节流孔孔径与长度的最优设计

□ 张为荣

中核苏阀科技实业股份有限公司研发中心 江苏苏州 215129

1 节流孔概述

节流孔是液压元件中一种十分常见的基本组件，在很多液压元件和液压系统的设计中，都有节流孔或类似的组件存在，如电磁阀、节流阀等。节流孔的主要作用是改变管道前后的压差，产生节流、调压和缓冲等作用，从而控制元件中流体的流量、压力等特征量，以满足实际工程的要求［1］。

由于流场的复杂性导致计算困难，在工程设计中很多设计师往往凭借经验来选定节流孔的孔径大小和节流长度，从而给后续的设备调试带来诸多不确定因素，轻则影响设备的运行控制精度，重则影响设备的运行安全。

笔者通过理论和仿真手段，对节流孔孔径与长度进行最优设计，为相关设计提供技术借鉴和参考。

2 理论分析

在液压元件和液压系统开发中，都涉及对于压力的控制，控制压力最直接和最有效的方法就是设计合理的节流孔。目前，节流孔大致分为薄壁孔、短孔和细长孔三种类型。

由液压流体力学可知，流体经过细长孔、薄壁孔、短孔时会遇到阻力，通流面积和通流长度不同，对流体产生的阻力也不同［2-5］。

三种不同类型的节流孔型式如图1所示，其中l为壁厚，d为孔径。

▲图1 节流孔型式

如果节流孔两端的压差一定，那么通过改变节流孔的通流面积或长度，就可以调节流经节流孔的流量。这一原理揭示了如何通过改变节流孔的型式来改变流量和瞬态压力，从而达到控制液压的目的。

对于上述三种节流孔型式，其节流孔流量特性见表1。表1中，Q为流量，A为薄壁小孔流通面积，ΔP为小孔前后压差，ρ为油液密度，Cq为流量因子，μ为油液黏度，KL为与节流口几何形状及液体性质有关的节流系数，m为节流孔形状因数。

对于薄壁孔，在紊流工况下，油液黏度和温度的变化不会影响流量因子。对于细长孔，油液黏度和温度的变化会影响流量因子。对于短孔，流量因子的影响介于上述两者之间。

对于上述几种孔型，在实际应用中，应用最多、最广泛的是细长孔。以下针对应用最广泛的细长孔进行仿真分析。

表1 节流孔流量特性

3 快关功能简述

笔者单位研制的主蒸汽隔离阀气液联动驱动装置与核电站的安全性、可靠性和经济性密切相关，是核电站的核心部件之一，也是实现自主知识产权的关键部件。百万千瓦级压水堆核电站的主蒸汽隔离阀为大口径闸阀结构，其驱动装置需满足主蒸汽隔离阀长行程，以及不同工况快关、慢开、慢关等可靠动作要求，因此气液驱动型式成为主蒸汽隔离阀驱动装置的主流型式。

气液联动驱动装置主要通过高压液压油驱动油缸，来保证阀门开启动作的稳定性。同时，系统内配置气体蓄能罐，预充高压氮气充当永不失效的气弹簧，为主蒸汽隔离阀的5 s快关提供所需能量。

主蒸汽隔离阀主要技术参数见表2。

表2 主蒸汽隔离阀技术参数

主蒸汽膈离阀工作行程为818 mm，要保持2 780 kN的动态关闭力，在5 s时间内液压油的流速非常大，初步计算约为27.1 L/s。显然，在如此的高流速下，如果节流孔计算不准确，势必影响整个系统的动态关闭功能。

4 仿真模型

4.1 仿真平台

仿真软件采用德国ITI公司的SimulationX。SimulationX是该公司于2002年推出的新一代先进工程系统模拟软件，支持最新的多物理领域仿真语言Modelica及交互式图形界面（GUI）。同时，SimulationX还直接支持三维模型等功能。在液压仿真方面，SimulationX有一套完整的流体元件库，不仅有液压学库，还有流体设计器可以作为液压学库的补充工具，用于创建和编辑用户定义的流体及液压元件。鉴于SimulationX具有用户界面友好、建模方式先进等特点，笔者采用该软件作为仿真平台［6-10］。

4.2 输入参数

按照所设计的液压原理图，建立系统仿真模型，如图2所示。

▲图2 系统仿真模型

系统仿真模型的输入参数见表3，介质为68号液压油与氮气。

表3 系统仿真模型输入参数

4.3 仿真计算

为了比较分析不同节流孔对于快关功能的影响，设计了10组不同组合的数据，分别进行仿真，结果如表4、图3～图12所示。

由图3～图12可以看出，编号1～4节流孔的收敛速度比较快，运动曲线无毛刺，说明在运动过程中没有出现压力波动的现象。从制造的产品样机试验结果来看，情况属实。编号5～10节流孔的收敛速度较慢，而且出现了油缸没有运动到位的情况，说明此六种参数匹配不是很好。

如果节流孔孔径太大，那么当控制腔的电磁阀通电时，作用在二通插装阀上的控制油排油比较慢，因为有一部分控制油会通过节流孔作用在二通插装阀的控制腔，导致二通插装阀的压差变化较慢，从而打不开阀芯，造成二通插装阀不能开足。

▲图3 编号1节流孔仿真结果

▲图4 编号2节流孔仿真结果

▲图5 编号3节流孔仿真结果

▲图6 编号4节流孔仿真结果

▲图7 编号5节流孔仿真结果

▲图8 编号6节流孔仿真结果

▲图9 编号7节流孔仿真结果

▲图10 编号8节流孔仿真结果

5 结论

从上述仿真结果可以得出以下结论。

（1）因为孔径0.8 mm以下的节流孔加工比较难，所以建议最小节流孔孔径一般取0.8 mm以上，但是需要根据实际情况进行具体分析和计算。

▲图11 编号9节流孔仿真结果

▲图12 编号10节流孔仿真结果

表4 仿真结果

（2）在节流孔长度一定的情况下，节流孔孔径在0.8～1.2 mm之间，其收敛效果比较好，这也印证了很多教科书上定义的节流孔孔径的一般取值。

（3）由于节流孔前后压力一样，因此瞬时动态流量几乎一样，这也印证了节流孔流量与压差的关系，即压差越大，流量越大。

（4）随着节流孔孔径变大，活塞的位移行程变短，即阀门关不到位，这是由于控制腔中控制油的压差太小导致的。