负载敏感平衡阀的可视化分析及结构优化

论文摘要

液压平衡阀是一种重要的液压元件,在许多工程机械、起重运输机械等领域中广泛应用。为了防止负载下降时出现超速而发生危险,通常使用平衡阀来控制负载的下降速度。但传统的平衡阀存在着不少缺点:负载较重时,容易出现低频振动,致使工作平稳性得不到保障,安全性较差;负载较轻时,控制压力偏高,致使系统功率损失严重。针对以上普通平衡阀存在的普遍问题,文献[1]提出了一种新型的负载敏感平衡阀(该阀已申请发明专利,专利公开号:CN1945028),该阀一改普通平衡阀负载重时,阀口开度大,负载轻时,阀口开度小的普通阀芯的设计,而是阀口的开度随负载的增加而减小,负载重时,阀口开度减小,使重物平稳下降;负载轻时,阀口开度增大,从而产生与负载匹配的背压,能使重物借助自身重力产生的压力和较小的控制压力而平稳下降,使控制压力基本保持不变,保证了在小负载时的功率损耗较小。该阀将液压缸下腔的压力信号反馈到阀体内部,使阀芯的开口大小随负载变化,从根本上解决了目前平衡阀存在的背压不能随负载动态变化的问题。本文阐述了负载敏感平衡阀的原理,并对其结构设计的不合理处进行了修正,特别是对该阀的关键零部件进行了详细的计算和设计。通过对节流阀阀芯上小孔的设计计算,极大地改善了该阀的调节性能及控制性能,从而使整个平衡阀的结构更加紧凑,设计更为合理,满足性能要求。本文建立了此新型平衡阀的数学模型,借助于一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件MATLAB/Simulink对其动态特性进行了计算机仿真,并通过在Simulink模块中调用MATLAB的优化函数语句来实现对某些参数的优化,证实了在稳态方面,与其它平衡阀产品(如文献[2])相比有明显提高。考虑到阀芯受力的平衡问题,节流阀阀芯上的小孔经过重新设计后,节流口实际面积与理论面积更为接近。在重新设计平衡阀节流阀芯的过程中,按照负载敏感平衡阀的设计参数,对平衡阀阀芯运动过程内部流场变化特性进行了可视化分析。应用Pro/E软件建立了平衡阀内节流阀芯的三维几何模型,运用Fluent前处理软件Gambit进行了网格的划分。采用标准紊流模型模拟了节流阀流道内流体的流动状态及漩涡的产生区域,通过截取各个阀芯小孔处的平均速度,从而验证流量的稳定性。所得结论为阀芯的结构设计与优化提供了参考依据。最后绘制出了此平衡阀的图纸,结合该平衡阀的特点进行了试验分析并给出了试验方案,为进一步证实该新型平衡阀的综合性能与原阀相比有明显提高奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压传动技术的发展概况
• 1.2 液压传动系统的优缺点
• 1.3 液压传动存在的问题
• 1.4 负载敏感技术的在液压系统中的应用
• 1.4.1 负载敏感技术在电液伺服控制系统中的应用
• 1.4.2 负载敏感技术在变量泵中的应用
• 1.4.3 负载敏感理论在液压阀设计上的应用
• 1.4.4 负载敏感技术在矿山机械设备中的应用
• 1.5 液压平衡回路的研究现状及存在的问题
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第二章 负载敏感平衡阀的动态特性分析
• 2.1 负载敏感平衡阀的结构、工作原理及使用性能
• 2.1.1 负载敏感平衡阀的结构
• 2.1.2 负载敏感平衡阀的工作原理
• 2.1.3 负载敏感平衡阀的结构特点
• 2.2 负载敏感平衡阀的动态建模及仿真
• 2.2.1 负载敏感平衡阀的动态建模
• 2.2.2 负载敏感平衡阀的动态特性仿真
• 2.2.3 负载敏感平衡阀的动态特性优化研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 负载敏感平衡阀的结构改进和流场可视化分析
• 3.1 负载敏感平衡阀的节流阀设计
• 3.2 负载敏感平衡阀的内部流场可视化分析
• 3.2.1 计算流体力学概述
• 3.2.2 Fluent 软件的介绍
• 3.2.3 负载敏感平衡阀芯内部流场可视化分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 负载敏感平衡阀的试验方案设计
• 4.1 概述
• 4.2 液压试验的分类
• 4.3 出厂试验
• 4.3.1 试验装置
• 4.3.2 试验回路
• 4.3.3 出厂试验项目及方法
• 4.4 型式试验
• 4.4.1 试验装置
• 4.4.2 试验回路
• 4.4.3 型式试验项目及方法
• 4.5 试验总结
• 第五章 总结
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文目录
• 致谢
• 附录