液壓調節閥空化流場分布特性的可視化實驗

賀 杰， 劉秀梅， 李貝貝， 喬淑云， 王樹臣

（1.徐州工程學院電氣與控制工程學院，江蘇 徐州 221018；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

液壓調節閥是高端精密裝備的關鍵性部件，也是一個國家戰略資源配套的關鍵性部件，在石油、化工、煤炭、電力、航天等諸多行業有著廣泛的運用。調節閥是液壓系統中用于控制流量、液流方向和系統壓力的元件，是液壓技術中品種規格最多、應用最廣泛、最靈活的元件［1-3］。調節閥作為一種工程實際中常用液壓閥，其控制精度直接影響著液壓系統性能的好壞。調節閥在使用過程中特別是在高壓大流量的工況下，液壓介質在閥內流動時往往伴隨有空化現象的發生，一旦空化發生，無論哪種空化流態，都會改變調節閥流道的實際通流面積、流量系數，從而引起調節閥的失穩振動，影響閥門控制的穩定性和可靠性。中外學者從理論研究、數值仿真和實驗方面對調節閥內空化流場特性進行了大量的研究［4-6］。由此可見調節閥內空化流場特性是影響調節閥性能的最重要的因素之一。

目前，液壓系統中空化現象的研究依然具有很大的經驗性和盲目性，許多涉及液壓油空化現象的研究成果還不能令人滿意。主要是液壓油空化產生的原因以及發生的條件與水中空化現象存在本質上的不同；此外，液壓元件內部尺寸小、流道復雜、閥口流速高等原因都導致了液壓元件和系統中的空化現象更為復雜。

為深入研究液壓調節閥流道內空化流場的特性，本文開發了一種可視化實驗臺，是以煤液化裝置中液控調節閥1/10 尺寸自制透明實驗閥模型為研究對象，以高速相機為測試手段，拍攝透明閥腔內部流場運行狀況，便于觀察分析閥腔內部空化流的空間位置和形態變化，亦可以定量的去分析閥內空化流場特性［7-9］。

1 調節閥的工作原理

1.1 調節閥的結構及空化形成原因

調節閥也被稱作控制閥，主要是由閥座、閥芯以及驅動閥芯在閥腔內產生相對運動的裝置組成，將接收到的調節、控制信號傳遞到執行機構，通過執行機構利用閥芯的相對運動使閥口的工作狀態發生改變，從而影響液體的流量或流動方向，實現了調節閥壓力、流量和方向控制。調節閥閥芯的主要形式有滑閥、錐閥和球閥3 種，本文主要是通過可視化實驗研究內流式錐閥內部空化流場特性。錐閥主要由閥座、閥芯、彈簧等構成，直動式液壓錐閥通過調節上端螺桿壓緊彈簧從而產生預緊力，此預緊力施加在閥芯的上端壓住閥芯。當錐閥的進出口與外接管路連通時，在流道內產生壓力差，從而實現閥芯啟閉動作。錐閥有內流和外流2種工作方式，一般情況下，定義流體從上閥腔流入下閥腔流出的工作方式為內流式，相反則為外流式，錐閥結構及內流外流式如圖1 所示。

圖1 錐閥的基本結構及流式示意圖

當油液流經錐閥的節流面時，由于速度的增大會在流道內形成高速流體，根據伯努利方程可知，當液體局部壓力低于氣體飽和蒸汽壓后會產生空化現象，不僅會影響閥芯的動力學行為，而且會誘發錐閥產生嚴重的振動及噪聲。閥芯振動、空化、噪聲等現象是導致錐閥流量控制不精確的最普遍、最主要的原因，亦是阻礙錐閥向高壓、大流量、低噪聲、低成本等方向發展的制約因素。

1.2 流量方程和流量特性

調節閥通過改變節流口的過流面積來控制流量，從而起到控制整個液壓系統的目的，與其他閥門一樣，是一個可以改變局部阻力的節流元件。當介質流經調節閥口時，由于過流面積的減小，流速增大、壓力變小，而經過閥口后，流速又快速下降。但是由于流體內部摩擦消耗能量，經過節流口后流體的壓力不能恢復到初始的狀態，在這個過程中，不僅流速發生了變化，壓力也產生了損失，管道的節流示意如圖2 所示。

圖2 管道節流示意圖

假設調節閥中的流體為定常、無黏性、不可壓縮的理想流體，管道是水平的，應用伯努利方程結合流體連續性方程，推導出調節閥的流量方程［10-11］。

式中：Q為流量；ρ為介質的橫截面密度；v1為介質流速；A為介質的橫截面積；p1和p2分別為調節閥前后的壓力。設管道的直徑為d1，調節閥的孔徑為d2，則調節閥的阻力系數

如果過流面積A的單位為cm2，Δp=p1-p2單位為100 kPa，介質密度ρ單位為g/cm3，流量Q為m3/h，則可得調節閥的流量方程：

當調節閥口徑截面A一定，且調節閥兩端壓差Δp不變時，流體密度不變，則流經調節閥的流量Q由阻力系數ξ來決定；當閥開度越大，阻力系數ξ越小，流量Q則越大；反之，閥開度越小，則ξ越大，流量Q越小。通過調節閥口的開度來改變過流面積A，進而改變對應開度的阻力系數ξ，從而改變調節閥的流量［12］。

流體的相對流量和閥芯的相對位移（相對開度）之間的關系，即流量特性，其表達式為

式中，Qmax為開度最大時對應的流量。相對流量定義為開度一定時，對應的流量與最大流量的比值，即相對流量，其l對應為流量Q時閥芯的位移，lmax對應為開度達到最大時對應的閥芯位移；相對開度l/lmax定義為調節閥某一閥口開度情況下閥芯行程與閥口全開時的閥芯行程之比。

2 可視化實驗臺

2.1 自制實驗調節閥

本文是以煤液化生產中專用的液控調節閥為研究背景，其位于煤直接液化裝置中高溫高壓分離器的底部，用于調節高溫高壓分離器的液位使其保持在設定范圍內，其結構如圖3 所示。煤液化調節閥長期使用在大壓差、沖刷嚴重的氣/液/固三相流介質工況中，在空化和沖蝕的共同作用下破壞嚴重，其使用壽命短的問題嚴重制約著煤液化裝置的長周期穩定運行［13］。

圖3 煤液化調節閥的結構示意圖

煤液化調節閥內部流場實驗很難在原型上進行，也不可能直接應用可視化的手段觀察閥內部流場情況。根據動力學相似原理，可以利用實驗裝置在按照一定比例尺制作的調節閥模型上進行，復現煤液化調節閥內部流場。圖4 所示為本文實驗采用的調節閥自制模型，為煤液化調節閥等比例縮小模型，其由閥芯和透明閥腔2 部分組成。其中：閥芯由45 號鋼加工而成，分為可調節行程的螺桿、密封段和閥芯頭部3 部分；透明閥腔由有機玻璃（PMMA）材料加工而成［見圖4（c）和（d）］，閥腔分為上游段、喉部和擴張段3 部分。閥腔和閥芯組合成的密封段為流道，實驗通過高速相機拍攝其內部空化流場情況。

圖4 實驗用調節閥模型

2.2 實驗裝置

可視化實驗臺主要有液壓系統與圖像采集系統2部分組成。圖5 所示為自行設計的實驗裝置圖，泵站和電機一體放置在一側，另一側為一種減震液壓實驗工作臺架［14］，包括上層臺面、橡膠減震墊、中層臺面、海綿減震墊、下層臺面等主要部分組成。實驗臺上層臺面與支撐梁之間以及實驗臺中下層之間都設計有減震墊，一方面為了降低液壓系統給實驗帶來的震動影響，提高實驗的準確度；另一方面，上層臺面采用分塊可拆卸臺面，可根據需求固定不同的元器件。泵站為整個系統管路實現供油，并配備有相同工作參數的蓄能器。裝置中設有風冷裝置用來保持油溫的恒定?？刂乒裰饕糜诒谜镜碾姎饪刂蒲b置，以及各個壓力流量傳感器的信號采集、顯示與數據下載。將管路、透明實驗閥、集成油路塊、流量計、壓力表等裝置固定在減震液壓實驗工作臺架上，便于觀測空化流動狀態以及其分布形態。圖6 所示為實驗流程框圖。

圖6 液壓調節閥實驗流程框圖

2.3 液壓系統

液壓系統主要由泵站、蓄能器、實驗閥、單向閥、溢流閥、流量計、壓力表、背壓閥等部分組成，其中泵站工作實現系統供油，蓄能器可以減弱泵站在運行時在管路中產生的壓力脈動等的影響，溢流閥和背壓閥用來調節實驗閥的進口和出口壓力，流量計和壓力表用來實時地精準測量實驗系統的流量和實驗閥進口和出口壓力，實驗臺部分裝置的具體參數見表1。實驗用的流體介質是46#抗磨液壓油，該流體的密度是889 kg/m3，動力黏度是36 g/（m·s），實驗過程中先預熱液壓油使其溫度保持在（47 ±0.5）℃的范圍，由于流體介質的黏度是影響空化氣穴現象的關鍵因素之一，泵站中油箱采用風冷卻的強制散熱，使油溫保持在一個合理的區間，防止油溫介質的過度升高進而影響空化的產生與形態分布。圖7 所示為液壓系統原理圖。

表1 實驗臺參數表

圖7 液壓系統原理圖

2.4 圖像采集系統

目前在流場觀測與顯示技術實驗研究方面，高速攝像技術、粒子圖像測速技術（PIV）與數字全息粒子圖像測速技術（DHPIV）是觀測流場特性的常用手段。PIV與DHPIV用示蹤粒子的速度代替流場的運動速度，主要用于得到流場中的各點流速矢量；高速攝像技術則主要用于高速運動流場的拍攝、觀察與分析，是研究流體運動規律的重要手段之一，且具有操作簡便優勢。針對調節閥內部流場的空化初生、發展與潰滅各階段過程中空化形態和分布規律，本文采用高速攝像技術捕捉閥腔內空化流中空泡分布形態的演變過程。

圖8 所示為搭建的圖像采集系統，主要包括透明實驗閥、高速相機及調節支架、計算機、光源等元件。透明實驗閥通過油路塊與前后液壓系統管路相連接，高速相機固定在可調節的支架上，實現相機鏡頭的全自由度的調節，光源采用同向照明的方式進行補光，計算機通過千兆以太網與高速相機連接，通過PCC 軟件進行相機控制。為便于拍攝并提高拍攝圖像的清晰度，透明實驗閥采用長方體結構，并對回轉型內部流道結構進行研磨拋光處理。

圖8 可視化實驗圖像采集系統組成

由于調節閥節流口的流動狀態演變過程非常短，高速流動的空泡很難進行捕捉，因此高性能的高速相機是圖像采集系統的關鍵因素。本文使用Phantom VEO 710L型高速相機（Vision Research公司），最高分辨率可達1280 ×800 dpi（最高幀率7400 f/s），小畫幅時最高拍攝速率可達680000 f/s，支持千兆以太網通信接口，自適應調節曝光時間，且具有較強的抗干擾性能，如圖9 所示。

圖9 高速相機

3 實驗結果與分析

根據流量特性式（3），用尺子量取閥芯螺桿行程（螺桿位移），得出調節閥相對開度，調節螺桿行程可以控制調節閥的流量，流量大小通過液壓系統流量計讀出。在一定的調節閥相對開度下，調節溢流閥和背壓閥，改變調節閥進口和出口壓力，進出口壓力大小通過壓力表讀出，可以得到不同進出口壓力下空化長度以及形態的變化。

本文取其中一組具有代表性的數據進行分析。如圖10 為調節閥相對開度為40%時，出口壓力為1 MPa時，不同進口壓力下空化長度以及形態的變化過程。仿真獲得的數值結果見圖10（a）；采用高速相機拍攝的實驗結果見圖10（b）。由圖可知：當油液流經節流口錐形截面后（實際上是環錐形立體形狀），油液流速急劇上升，此時流體的流動會脫離閥座壁面、有沿閥芯流動的趨勢。根據伯努利方程可知，隨著油液流速逐漸增加，其壓力也會逐漸降低，當流速增加到某一值時，壓力將低于油液飽和蒸汽壓［15］，此時空泡出現且離散地附著于閥座和閥芯頭部區域。保持出口壓力不變，當進口壓力增大時，節流口處會發生空化現象，逐漸增強并向下游發展；當進口壓力增加到3 MPa時，閥芯頭部開始出現空化現象。結合數值仿真和實驗結果可知：空化長度會隨著進口壓力的增加而增加，當進口壓力從2.5 MPa 增加到4 MPa 時，位于節流口附近的低壓區域越來越大，這些低壓區域是促進空化發生的主要區域；隨著進口壓力的增大，節流口出口部位出現空化現象后，空泡還會進一步發展，空泡數量（空泡數密度）會隨著時間而增加，空泡區域的形狀、大小等也會發生改變；隨著時間的推移，空泡區域的尾部，部分空泡會逐漸地脫離空泡群形成游離型空泡，這些游離型空泡以及空泡群中一小部分會向流道下游移動并發生潰滅現象。因此調節閥中的空泡流的特點：空泡流中間段較密集，空泡流尾流部分空泡數密度相對較低，空穴氣-液交界面尾部輪廓也比較模糊。對比數值仿真和實驗結果，可以發現仿真結果與實驗結果吻合較好。

圖10 調節閥內空化流場的數值計算和實驗流場可視對比

4 結語

本文搭建了空化流場特性的液壓調節閥可視化實驗臺，捕捉不同入口壓力下閥腔內氣液兩相流形態演變過程，探究調節閥內部空化初生、發展與潰滅各階段過程中空化形態和分布規律。通過對可視化空化圖像處理及數值仿真結果分析處理，結果表明：入口壓力對調節閥內部空化分布影響較大，降低入口壓力或增加背壓有助于抑制調節閥內空化的產生；獲得調節閥流道內空化流體動力學特征，為調節閥的設計及控制性能的提升提供優化依據。

本文將液壓傳動、自動控制課程教學與實際科學研究相結合，同時在實驗教學中充分發揮大型儀器的作用，對鞏固理論教學知識，提升學生的實驗能力和創新思維能力起到積極的作用，為新形勢下新工科人才培養目標提供參考。

·名人名言·

讀書有三到，謂心到，眼到，口到。心不在此，則眼不看仔細，心眼即不專一，卻只漫浪誦讀，決不能記，記不能久也。三到之中，心到最急。

——朱熹