Abstract11-26
• 變量注釋表26-28
• 1 緒論28-43
• 1.1 課題來源28
• 1.2 課題背景及研究意義28-30
• 1.3 錐閥在液壓支架中的應(yīng)用30-32
• 1.4 研究現(xiàn)狀32-37
• 1.5 存在問題37-41
• 1.6 研究目標及內(nèi)容41-43
• 2 液控單向閥負載特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計43-55
• 2.1 高壓沖擊流場理論43-46
• 2.2 負載特性與性能需求46-47
• 2.3 大流量液控單向閥設(shè)計47-52
• 2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化52-54
• 2.5 本章小結(jié)54-55
• 3 基于單向FSI的錐閥力學(xué)特性分析55-75
• 3.1 流固耦合55-56
• 3.2 建模與分析56-61
• 3.3 氣液兩相流混合模型流場仿真61-68
• 3.4 單向流固耦合分析68-74
• 3.5 本章小結(jié)74-75
• 4 液控單向閥動態(tài)特性分析75-96
• 4.1 大流量液控單向閥的數(shù)學(xué)模型75-76
• 4.2 基于AMESim的動態(tài)特性仿真及分析76-93
• 4.3 一級閥芯半錐角的影響93-94
• 4.4 本章小結(jié)94-96
• 5 實驗研究及機理分析96-127
• 5.1 大流量液控單向閥實驗方法96-97
• 5.2 大流量液控單向閥實驗系統(tǒng)設(shè)計97-103
• 5.3 實驗平臺和實驗流程103-106
• 5.4 沖擊特性實驗106-113
• 5.5 液阻特性研究113-116
• 5.6 功率譜密度及密封副形貌分析116-120
• 5.7 氣蝕破壞機理120-125
• 5.8 本章小結(jié)125-127
• 6 大流量液控單向閥綜合實驗127-134
• 6.1 控制壓力的影響關(guān)系127-131
• 6.2 兩種硬度的密封性能對比131-132
• 6.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合試驗132-133
• 6.4 本章小結(jié)133-134
• 7 結(jié)論和展望134-137
• 7.1 結(jié)論134-136
• 7.2 創(chuàng)新點136
• 7.3 展望136-137
• 參考文獻137-146
• 作者簡歷146-148
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集148

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本文編號：1132248