液壓橫移式加熱爐出鋼機(jī)設(shè)計(jì)含9張CAD圖
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機(jī)械工程學(xué)報(bào)2009年22卷第一期內(nèi)政部:103901CJME200901109,可登陸網(wǎng)站wwwcjmenetcom,wwwcjmenet.com.cn二位二通活塞換向閥弓永軍,楊華勇 ,王祖溫1實(shí)驗(yàn)室流體傳動(dòng)及控制,大連海事大學(xué),大連116026,中國2 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的流體傳動(dòng)及控制,浙江大學(xué),杭州310027,中國2008年7月13日收到;2008年11月19日修訂;2008年12月3日接受;2009年2月20日出版摘要:由于耐火和對環(huán)境的適應(yīng)性,以水作為工作流體的液壓回路在制造業(yè)和用戶中得到了越來越多的關(guān)注。這種液壓換向閥在不斷地改進(jìn)著,新的純水換向閥也被設(shè)計(jì)和制造出來,本文介紹二位二通換向閥極其工作原理。該閥是一個(gè)三位二通的電液換向閥,針對嚴(yán)重泄漏和容易造成突然反向沖擊的現(xiàn)象,改進(jìn)后的液壓空間密封為直接密封,主閥閥芯和閥體間的壓緊力是原先設(shè)計(jì)好的并且主閥芯內(nèi)的先導(dǎo)閥要能夠適應(yīng)敏感腔。從流量控制的角度看,液壓系統(tǒng)中抵抗氣穴生成的方法也在研究中。用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)靜壓分布和氣泡圖象的渠道主要依靠閥的兩種結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明這種方法能夠有效地抑制氣穴生成,這項(xiàng)工作為降低液壓系統(tǒng)噪音和振動(dòng)提供了一些有益的參考。同時(shí),模擬后從基礎(chǔ)上獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)的信息,靜態(tài)測試,動(dòng)態(tài)測試,壽命測試的完成,結(jié)果表明了液動(dòng)換向系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。其壓力要少1.1MPa,切換時(shí)間少0.025s,壓力的上限也要少0.8MPa,這種閥具有良好的機(jī)動(dòng)性能,快速反應(yīng)的特點(diǎn)并且沖擊小。關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng), 換向閥, 結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 流場分析1簡介 因?yàn)槠溆兄S富的傳動(dòng)媒介,環(huán)保,清潔,安全,防火等,液壓技術(shù)在流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域已被證明是一個(gè)重點(diǎn),液動(dòng)換向閥,作為一個(gè)重要組成部分,被廣泛地研究。傳統(tǒng)的液壓換向閥是滑閥,回轉(zhuǎn)閥或錐閥。雖然回轉(zhuǎn)閥和滑閥上的不平衡力很小,但是使它們工作的力更小,泄漏通常更加多是因?yàn)楣畋容^大,閥體和閥座之間會(huì)相對移動(dòng),黏度也很低。液壓系統(tǒng)泄漏的損失也會(huì)更加的高,水液壓系統(tǒng)的損失是油液壓損失的好幾十倍。為了保持合理的低泄漏清除是很小的,這可能導(dǎo)致難以加工,與此同時(shí),這很容易引起運(yùn)動(dòng)部件的不工作。至于錐閥,雖然泄漏較小,不平衡的軸向力存在,因此需要更大的力來操作它,液壓沖擊對純水換向閥更加嚴(yán)重。因此,如何減少泄漏,如何實(shí)現(xiàn)方向低的變化,甚至沒有液壓沖擊,以及如何提高靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性是問題研究的關(guān)鍵。到目前為止,沒有研究報(bào)告純水換向閥。本文提出一系列新的純水換向閥,基于對密封形式的改變,設(shè)計(jì)合理的預(yù)緊力,優(yōu)化流道。2 液壓換向閥的實(shí)驗(yàn)工作原理圖1顯示的是純水換向閥,這是電液換向閥,樣品試驗(yàn)階段是一個(gè)兩位三通的電磁換向球閥。不同與傳統(tǒng)的液壓閥,一個(gè)閥口添加到閥體里,閥腔大于閥體本身,主閥芯安裝到主閥腔中,并且靠閥的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)了表面的密封。唇形填充物安置在兩端,以實(shí)現(xiàn)無泄漏。彈簧用來補(bǔ)償摩擦力兩端的主閥芯完全地用來支撐套管。它是由耐磨材料組成,用這種方法磨損的問題就解決了。 閥體 閥腔 卷軸 先導(dǎo)閥 閥體 電磁閥圖1.液壓換向閥的結(jié)構(gòu)草圖 閥的結(jié)構(gòu)原理如下:在閥口有個(gè)阻尼孔,兩個(gè)象半橋一樣的減振器,并且主要由中央孔控制連接著右側(cè)閥門的敏感腔。當(dāng)電磁鐵失去電力時(shí),主閥閥芯在進(jìn)口壓力作用下移到右邊,水在敏感腔通過先導(dǎo)閥排出,主閥是開放著的。當(dāng)電磁鐵通電時(shí),水的控制是靠敏感腔,主閥閥芯被壓入閥腔,閥是關(guān)閉著的。 2.1設(shè)計(jì)壓緊力和主閥閥芯主閥閥芯和閥口的接觸面是平的,它們之間必須保持一定的壓緊力才能生效(圖2)。壓緊力根據(jù)控制流體壓力的變化而變化,壓力越高,壓緊力也越高。因此,主閥閥芯和閥口間的泄漏年齡幾乎為零。主閥閥芯的應(yīng)力狀態(tài)如下:圖2 .主閥閥芯的軸向力草圖假設(shè)主閥的進(jìn)口壓力為p,壓力損失忽略不計(jì),因此閥芯的壓緊力為 p1,我們得到: 很顯然p1是存在的,這保證了主閥閥芯壓向閥口,如果p1太小,主閥閥芯和閥口之間將會(huì)有泄漏,如果p1太高,使閥芯方向改變的力將會(huì)增加,閥芯和閥口間的擦傷將會(huì)發(fā)生。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn),閥芯和閥口接觸的壓力最好是進(jìn)口壓力的2倍,在進(jìn)口的設(shè)計(jì)中,它要求:22 阻尼孔和敏感腔的配合設(shè)計(jì) 對于換向閥的設(shè)計(jì),它不僅需要一個(gè)方向的快速變化,但同樣會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的沖擊。每一次控制是對先導(dǎo)閥的校正,兩個(gè)減振器就象兩個(gè)半橋連接起來,于是節(jié)流閥的后面產(chǎn)生了負(fù)壓,其作用是延遲和調(diào)速。任何時(shí)間供水,敏感腔會(huì)有壓力和壓縮流體的遺漏。將獲得如下方程:F是外力,f是摩擦力,k是彈簧剛度,x是緩沖距離,Ps是敏感腔的壓力,Ad是主閥閥芯的面積,m是主閥閥芯的質(zhì)量,a是加速度,p是進(jìn)出口壓差,A0是阻尼口的流動(dòng)面積,v是沖擊速度,qv是阻尼孔的流體,cq是流出通道的系數(shù)。從公式(3)-(7)看,表達(dá)的特點(diǎn)是對先導(dǎo)閥的推論,當(dāng)沖擊能量太大和節(jié)流面積太小時(shí),沖擊是相當(dāng)強(qiáng)烈的并且能夠制造更大的波-沖擊波,緩沖效果不是很好;當(dāng)沖擊能量和節(jié)流面積過大時(shí),振動(dòng)弱,緩沖力較小,剩余速度的存在因?yàn)榫彌_可能引起假想的平衡,這種各向異性和液體混亂的流動(dòng)可以被很好的預(yù)測。困油現(xiàn)象和更大的反沖擊在這篇論文中使用了各向異性k-模型來模仿沖擊后的效果。因此,在合理的設(shè)計(jì)中,這需要阻尼孔符合敏感腔,以及阻尼孔需要有好的性能和直線性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),直線度必須小于30。3流場模擬和分析 當(dāng)換向閥在設(shè)計(jì)時(shí),它的壓力損失應(yīng)當(dāng)盡可能的少,換向閥的壓力損失通常由實(shí)驗(yàn)決定的,流體力學(xué)的發(fā)展提供了科學(xué)的方法來計(jì)算復(fù)雜流道內(nèi)的壓力損失。它被證明是一種有效的方法,利用數(shù)值計(jì)算優(yōu)化運(yùn)動(dòng),流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的液壓元件可以做到的。3.1 結(jié)構(gòu)劃分圖3顯示了主要的液壓通道,主閥通道是一個(gè)三維對稱結(jié)構(gòu),三維模型用于流場劃分和流場計(jì)算的研究。圖3. 主閥流道的結(jié)構(gòu) 流場的剃度區(qū)域和計(jì)算域的差別很大,為了提高計(jì)算精度和減少計(jì)算的工作量,計(jì)算域分為多個(gè)小行業(yè)。初步計(jì)算結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。在主閥口高速域極其附近,速度梯度是非常大的,復(fù)雜的流態(tài)存在,更好的組織結(jié)構(gòu)在這一領(lǐng)域和松散組織結(jié)構(gòu)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。3.2 數(shù)學(xué)模型3.2.1各向異性的k - 湍流模型由于各向異性的K 模型采用雷諾應(yīng)力相關(guān)方程所設(shè)想的,各向異性和混亂流動(dòng)的渦流可以被很好地預(yù)測。本文利用各向異性k - 模型模擬流態(tài)流場的換向閥的主閥,其計(jì)算公式的渦流動(dòng)能K和渦流耗散能量如下: 渦流頻率的計(jì)算公式是:在那里,ui是在i方向波動(dòng)速度,uj是在J方向的波動(dòng)速度, P是流體密度,是絕對粘度。3.2.2 氣穴模型氣體平衡方程可以表示為:在那里,a是氣態(tài),aa是氣體體積百分比,Pa是氣體密度 ,i是液態(tài)流體,Pl=998.2 kgm 3(流體密度),和l-aa是流體體積百分比,密度是:Mal,由于氣穴的作用在氣態(tài)和液態(tài)之間相互的轉(zhuǎn)換,它表示為:Pv是氣體的壓力,n是單位氣泡的數(shù)量,R是氣泡半徑,它表示為:3.3仿真結(jié)果和分析3.3.1流量特性分析用流體軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算中有一些假設(shè)如下:雷諾茲強(qiáng)調(diào)流體是不可壓縮的 ,流動(dòng)保溫,也wal1處沒有遺漏 。假設(shè)閥口面積是4 mm.入口流量為120升/ min.出口的壓力是循環(huán)水路的壓力,其絕對壓力1MPa 。圖4顯示了靜壓等值線沿軸對稱平面的流動(dòng)通道的主閥。可以看出,噴嘴在主閥閥芯與主閥口之間。輪廓的壓力密集和壓降大,其中降低到0.7MPa 。圖4 .壓力等值線的主閥流道(MPa) 圖5顯示了速度矢量分布軸對稱平面的主閥流道??梢钥闯?,流體進(jìn)入腔內(nèi)后,螺旋渦流在主閥閥芯后附近形成,其中心氣壓低,螺旋渦流靠粘性摩擦使流體的動(dòng)能消失。圖5 . 主閥的速度矢量分布3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流場分析根據(jù)上述分析,在噴嘴形成的主閥芯與主閥口里,因?yàn)橛邢薜慕Y(jié)構(gòu)液體將會(huì)突然彌漫或收縮。這可能會(huì)導(dǎo)致流線急劇的變化,螺旋渦流出現(xiàn)后將流體的動(dòng)能抵消。所有這些都將造成巨大的壓力損失。為了提高性能,水壓定向噴嘴閥結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。圖6顯示了流道優(yōu)化前后的比較。為了使流線平滑,優(yōu)化閥芯就是生產(chǎn)圓弧的過渡表面,這空隙出現(xiàn)死角。圖6 .比較流道優(yōu)化前后仿真計(jì)算的通流部分優(yōu)化主要閥門進(jìn)行了在相同條件下。和壓力分布的軸對稱平面如圖7所示??梢钥闯?,在噴嘴在流體流入分庭,密度的壓力等值線的降低,壓力梯度降低,和壓力損失降低到0.3MPa后,結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖7. 優(yōu)化后的等壓值仿真計(jì)算的通流部分優(yōu)化在主要閥門相同條件下進(jìn)行。和壓力分布的軸對稱平面顯示圖??梢钥闯?,在噴嘴在流體流入分庭,密度等值線的壓力減小,壓力梯度降低,壓力損失降低到0.3MPa后,結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖8 . 優(yōu)化后速度矢量分布的流道沒有螺旋渦流的角落點(diǎn)的主閥噴嘴附近,因此有效地抑制結(jié)構(gòu)優(yōu)化的出現(xiàn)低氣壓區(qū)流場。4實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析4.1實(shí)驗(yàn)裝置和方法水壓換向閥設(shè)計(jì)是由不銹鋼材料 。其額定壓力為14兆帕,最大流量120升/分。為了證明糾正設(shè)計(jì)原理和仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性閥門已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)方法是指有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8106-87類似實(shí)驗(yàn)油液壓換向閥實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的測試,流體傳動(dòng)及控制:浙江大學(xué),中國。如圖9顯示。圖9.試驗(yàn)臺的水液壓元件圖10顯示了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意圖。作為介質(zhì)的水具有強(qiáng)烈的腐蝕性,所有這個(gè)系統(tǒng)的組成部分是不銹鋼材料。圖10.水壓換向閥的測試原理1.變頻器 2 .變頻電機(jī)3 .液壓泵4.過濾器 5.溢流閥6.溫度計(jì)7 。壓力傳感器8.閥門測試9.單向節(jié)流閥10.流量計(jì) 實(shí)驗(yàn)期間,溢流閥4調(diào)節(jié)入口壓力閥進(jìn)行檢查,轉(zhuǎn)速可變頻率電機(jī)2節(jié)電力馬達(dá)的頻率-變壓器3 ,調(diào)整液壓泵1的流量 ,支持出口壓力閥門調(diào)整單向節(jié)流閥8和測量流量計(jì) 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.2.1換向閥的流量壓差試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中壓力損失。溢流閥4充當(dāng)安全閥的安全壓力為18MPa 。閥門測試,然后是在它的閥芯上的方位,通過流動(dòng)。為了使液體流經(jīng)閥9增加逐步從零到額定流量,調(diào)整液壓泵,并選擇幾個(gè)點(diǎn)來衡量每一個(gè)點(diǎn)的排氣壓力,在此基礎(chǔ)上閥的流量壓差性能曲線是可以實(shí)現(xiàn)的。支持出口壓力閥測試9可以調(diào)整的單向節(jié)流閥8顯示了關(guān)于流量計(jì)10 ,壓力進(jìn),出口上顯示壓力傳感器7 。比較流動(dòng)的特性。壓力之間的差異造成的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所圖。圖11 .qv - p的特性曲線從圖可以看出,對于qv “ 15升/分,壓差進(jìn)出口之間的結(jié)果,通流部分先導(dǎo)閥,增加主要是由于流量增加;為qv = 15升/ min時(shí),壓差進(jìn)出口之間主閥通行和緩慢上升,幾乎像一個(gè)線性的流動(dòng)增加。此外,測試結(jié)果大于模擬結(jié)果。這是因?yàn)閴毫p失測試的總和,壓力損失的主閥和測試閥。而優(yōu)化的結(jié)果仿真計(jì)算只包括壓力損失主閥。從比較優(yōu)化前后的主閥結(jié)構(gòu),可以注意到,優(yōu)化壓力損失的減少主要是主閥。應(yīng)當(dāng)注意,對于qv 30升/分的仿真結(jié)果表明,壓力損失之間的進(jìn)出口減少的流動(dòng)增加,但這種情況不會(huì)出現(xiàn),這表明有很多差異的仿真流量較小。4.2.2換向閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)調(diào)整溢流閥4和單向節(jié)流閥,使進(jìn)氣壓力測試閥9的額定壓力為14MPa ,出口的壓力P 是給予支持的壓力,大量流體流經(jīng)測試閥門,80是最大流量。然后充電和放電的測試閥額定電壓下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的測試水壓換向閥。如圖所示:圖12 .換向閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線從圖,壓力下降時(shí)間表 t1小于0.05秒的時(shí)間壓力增加時(shí)刻小于0.05 s.并且充電時(shí)間和放電時(shí)間幾乎是相同。方向變化快,壓力峰值生產(chǎn)而扭轉(zhuǎn)是減少6 ,扭轉(zhuǎn)沖擊較小,這表明具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。4.2.3 換向閥的壽命周期實(shí)驗(yàn)設(shè)置的壓力,進(jìn)口壓力閥的變量值和出口的壓力P 。將仍然是指定的壓力和支持的液量流經(jīng)測試閥100升/分,不斷充電和放電在電磁閥的測試多達(dá)l0000倍,然后檢查的主要組成部分是測試閥,不應(yīng)有任何損害和過度磨損。圖13(a),13(b)顯示響應(yīng)曲線連續(xù)定向改變壓力為12MPa和14MPa 。這里澄清,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的閥門幾乎是一致的,方向的變化是可靠和及時(shí)的。5 結(jié)論(1)這一新的換向閥的壓力損失小,在額定條件下,它的速度方向變化很快,而其液壓沖擊也弱。因此,良好的動(dòng)態(tài)特性得到了。生活中的實(shí)驗(yàn)換向閥經(jīng)營正常,其方向是可靠的性能改變這種油液壓閥。圖13 . 換向閥的壽命試驗(yàn)曲線水壓(2)至于泄漏,傳統(tǒng)的清理是改變定向密封。而矛盾的需求,快速的方向變化和液壓沖擊,壓力和匹配的減震器和敏感腔的設(shè)計(jì),為其成功的設(shè)計(jì)機(jī)器提供擔(dān)保。(3)仿真結(jié)果表明,在主閥閥芯和閥口有壓力損失。通過閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化,一種有效的方法,以減少被發(fā)現(xiàn)的動(dòng)蕩和壓力損失,并提高其性能。參考資料1 楊華勇,周華.換向閥的研究和發(fā)展?fàn)顩rJ .中國機(jī)械工程. 2000年11月2 日 :1430 - 1433.2宋紅耀,丁紅耀.液壓閥的設(shè)計(jì)和計(jì)算 M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982 .3 BACKE W. Water-or-Oil hydraulics in the futureC Proceedings of 6th Scandinavian International conference on Fluid Power,芬蘭的坦佩雷:坦佩雷理工大學(xué), 1999年:51-64.4 楊曙東,李壯云.液壓發(fā)展的關(guān)鍵和基礎(chǔ)技術(shù)J.機(jī)床與液壓,2000年5月 : 69.5高殿榮,王軼群.液壓錐閥的簡單調(diào)查J .機(jī)床及液壓.2000(2) :12 14. 6 繼紅,阜新,楊華勇.液壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)對氣穴噪聲的影響J 。機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2002.3.8(8):1922.7 高宏,阜新,楊華勇等. 液壓系統(tǒng)錐閥的數(shù)字化調(diào)查 J . 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002,3(4) : 395 400.簡歷:弓永軍,生于1974,目前正在大連海事大學(xué)任副教授,獲得了浙江大學(xué)的博士學(xué)位,中國,研究興趣包括:機(jī)電控制,液壓和流體傳動(dòng)。 電話:86-411-84728606 ;電子郵件: gyjdlmu.edu.cn楊華勇教授在浙江大學(xué)任教,研究興趣包括:流體傳動(dòng)與控制,機(jī)電控制和液壓系統(tǒng)等等。王祖溫教授目前在大連海事大學(xué), 研究興趣包括:氣動(dòng)元件,氣動(dòng)傳動(dòng)與控制,氣體潤滑,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。Tel:+8641184723311;Email:wangzwdlmu.edu.cn
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