增材制造成形液压流道沿程损失研究
发布时间：2021-07-07 06:58
选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）作为一种金属增材制造技术,克服了传统加工方式下的成形限制,为液压元件与系统的设计提供了更大的自由度。流道是液压元件与系统的重要组成部分,而目前成形的无支撑圆形流道往往具有较低的轮廓精度和较高的表面粗糙度,这对液压系统的能量损失影响很大。利用SLM技术成形了具有不同直径的水平流道,测量了轮廓精度和表面粗糙度,设计了沿程压力损失测量装置,实验后分析了沿程阻力系数、雷诺数和直径之间的关系。结果表明,随着直径的增大,成形轮廓相对误差减小;成形流道下表皮粗糙度较其他面更高;相同工况下,沿程压力损失比传统加工流道更大。
【文章来源】：液压与气动. 2020,(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
流道沿程压力损失测量装置
与传统加工方式相比,SLM技术的一个优点是大大提高了流道设计的自由度, 图1展示了研究团队进行的部分工作,其中图1a为传统加工方式下的阀块原型,图1b则是在不改变原型的工作原理、工况要求的前提下重新设计并利用SLM技术成形的阀块,与原型a相比,SLM成形阀块b空间体积减小了50%左右,重量减轻了80%以上,同时,在同一工况下压力损失降低了30%左右,实现了阀块原型的小型化、轻量化,并改善了流动性能。然而,阀块中的流道一般是三维结构且方向多变,因此不可避免地会产生悬垂结构(成形时下方无实体支撑),SLM技术在成形悬垂结构时为提高成形质量、避免成形失败,往往会添加支撑[3-4]。水平流道作为典型悬垂结构成形时就需要添加支撑,但由于流道的特殊性,若为它添加支撑则无法通过后处理将其去除[5],因此它的成形又必须在无支撑条件下进行,异形截面流道(泪滴形、菱形等)可以减少支撑的使用[6],但是比较而言圆形截面流道的通流能力更为优良,应力集中也更小,因此最好使用无支撑圆形流道。图2a是利用SLM技术水平成形的无支撑圆形流道,为方便观察与测量,将其圈出部分切下得到图2b所示的局部细节图,发现这样成形的圆形流道往往存在较大的轮廓形状误差,并且在下表皮(流道水平摆放时内壁面顶部,悬垂结构)存在较大的粗糙度,这在一些文献中也有所阐述[5,7]。因此对于阀块等采用SLM技术成形的液压系统来说,此处的沿程压力损失对整个系统能量耗散乃至功重比的控制影响很大,然而在此情况下经典的Moody图几乎无法正确预测沿程阻力系数,因此关于SLM条件下成形水平流道的沿程压力损失的相关机理的探究就显得非常迫切。
然而,阀块中的流道一般是三维结构且方向多变,因此不可避免地会产生悬垂结构(成形时下方无实体支撑),SLM技术在成形悬垂结构时为提高成形质量、避免成形失败,往往会添加支撑[3-4]。水平流道作为典型悬垂结构成形时就需要添加支撑,但由于流道的特殊性,若为它添加支撑则无法通过后处理将其去除[5],因此它的成形又必须在无支撑条件下进行,异形截面流道(泪滴形、菱形等)可以减少支撑的使用[6],但是比较而言圆形截面流道的通流能力更为优良,应力集中也更小,因此最好使用无支撑圆形流道。图2a是利用SLM技术水平成形的无支撑圆形流道,为方便观察与测量,将其圈出部分切下得到图2b所示的局部细节图,发现这样成形的圆形流道往往存在较大的轮廓形状误差,并且在下表皮(流道水平摆放时内壁面顶部,悬垂结构)存在较大的粗糙度,这在一些文献中也有所阐述[5,7]。因此对于阀块等采用SLM技术成形的液压系统来说,此处的沿程压力损失对整个系统能量耗散乃至功重比的控制影响很大,然而在此情况下经典的Moody图几乎无法正确预测沿程阻力系数,因此关于SLM条件下成形水平流道的沿程压力损失的相关机理的探究就显得非常迫切。SNYDER等[7-8]研究了成形方向对尺寸公差和表面粗糙度的影响,并且用气体作为流体介质进行了实验,他们发现成形方向对几何误差和表面粗糙度的影响很大,并且导致了层流提前转变为湍流。STIMPSON等[9-10]研究了SLM成形的矩形通道,他们分析了材料、上表皮和下表皮对尺寸公差和表面粗糙度的影响。同时测定了沿程阻力系数,结果表明:在低雷诺数下,通道内的沿程阻力系数高于层流理论的沿程阻力系数,但趋势趋于一致,而在湍流区,通道内的沿程阻力系数差别很大,同时他们还给出了沿程阻力系数与Ra/Dh之间的修正关系,然而,所有的研究工作都是基于微型流道(直径小于2 mm)。大多数液压行业中使用的流道直径比这要大得多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于增材制造的液压复杂流道轻量化设计与成形[J]. 张磊,祝毅,杨华勇. 液压与气动. 2018(11)
本文编号：3269169
【文章来源】：液压与气动. 2020,(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
流道沿程压力损失测量装置
与传统加工方式相比,SLM技术的一个优点是大大提高了流道设计的自由度, 图1展示了研究团队进行的部分工作,其中图1a为传统加工方式下的阀块原型,图1b则是在不改变原型的工作原理、工况要求的前提下重新设计并利用SLM技术成形的阀块,与原型a相比,SLM成形阀块b空间体积减小了50%左右,重量减轻了80%以上,同时,在同一工况下压力损失降低了30%左右,实现了阀块原型的小型化、轻量化,并改善了流动性能。然而,阀块中的流道一般是三维结构且方向多变,因此不可避免地会产生悬垂结构(成形时下方无实体支撑),SLM技术在成形悬垂结构时为提高成形质量、避免成形失败,往往会添加支撑[3-4]。水平流道作为典型悬垂结构成形时就需要添加支撑,但由于流道的特殊性,若为它添加支撑则无法通过后处理将其去除[5],因此它的成形又必须在无支撑条件下进行,异形截面流道(泪滴形、菱形等)可以减少支撑的使用[6],但是比较而言圆形截面流道的通流能力更为优良,应力集中也更小,因此最好使用无支撑圆形流道。图2a是利用SLM技术水平成形的无支撑圆形流道,为方便观察与测量,将其圈出部分切下得到图2b所示的局部细节图,发现这样成形的圆形流道往往存在较大的轮廓形状误差,并且在下表皮(流道水平摆放时内壁面顶部,悬垂结构)存在较大的粗糙度,这在一些文献中也有所阐述[5,7]。因此对于阀块等采用SLM技术成形的液压系统来说,此处的沿程压力损失对整个系统能量耗散乃至功重比的控制影响很大,然而在此情况下经典的Moody图几乎无法正确预测沿程阻力系数,因此关于SLM条件下成形水平流道的沿程压力损失的相关机理的探究就显得非常迫切。
然而,阀块中的流道一般是三维结构且方向多变,因此不可避免地会产生悬垂结构(成形时下方无实体支撑),SLM技术在成形悬垂结构时为提高成形质量、避免成形失败,往往会添加支撑[3-4]。水平流道作为典型悬垂结构成形时就需要添加支撑,但由于流道的特殊性,若为它添加支撑则无法通过后处理将其去除[5],因此它的成形又必须在无支撑条件下进行,异形截面流道(泪滴形、菱形等)可以减少支撑的使用[6],但是比较而言圆形截面流道的通流能力更为优良,应力集中也更小,因此最好使用无支撑圆形流道。图2a是利用SLM技术水平成形的无支撑圆形流道,为方便观察与测量,将其圈出部分切下得到图2b所示的局部细节图,发现这样成形的圆形流道往往存在较大的轮廓形状误差,并且在下表皮(流道水平摆放时内壁面顶部,悬垂结构)存在较大的粗糙度,这在一些文献中也有所阐述[5,7]。因此对于阀块等采用SLM技术成形的液压系统来说,此处的沿程压力损失对整个系统能量耗散乃至功重比的控制影响很大,然而在此情况下经典的Moody图几乎无法正确预测沿程阻力系数,因此关于SLM条件下成形水平流道的沿程压力损失的相关机理的探究就显得非常迫切。SNYDER等[7-8]研究了成形方向对尺寸公差和表面粗糙度的影响,并且用气体作为流体介质进行了实验,他们发现成形方向对几何误差和表面粗糙度的影响很大,并且导致了层流提前转变为湍流。STIMPSON等[9-10]研究了SLM成形的矩形通道,他们分析了材料、上表皮和下表皮对尺寸公差和表面粗糙度的影响。同时测定了沿程阻力系数,结果表明:在低雷诺数下,通道内的沿程阻力系数高于层流理论的沿程阻力系数,但趋势趋于一致,而在湍流区,通道内的沿程阻力系数差别很大,同时他们还给出了沿程阻力系数与Ra/Dh之间的修正关系,然而,所有的研究工作都是基于微型流道(直径小于2 mm)。大多数液压行业中使用的流道直径比这要大得多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于增材制造的液压复杂流道轻量化设计与成形[J]. 张磊,祝毅,杨华勇. 液压与气动. 2018(11)
本文编号：3269169
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