立柱液控单向阀的仿真分析与流场可视化研究

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液控单向阀是液压支架的关键元件之一,其性能是液压支架的工作性能的重要保证。液压支架卸载过程中,液控单向阀常会出现卸载冲击。剧烈的压力冲击不仅影响液控单向阀可靠性,还将影响系统中管路、接头及安全阀等元件的寿命,严重时可能导致支架立柱、元件损坏和引发安全事故。所以对液控单向阀进行性能分析,卸载冲击因素分析,以及对阀的内部结构、阀道内压力、液体流速、气蚀现象等进行分析研究,对提高液控单向阀的性能,延长使用寿命,进而提高液压支架关键零部件及整机的性能都具有深远的意义。本文以立柱液控单向阀为对象进行了分析研究,对实际生产应用提供参考。通过建立立柱液控单向阀的阀芯受力平衡方程和建立了阀口的流量方程和流量的连续性方程,分析了液控单向阀的动态特性。应用AMESim软件建立了对立柱液控单向阀正向开启压力测定、反向开启控制压力测定、卸载冲击的AMESim仿真模型,并进行仿真。得出:(1)压力为0.26MPa时,阀芯开启;(2)控制口压力在2.63MPa时,小阀芯开启,控制口压力在24.12MPa时大阀芯开启。(3)该立柱液控单向阀在卸载过程中存在压力冲击。在分析液控单向阀卸载压力冲击机理的基础上,通过改变液控口阻尼孔直径、阀芯锥角、立柱直径、负载大小、乳化液体积弹性模量、供液管路直径等参数仿真,得出影响该立柱液控单向阀卸载冲击的相关因素。通过仿真得出:液控口阻尼孔直径、阀芯锥角、立柱直径、供液管路直径、顶梁及立柱刚度对立柱卸载冲击影响明显。其中,液控口阻尼孔直径1mm时该阀液控口阻尼孔的最佳值;阀芯锥角越大,卸载过程中阀芯启闭次数越少及引起的压力冲击次数越少;供液管路直径越大,卸载冲击越小,阀芯震荡次数越小,不会出现阀芯闭合的现象;顶梁及立柱刚度越小,卸载冲击压力越大,刚度越大,卸载冲击越小。应用FLUENT软件对阀芯不同半锥角,不同阀座结构,不同开口度的液控单向阀流场进行数值仿真模拟,获得流体在不同条件下的流动状态,得出(1)阀芯的半锥角越大,节流口处最大速度分布区域减小,最大速度减小,增大半锥角卸载时阀口关闭过程中高速液体动量变化减小,有利于减小对阀的压力冲击。阀芯半锥角越大,节流口拐角处形成的漩涡越小,低压区域的面积越小,容易发生气穴的区域越小。(2)面接触的阀座结构能缓解节流口处的压力的突变,节流口处的压力变化梯度较小,形成的低压区面积较小,不容易形成气穴;面接触时阀口处的液体流线较为平缓,对阀壁面形成的冲击较小,随之能量损失也较小。(3)阀芯开口度越大,阀芯节流口处最大速度越小,最大速度分布区域越小,分布于节流口出口处,有利于减小卸载过程中对液控单向阀造成的冲击。本文的研究工作为液控单向阀的设计,支架相关关键零部件设计制造选型提供了参考依据,文中所涉及的建模及仿真方法也可为其它液压系统动态特性研究提供借鉴。
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