液压泵阀空蚀特性的研究

论文摘要

随着科技的进步与发展,包括传动、控制和检测在内的液压技术已经成为一门基础技术,它对现代机械装备技术的进步有着重要的影响。近年来,液压技术将微电子技术和大功率控制对象紧密连接起来,成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段。当前,液压技术主要的发展方向为高压、高速、大功率、低噪声、高可靠性,高集成化,并取得了重大的发展。但是,在高压和高速液压系统中很容易产生空化现象。由于空化现象不可避免地产生气泡,如果对气泡溃灭的位置控制不当,气泡就会在固体壁面附近聚集,甚至溃灭,进而造成液压元件的空蚀破坏,同时伴有强烈的空蚀噪声。由于空化与空蚀问题对液压系统危害的严重性和复杂性,实际工程中需要在现有的条件下运用简单的技术和方法,准确、快速地判断元件的空蚀和噪声特性。针对上述问题,本论文采用的研究方法是,利用流场CFD数值计算、噪声试验、流动可视化,和空蚀噪声理论分析相结合的手段,对高压、大功率系统中的主要元件——高压轴向柱塞泵和液压控制阀节流部位的空蚀特性进行深入系统的研究。对柱塞泵设计过程中的空蚀特性,提出一种通过分析减压槽出口处的射流方向来评价高压轴向柱塞空蚀特性的方法;另外,对液压控制阀设计过程中的噪声特性,提出一种基于沿流动方向,分布阀座上的压力和速度方向的空蚀噪声特性评价方法。论文主要内容包含以下几个方面:1)从空化与空蚀理论出发,分析了高压系统中液压元件空蚀破坏的机理。从声源和声音传播角度出发,提出了如果空化泡的溃灭中心点离固体壁面远时,振动就会被液体衰减,噪声就小;反之,溃灭中心点离固体壁面近或在壁面上时,振动不但不会被衰减,还很容易通过固体传到空气中,噪声就会很大。由此得出结论:不管从控制液压元件的空蚀还是控制噪声方面考虑,都应该通过改变元件结构,使空泡溃灭中心点远离元件的固体壁面。2)通过对论文中所用CFD技术知识的介绍,为解析建模提供了理论基础。在此基础上,考虑液压油的可压缩性,利用移动网格技术建立了轴向柱塞泵配流过程的三维瞬态计算模型;建立了两种结构系列液压锥阀的二维稳态模型,以及两种结构非全周开口液压滑阀的二维稳态模型。3)通过对高压轴向柱塞泵配流过程进行CFD数值计算和试验研究,结合射流和空泡溃灭理论,分析了高压轴向柱塞泵泵腔内产生空蚀的原因。最后,提出了一个通过分析节流槽出口处的射流方向来评价高压轴向柱塞空蚀特性的空蚀评价方法,即将节流槽出口的射流角范围30°～60°作为评价高压轴向柱塞泵空蚀特性的标准。4)对液压控制阀的节流特性进行了CFD数值计算和试验研究。结合噪声传播理论和空泡溃灭理论,分析了液压控制阀产生空蚀噪声的机理。通过对沿流动方向,分布在阀座上节流部位的压力和速度方向进行积分加权处理,提出一种基于节流口处阀座上压力和涡流的液压控制阀空蚀噪声评价指数C_N。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的学术背景和实际意义
• 1.2 液压元件空蚀与噪声的危害
• 1.3 液压元件中空蚀与空蚀噪声研究现状
• 1.3.1 空蚀与空蚀噪声研究
• 1.3.2 液压系统中的空蚀特性研究
• 1.4 流场分析在液压技术中的应用
• 1.4.1 流体解析在液压技术中的应用
• 1.4.2 流场显示和测量在液压技术中的应用
• 1.5 数值解析与试验研究的关系
• 1.6 课题的来源和主要研究内容
• 第2章 液压系统中的空蚀与噪声机理分析
• 2.1 前言
• 2.2 空化与空蚀
• 2.2.1 空化的发生与危害
• 2.2.2 空化数
• 2.2.3 空蚀破坏机理
• 2.3 空蚀破坏的机械作用理论
• 2.3.1 球形空穴（泡）溃灭理论
• 2.3.2 “微射流”气泡溃灭理论
• 2.3.3 空蚀噪声
• 2.4 液压系统中的噪声及其传播
• 2.4.1 液压系统的噪声特性
• 2.4.2 液压系统中噪声的传播
• 2.4.3 声响随距离的衰减
• 2.5 小结
• 第3章 轴向柱塞泵和液压控制阀解析建模
• 3.1 前言
• 3.2 CFD技术基础
• 3.2.1 流动状态—紊流特性及紊流方程
• 3.2.2 方程的离散和求解
• 3.2.3 解析假定
• 3.3 轴向柱塞泵配流过程的瞬态计算模型
• 3.3.1 斜盘式轴向柱塞泵工作原理
• 3.3.2 缸体与配流盘结构特点
• 3.3.3 配流过程中的液压回冲现象
• 3.3.4 几何模型选取与网格划分
• 3.3.5 流动状态选择与物理参数选取
• 3.3.6 边界条件设定与瞬态计算模型建立
• 3.4 液压控制阀稳态计算模型
• 3.4.1 液压控制阀的工作原理
• 3.4.2 日本试验所用半切液压锥阀稳态模型
• 3.4.3 国内试验所用液压锥阀稳态模型
• 3.4.4 非全周开口液压滑阀稳态模型
• 3.5 小结
• 第4章 液压轴向柱塞泵的空蚀特性
• 4.1 前言
• 4.2 改进前空蚀试验结果
• 4.3 配流过程中泵的空蚀特性分析
• 4.3.1 泵腔内瞬时压力分布和速度分布
• 4.3.2 最低压力和最高速度对空蚀的影响
• 4.3.3 速度射流角与泵的空蚀特性
• 4.4 预压区不同减压槽（孔）结构对应泵的空蚀特性
• 4.4.1 小孔1对泵空蚀特性的影响
• 4.4.2 小孔2对泵空蚀特性的影响
• 4.5 配流盘结构改进与试验研究
• 4.5.1 配流盘结构的改进
• 4.5.2 改进结构空蚀特性的试验研究
• 4.6 小结
• 第5章 液压控制阀空蚀噪声的评价
• 5.1 前言
• 5.2 空蚀噪声和漩涡脱离噪声
• 5.3 试验条件与试验结果
• 5.3.1 试验条件
• 5.3.2 实验结果
• 5.4 锥阀的压力与速度分析
• 5.4.1 锥阀阀腔内的压力和速度分布
• 5.4.2 压力测点处的压力和速度分布
• 5.5 数据处理与噪声评价
• 5.5.1 积分加权法数据处理
• 5.5.2 噪声评价
• 5.6 试验验证
• 5.6.1 液压锥阀噪声评价
• 5.6.2 液压滑阀噪声评价
• 5.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文及承担项目