高压大冲击流量条件下乳化液锥阀失效机理及关键技术研究

发布时间：2017-11-02 16:06

  本文关键词：高压大冲击流量条件下乳化液锥阀失效机理及关键技术研究

  更多相关文章： 高压大冲击流量 锥阀 失效机理 冲击特性 空化气蚀

【摘要】：液压支架的关键控制元件——大流量液控单向阀在工作时压力高、流量大、速度快。故在高压大冲击条件下,流动特性、力学特性、冲击特性、通流能力及破坏机理是大流量液控单向阀的核心问题。围绕上述问题,本文以揭示高压大冲击流量条件下锥阀的失效机理、提高可靠性与寿命为目标,设计了大流量液控单向阀,运用CFD方法对锥阀的流场进行了分析和结构的优化;运用单向FSI方法,CFD分析和FEA结构分析相结合,对阀芯的力学性能进行了研究;同时理论分析与实验研究相结合,对冲击特性、液阻特性及功率谱进行了研究;最后通过综合试验对所设计结构的性能进行了验证。相关研究工作主要包括以下几个方面:阐述高压冲击流场的理论,分析大流量液控单向阀的负载特性与性能需求,据此设计大流量液控单向阀;然后从一级阀芯半锥角角度、阀座结构及密封形式、过流面积三个方面对液控单向阀进行结构优化。建立了大流量液控单向阀流道的几何模型,并通过Fluent软件对原始一级阀芯开启过程中的流场进行了计算仿真。得出如下结论:随着大流量液控单向阀一级阀芯开口度的增大,阀的流量增加,而流动趋于平稳,局部能量损失降低;流体在流经阀芯区域时压力明显降低,且通过阀芯节流口时,由于过流面积突然变小,流速增大,产生了空化,气泡在运动至一级阀芯头部时,此时流体压力回升,所以主要会在此位置产生气蚀造成破坏。对各优化结构进行气液两相流分析,采用空化模型得到压力云图和气相、液相体积分数云图,然后分别对一级、二级阀芯进行单向流固耦合分析。得出如下结论:半锥角方面45度与60度一级阀芯较好,阀座方面宜采用阀座I或阀座II并改为锥面密封,过流面积方面选择较大过流面积;在阀芯开启的整个过程中,一级阀芯的最大等效应力出现在首端,二级阀芯的最大等效应力出现在尾端,一级、二级阀芯的最大等效应力值随着开口度的增大而明显降低,一级、二级阀芯的最大等效应力都在45钢的许用强度内;同一开口度下,一级阀芯半锥角越大,其最大等效应力越小,阀芯受到破坏的可能性越小,寿命会越长。从降低流场空化产生可能性和减小应力的角度分析,一级阀芯尽量选用较大的半锥角;阀芯最危险的工况出现在阀芯刚开启的时刻。采用AMESim软件建立了液控单向阀的仿真模型,分析了液控单向阀在冲击载荷下的动态特性,分析了卸载压力冲击产生的原因。得出如下结论:液控单向阀在冲击卸载阶段,阀口压力、流量和阀芯位移同时出现剧烈的振荡;产生冲击的主要原因是液控单向阀在反向开启时主阀芯和控制活塞的受力平衡遭到破坏,并产生了使二级阀芯关闭的运动,从而导致了压力冲击的出现;在其他因素不变的情况下,增大一级阀芯的半锥角可以显著地提高大流量液控单向阀的动态特性,可以使液控单向阀阀芯更快的打开,提高响应速度;减小卸载时的压力冲击,增加开启的过程中的稳定性。根据大流量液控单向阀的工作特点,设计搭建了以蓄能器为动力源、通过增压缸增压的快速加载实验系统,并对大流量液控单向阀进行了冲击卸载实验、液阻实验以及功率谱分析。得出如下结论:针对所设计的不同结构进行冲击特性实验可知,半锥角45度的一级阀芯动态性能最佳,在前端设置了缓冲槽的阀座I效果最好,过流面积为31.2mm2时,压力振动小,卸载时间较快,流量上升梯度适中,是较为理想的;通过压差-流量特性实验可知,在流量上升阶段相同的压差下,半锥角45度一级阀芯、阀座III和过流面积为36mm2时流量最大,其通流能力最强;通过功率谱密度结合形貌分析,引入空化指数的概念,通过压差比分析得出结论可知,气蚀的产生更多的取决于压力而非流量;气泡的溃灭形成了具有高频振荡特性的应力脉冲,使得密封副表面产生高频交变载荷和脉冲式的局部塑性变形,在这种应力脉冲的反复作用下,就使得密封副的表面出现气蚀坑,产生气蚀破坏。针对控制压力对大流量液控单向阀性能的影响以及密封寿命等问题,在原有基础上通过冲击实验与功率谱分析进行了深入研究,同时,在锥阀各个部件优化的基础上进行了综合匹配实验,从动态特性、阻力特性、寿命等各方面设计出最优的结构。得出如下结论:控制压力越大,越能避免液控单向阀主阀芯完全关闭,可以提高响应速度,有效减小卸载时的压力冲击,增加开启过程中的稳定性,显著地提高大流量液控单向阀的动态特性;而且随着控制压力的增大,空化指数呈现缓慢下降趋势,说明在结构一定的条件下,控制压力的变化对空化气蚀的影响较小,所以当液控单向阀反向开启时控制压力应选在冲击压力的50%以上;材料特性方面硬度过大反而不利于抗气蚀性能的提高;通过将锥阀的各元件进行优化匹配,设计了具有良好综合性能的高压大流量液控单向阀,同时降低了空化指数,减少了密封失效,增强了其工作可靠性和寿命。
【关键词】：高压大冲击流量 锥阀 失效机理 冲击特性 空化气蚀
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD355.4
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-11
• Extended Abstract11-26
• 变量注释表26-28
• 1 绪论28-43
• 1.1 课题来源28
• 1.2 课题背景及研究意义28-30
• 1.3 锥阀在液压支架中的应用30-32
• 1.4 研究现状32-37
• 1.5 存在问题37-41
• 1.6 研究目标及内容41-43
• 2 液控单向阀负载特性与结构设计43-55
• 2.1 高压冲击流场理论43-46
• 2.2 负载特性与性能需求46-47
• 2.3 大流量液控单向阀设计47-52
• 2.4 结构优化52-54
• 2.5 本章小结54-55
• 3 基于单向FSI的锥阀力学特性分析55-75
• 3.1 流固耦合55-56
• 3.2 建模与分析56-61
• 3.3 气液两相流混合模型流场仿真61-68
• 3.4 单向流固耦合分析68-74
• 3.5 本章小结74-75
• 4 液控单向阀动态特性分析75-96
• 4.1 大流量液控单向阀的数学模型75-76
• 4.2 基于AMESim的动态特性仿真及分析76-93
• 4.3 一级阀芯半锥角的影响93-94
• 4.4 本章小结94-96
• 5 实验研究及机理分析96-127
• 5.1 大流量液控单向阀实验方法96-97
• 5.2 大流量液控单向阀实验系统设计97-103
• 5.3 实验平台和实验流程103-106
• 5.4 冲击特性实验106-113
• 5.5 液阻特性研究113-116
• 5.6 功率谱密度及密封副形貌分析116-120
• 5.7 气蚀破坏机理120-125
• 5.8 本章小结125-127
• 6 大流量液控单向阀综合实验127-134
• 6.1 控制压力的影响关系127-131
• 6.2 两种硬度的密封性能对比131-132
• 6.3 结构优化综合试验132-133
• 6.4 本章小结133-134
• 7 结论和展望134-137
• 7.1 结论134-136
• 7.2 创新点136
• 7.3 展望136-137
• 参考文献137-146
• 作者简历146-148
• 学位论文数据集148

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王丹;;锥阀内部流场的数值模拟[J];油气田地面工程;2012年10期

2 黄菲玲;锥阀受力的理论分析[J];华南工学院学报(自然科学版);1987年01期

3 邓春晓,潘地林;液压锥阀的有限元分析及优化设计[J];煤矿机械;2004年06期

4 郑维岭;刘仁林;刘成刚;;锥阀集成系统在液压机上的应用[J];锻压机械;1979年02期

5 吴怀成;倪豹祥;;锥阀渗钒[J];机械工人;1979年09期

6 章一明;;锥阀的动态方程及稳定性分析[J];华东冶金学院学报;1987年03期

7 曾振鹏;锥阀和锥阀座失效分析[J];理化检验(物理分册);1997年03期

8 刘清友;单代伟;陈丽霞;张祥来;;高压井控锥阀流场数值模拟研究[J];石油矿场机械;2007年05期

9 陈锡富;;锥阀式方向阀的动态特性[J];锻压机械;1978年02期

10 李彦国,赵会新,苗东;油隔离泥浆泵阀箱锥阀压胶盘的改造[J];矿山机械;2000年11期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 朱万胜;尹玉芳;张作龙;张彦廷;;基于CFD方法的钻井液锥阀流场模拟及结构分析[A];第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集[C];2008年

2 杨国来;司国雷;张守印;张慧敏;;纯水液压锥阀结构的优化设计与流场的数值分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（上）[C];2005年

3 康健悦;;300MW循环流化锅炉汽温的调整[A];中国循环流化床发电生产运营管理(2013)[C];2013年

4 王东;周棣;首天成;;水压节流阀的新型设计与计算[A];全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2009年

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 易达云;锥阀振荡流场流动噪声增强机制研究[D];浙江大学;2015年

2 刘磊;高压大冲击流量条件下乳化液锥阀失效机理及关键技术研究[D];中国矿业大学;2016年

3 郑淑娟;插装型锥阀配合副流固热耦合分析及流场可视化[D];太原理工大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 郭晓霞;基于动网格的锥阀流场可视化及空化现象研究[D];太原理工大学;2016年

2 唐银;液压锥阀阻尼减振特性研究[D];西南交通大学;2016年

3 郑宁舟;锥阀流动仿真分析及其结构改进[D];长安大学;2011年

4 蒲秀菊;锥阀流场的数值模拟及结构优化[D];东北石油大学;2011年

5 李惟祥;液压锥阀的振动特性研究[D];西南交通大学;2012年

6 牛玉国;锥阀轴向振动的仿真与实验研究[D];浙江大学;2014年

7 莫光轶;锥阀振动耦合的仿真与实验研究[D];浙江大学;2014年

8 吕少恒;基于热效应的锥阀振动特性研究[D];西南交通大学;2014年

9 李辉;液压锥阀结构参数与工作性能的数值分析[D];西南交通大学;2009年

10 雷红霞;插装型液压控制锥阀流场的三维可视化数值模拟与仿真研究[D];太原理工大学;2004年

，

本文编号：1132248