液压锥阀的热力学建模仿真与试验研究

　　油液温度变化是影响液压系统正常工作的重要因素，过高或过低的油液温度都将影响系统的正常工作，甚至造成系统故障和失效，同时油液温度变化也影响到元件和系统的工作特性。锥阀是液压系统中常用的一种阀门形式，常作为节流阀、截止阀、各种组合式阀门的先导阀使用，工作过程中会产生较大的节流损失，是液压系统中的主要发热元件之一，对锥阀的热力学特性进行研究，对液压系统的热力学建模和仿真、液压系统的热设计工作等都有一定的参考价值。

　　对锥阀的研究多采用 CFD 方法或有限元方法进行，重点是获取锥阀工作过程中的压力场、速度场及流线图谱等结果，从而指导锥阀的设计和使用［1 ～4］。晓红等［5］采用 CFD 方法，对不同工作压力、不同径向间隙、以及不同开口量的滑阀径向间隙温度场进行数值模拟，得到了各种情况下径向间隙内的温度场分布。Li cheng-gong 等［6］建立了航空柱塞泵的集中参数热力学模型，并对包这一模型的典型液压回路进行了试验和仿真研究。从以上的研究来看，对锥阀的热特性问题关注较少，而且采用 CFD 方法不适合液压系统热设计问题，这样就需要一种简单、准确，可反映锥阀整体热特性的热力学模型。

　　笔者针对锥阀的结构特点，考虑油液物理特性变化对锥阀节流特性的影响，建立锥阀的热力学模型，对包含锥阀的简单液压回路进行数值模拟，并进行试验验证研究。

　　1 锥阀的热力学模型

　　1. 1 锥阀的压力流量特性

　　锥阀的压力流量特性主要由其结构形式、几何尺寸和油液特性决定，这里以有倒角锥阀为例进行分析，有倒角锥阀结构简图如图 1 所示。

　　流经锥阀的油液流量可采用节流公式表示为

式中: C_d为锥阀流量系数; A 为阀开启部分的最小断面积; Δp 为锥阀出口和进口的压力差; ρ 为油液密度。

　　锥阀的流量系数可表示为

式中:为阀座进口直径，d₂为阀座倒角出口直径; h = xsinθ，x 为阀开度，θ 为阀半锥角; 为 d_m处的平均流速。

　　阀开启部分的最小断面积可表示为

　　A = πxsinθ( d₁－ xsinθcosθ) 　　( 3)

　　1. 2 油液特性模型

　　由式( 1) 和式( 2) 可知，锥阀的压力流量特性涉及到油液密度和粘度的计算，而油液密度和粘度又随油液压力和温度而变化，另外油液物理特性的变化还会影响到锥阀的热特性。所以，笔者考虑油液的密度、粘度、比热和体积膨胀系数随压力和温度的变化。