內(nèi)流式錐閥的氣穴產(chǎn)生機理試驗研究

山西工程職業(yè)學院 李優(yōu)

簡介

錐閥由于具有良好的密封性、較強的通流性和快速響應特性而廣泛應用于各類方向和壓力控制閥，作為閥芯實現(xiàn)流體的控制。錐閥在啟閉過程中壓力變化較大，容易引起閥芯受力波動而振動，嚴重時發(fā)生壓力沖擊現(xiàn)象，因此液壓系統(tǒng)的工作性能受液壓閥性能影響較大。流體壓力變化同時會導致負壓部位產(chǎn)生氣穴和噪聲，這些現(xiàn)象均伴隨流體壓力和流速變化而發(fā)生，對錐閥的氣穴發(fā)生規(guī)律研究顯得尤為必要。

1 理論分析

在閥的阻尼口、閥芯開口度較小時經(jīng)常發(fā)生氣穴和噪聲，這些現(xiàn)象極易發(fā)生且控制難度較大，當前基于高水基乳化液的液壓閥氣穴研究還有待深入[1]。關于氣穴的研究一般以單空泡和空化基礎理論相關研究結論為指導，但閥在實際工況下的表現(xiàn)還與閥芯結構、工作環(huán)境、系統(tǒng)壓力等因素有關，給閥內(nèi)氣穴的研究帶來較大困難，因此還需要研究上述理論在不同閥芯結構下的具體應用[2]。

流體在閥內(nèi)快速流動時極易因為流道的不規(guī)則變形而形成漩渦，進而引發(fā)壓力和速度波動，當波動區(qū)域的壓強低于流體的飽和蒸汽壓強時就會發(fā)生流體內(nèi)氣體析出而沸騰的現(xiàn)象，若氣泡恰好積聚在低壓區(qū)則會發(fā)生氣穴現(xiàn)象[3]。流體內(nèi)氣泡的產(chǎn)生不僅會對流體的連續(xù)性產(chǎn)生影響，還會影響流體的傳力性能，造成液壓機械工作的功率和效率降低。在氣泡伴隨流體流動的過程中流經(jīng)高壓流體區(qū)域時會快速凝固，形成局部真空造成周邊的流體急劇回流并互相發(fā)生碰撞，流體和固體不斷耦合作用，碰撞周邊的構件也同步遭到流體碰撞，對閥表面形成氣蝕破壞，加劇能量損耗。此外，流體中氣泡流動過程中還會影響液壓系統(tǒng)中其它元件的工作性能，比如：影響流量和壓力監(jiān)測元件的測量精度、測量效率，引起相關測量參數(shù)波動；當氣穴發(fā)生在水泵和水輪機的葉片上時，容易造成葉片不可恢復的損傷而影響工作壽命。氣穴現(xiàn)象對流體傳動和液壓閥的影響是連續(xù)且嚴重的，是造成閥芯振動和壓力沖擊的主要原因。

氣液兩相流是氣體和液體相互作用形成流體傳動的一種流動狀態(tài)，主要由氣相、液相和氣液界面組成，三者互相耦合。由于氣體相較于液體具有更靈活的流動性和較大的可壓縮性，造成氣液互相接觸的界面更加復雜，同時流體的流動受固體流道的影響很大，尤其是在遇到阻尼孔、閥口開度較小、流道方向突變等情況時會形成特點各異的流型，使得相互作用的過程更加復雜和難以分析，再加上不同結構和工作環(huán)境（如溫度、壓強）的參數(shù)差異，流體傳動過程的流動機理、熱機理和載荷傳遞等均會出現(xiàn)不同，給具體氣穴問題的深入研究帶來較大難度。近[4]年來關于氣穴問題的研究主要集中在流道形狀對流體的影響，如流道的角度、方向設置等。流體傳動過程氣泡的演變主要涉及因素有：流道形狀、流速、壓強和溫度，特殊情況下還需要考慮流體的力學特性、汽化特性、流體成分和雜質(zhì)的影響，一般情況下分析時將流體視為理想流體。

2 計算機仿真分析

以某型換向閥內(nèi)全錐型內(nèi)流式錐閥的正向導通流道為研究對象，分析流道條件和幾何結構對錐閥工作時氣穴的作用機理和影響程度，并通過試驗予以驗證。首先使用SolidWorks進行三維實體建模，保存為stp文件格式，然后導入網(wǎng)格劃分軟件ANSYSICEM進行網(wǎng)格劃分，最后導入ANSYSFLUENT進行數(shù)值模擬。以錐閥開口度為1mm，進油口壓力分別2MPa和1MPa進行仿真。

圖1-3為進油口壓力分別為2MPa和1MPa時的普通內(nèi)流式錐閥的壓力分場、速度場和氣體體積分數(shù)分布云圖。由壓力分布云圖可以看出閥芯開口的兩側壓力差異較大，說明閥口開度較小時閥芯主要起到節(jié)流阻尼作用，壓降主要分布在閥口附近，且在壓力為2MPa時錐閥尖角處壓力較高，與周圍壓差較明顯，容易出現(xiàn)氣泡析出現(xiàn)象。由于過流面積突然變小，在閥芯的兩側形成明顯的高低壓區(qū)，說明壓力突變主要是由閥芯引起的局部壓力損失，流體的流動狀態(tài)主要以紊流為主。工作壓力由2MPa降低到1MPa后流體的速度降低明顯（55 m/s-32 m/s），同時流體也不易形成旋渦，說明壓力在流體傳遞過程中的影響較大。同時，容腔內(nèi)的峰值氣體體積分數(shù)由0.95降低到0.90，形成氣穴的范圍和可能性均減小。

圖1 進油口壓力為2MPa和1MPa的壓力分布云圖

圖2 進油口壓力為2MPa和1MPa的速度分布云圖

圖3 進油口壓力為2MPa和1MPa的氣體體積分數(shù)分布云圖

綜上分析得閥芯進出口壓差對閥芯內(nèi)的流體氣穴影響較大，降低壓力有助于緩解容腔內(nèi)氣泡的形成。

3 試驗驗證

以仿真模型為模型，使用透明有機玻璃（亞克力）加工成型，將模型與液壓泵站和相應輔助元件搭建試驗臺進行實踐驗證，通過高速攝像機拍攝閥芯流體的流動情況，分析氣泡和氣穴的產(chǎn)生、發(fā)育和破潰。同時使用位移、壓力傳感器記錄閥芯位移和容腔內(nèi)壓力的相關數(shù)據(jù)，通過測量數(shù)據(jù)與攝像機拍攝的結果相結合展開分析，從內(nèi)流式和外流式兩種結構分析氣泡的表現(xiàn)形式和機理，對仿真結果的正確性進行驗證。使用高水基乳化液為工作介質(zhì)，設置閥芯的入口壓力為2MPa，由蓄能器模擬工作負載為試驗閥提供壓力，通過換向閥控制閥芯流體的流動狀態(tài)，經(jīng)試驗得出以下結論。

圖4和圖5分別為閥芯開口度1mm和3mm的動態(tài)氣穴現(xiàn)象，截取有代表性的時間點進行分析，兩次試驗中均觀察到較為明顯的氣穴現(xiàn)象，閥芯開啟時聽到尖銳噪聲。閥芯開口度在增大過程中，乳化液通過閥芯前端的容腔時受過流面積減小影響出現(xiàn)較為明顯的回流現(xiàn)象，進油口附近流體壓力變化不明顯。閥口開度較小時在閥芯附近容易形成較為集中的氣穴區(qū)域，這是由閥口過流面積小和進出口壓差較大雙重因素作用形成的，隨著閥芯開啟時間延長進出口壓差減小，氣泡逐漸消失。在閥芯位移不斷增大的過程中，閥口的阻尼減弱，乳化液通過閥芯壓力損失不斷減小，形成負壓的區(qū)域和峰值不斷減小，氣穴現(xiàn)象不斷弱化；發(fā)現(xiàn)形成氣穴區(qū)域逐步由閥芯錐角向出油口移動，氣穴區(qū)域呈離散化分布，氣泡集聚情況大幅收減，主要原因是閥口開度變大后流量增加，壓力不再劇烈變化。繼續(xù)試驗發(fā)現(xiàn)閥芯位移進一步打開至8mm后氣穴現(xiàn)象不斷弱化最后消失，閥芯進出口壓力恢復相等所需的時間越來越短。

圖4 閥芯開口度1mm的動態(tài)氣穴現(xiàn)象

圖5 閥芯開口度3mm的動態(tài)氣穴現(xiàn)象

因此，防治氣穴現(xiàn)象最主要的技術措施還是盡可能快速地將進出口的壓差減小，通過大流量卸壓的方式從根源上剔除氣泡產(chǎn)生的力學條件，具體可通過增大閥芯過流面積、改善流道結構、增大閥芯開啟推力、提升公稱流量、減少尖銳結構等措施。

4 結語

通過使用流場仿真軟件對內(nèi)流式錐閥的流場進行數(shù)值模擬，并搭建試驗模型開展試驗論證，發(fā)現(xiàn)氣穴區(qū)域逐步由閥芯錐角向出油口移動，氣穴區(qū)域呈離散化分布，緩解氣穴現(xiàn)象最好的方法是提高進出油口壓力趨同速度。