阀芯结构对纯水溢流阀抗汽蚀特性的影响研究

　　引言

　　直接以过滤后的自然水作为压力工作介质、不含任何添加剂的纯水液压传动技术正受到世界各国液压界的广泛重视。纯水溢流阀是纯水液压系统最为关键的阀类元件之一,其性能优劣对于纯水液压系统的应用影响很大。水的汽化压力高、弹性模量大,使得相同条件下的纯水液压元件遭受的汽蚀破坏程度要比油压元件严重上百倍[1],尤其对于经常处于大压差、变流量工况下的纯水溢流阀,节流口处的汽蚀现象则更为突出。抑制汽蚀成为提高纯水溢流阀性能、延长其使用寿命的关键。

　　国内外的研究者针对以矿物油为介质的液压元件内的汽穴现象进行了大量研究,逐渐从外部特性深入到了流场诱发汽穴的微观机理[2～4]。这些关于油压元件的汽蚀研究结果和方法,为纯水液压元件的汽蚀研究提供了宝贵的经验。但是,油压元件中的汽蚀破坏主要是由于油液中溶解的气体分离出来造成的气体汽蚀;而对于纯水液压元件而言,水极易汽化和沸腾,其汽蚀破坏主要是汽化汽蚀。由于汽蚀机理发生了根本变化,必须针对纯水液压元件的汽蚀问题进行专门研究。国内外在这方面的研究结果较少,目前抑制汽蚀的措施主要是采用多级阀口串连分压,文献[5～7]对串连阀口进行了定性研究,结果表明利用多级分压抑制汽蚀效果较好。

　　本文从流场控制的角度,提出抑制汽蚀的主动措施。通过流场仿真与试验,证明在纯水溢流阀主阀中采用多级节流与高压引流相结合的方式,可以避免出现临界压差、干扰汽蚀主流束,从而有效抑制汽蚀现象的发生。

　　1　先导式纯水溢流阀

　　研制的先导式纯水溢流阀结构示意图如图1所示。为了解决水介质带来的严重汽蚀问题,设计出4种不同结构的主阀芯,并结合流场仿真与试验进行对比研究及结构参数优化,最后研制出了图示中的主阀芯结构。

　　2　主阀流道流场仿真与分析

　　2.1　几何模型

　　设计出4种不同主阀流道结构,如图2所示。图2a为单级节流结构A,图2b为带高压引流的单级节流结构B,图2c为多级节流结构C,图2d为带高压引流的多级节流结构D。

　　上述4种主阀内流道均为轴对称结构,可简化为二维轴对称模型。其对应的流道计算区域如图3所示。图3a中oo′为对称轴线,of为入口,cd为出口,o′ab为阀芯边界,def为阀体边界,bc为假想边界(考虑流场的完全发展)。图3b中oo′为对称轴线,of为入口,cd为出口,o′aa1a3a4b为阀芯边界,def为阀体边界。图3c中oo′为对称轴线,oj为入口,ef为出口,o′abcd为阀芯边界,fghij为阀体边界,de为假想边界(考虑流场的完全发展)。图3d中oo′为对称轴线,oj为入口,ef为出口,o′aba1b1cd为阀芯边界,fghij为阀体边界。为提高计算精度,同时尽可能地减少计算工作量,把计算区域划分为多个小区域。在阀口附近的高速流动区,采用较细的结构化网格,其他区域采用较粗的网格。