内流式锥阀的气穴产生机理试验研究

山西工程职业学院 李优

简介

锥阀由于具有良好的密封性、较强的通流性和快速响应特性而广泛应用于各类方向和压力控制阀，作为阀芯实现流体的控制。锥阀在启闭过程中压力变化较大，容易引起阀芯受力波动而振动，严重时发生压力冲击现象，因此液压系统的工作性能受液压阀性能影响较大。流体压力变化同时会导致负压部位产生气穴和噪声，这些现象均伴随流体压力和流速变化而发生，对锥阀的气穴发生规律研究显得尤为必要。

1 理论分析

在阀的阻尼口、阀芯开口度较小时经常发生气穴和噪声，这些现象极易发生且控制难度较大，当前基于高水基乳化液的液压阀气穴研究还有待深入[1]。关于气穴的研究一般以单空泡和空化基础理论相关研究结论为指导，但阀在实际工况下的表现还与阀芯结构、工作环境、系统压力等因素有关，给阀内气穴的研究带来较大困难，因此还需要研究上述理论在不同阀芯结构下的具体应用[2]。

流体在阀内快速流动时极易因为流道的不规则变形而形成漩涡，进而引发压力和速度波动，当波动区域的压强低于流体的饱和蒸汽压强时就会发生流体内气体析出而沸腾的现象，若气泡恰好积聚在低压区则会发生气穴现象[3]。流体内气泡的产生不仅会对流体的连续性产生影响，还会影响流体的传力性能，造成液压机械工作的功率和效率降低。在气泡伴随流体流动的过程中流经高压流体区域时会快速凝固，形成局部真空造成周边的流体急剧回流并互相发生碰撞，流体和固体不断耦合作用，碰撞周边的构件也同步遭到流体碰撞，对阀表面形成气蚀破坏，加剧能量损耗。此外，流体中气泡流动过程中还会影响液压系统中其它元件的工作性能，比如：影响流量和压力监测元件的测量精度、测量效率，引起相关测量参数波动；当气穴发生在水泵和水轮机的叶片上时，容易造成叶片不可恢复的损伤而影响工作寿命。气穴现象对流体传动和液压阀的影响是连续且严重的，是造成阀芯振动和压力冲击的主要原因。

气液两相流是气体和液体相互作用形成流体传动的一种流动状态，主要由气相、液相和气液界面组成，三者互相耦合。由于气体相较于液体具有更灵活的流动性和较大的可压缩性，造成气液互相接触的界面更加复杂，同时流体的流动受固体流道的影响很大，尤其是在遇到阻尼孔、阀口开度较小、流道方向突变等情况时会形成特点各异的流型，使得相互作用的过程更加复杂和难以分析，再加上不同结构和工作环境（如温度、压强）的参数差异，流体传动过程的流动机理、热机理和载荷传递等均会出现不同，给具体气穴问题的深入研究带来较大难度。近[4]年来关于气穴问题的研究主要集中在流道形状对流体的影响，如流道的角度、方向设置等。流体传动过程气泡的演变主要涉及因素有：流道形状、流速、压强和温度，特殊情况下还需要考虑流体的力学特性、汽化特性、流体成分和杂质的影响，一般情况下分析时将流体视为理想流体。

2 计算机仿真分析

以某型换向阀内全锥型内流式锥阀的正向导通流道为研究对象，分析流道条件和几何结构对锥阀工作时气穴的作用机理和影响程度，并通过试验予以验证。首先使用SolidWorks进行三维实体建模，保存为stp文件格式，然后导入网格划分软件ANSYSICEM进行网格划分，最后导入ANSYSFLUENT进行数值模拟。以锥阀开口度为1mm，进油口压力分别2MPa和1MPa进行仿真。

图1-3为进油口压力分别为2MPa和1MPa时的普通内流式锥阀的压力分场、速度场和气体体积分数分布云图。由压力分布云图可以看出阀芯开口的两侧压力差异较大，说明阀口开度较小时阀芯主要起到节流阻尼作用，压降主要分布在阀口附近，且在压力为2MPa时锥阀尖角处压力较高，与周围压差较明显，容易出现气泡析出现象。由于过流面积突然变小，在阀芯的两侧形成明显的高低压区，说明压力突变主要是由阀芯引起的局部压力损失，流体的流动状态主要以紊流为主。工作压力由2MPa降低到1MPa后流体的速度降低明显（55 m/s-32 m/s），同时流体也不易形成旋涡，说明压力在流体传递过程中的影响较大。同时，容腔内的峰值气体体积分数由0.95降低到0.90，形成气穴的范围和可能性均减小。

图1 进油口压力为2MPa和1MPa的压力分布云图

图2 进油口压力为2MPa和1MPa的速度分布云图

图3 进油口压力为2MPa和1MPa的气体体积分数分布云图

综上分析得阀芯进出口压差对阀芯内的流体气穴影响较大，降低压力有助于缓解容腔内气泡的形成。

3 试验验证

以仿真模型为模型，使用透明有机玻璃（亚克力）加工成型，将模型与液压泵站和相应辅助元件搭建试验台进行实践验证，通过高速摄像机拍摄阀芯流体的流动情况，分析气泡和气穴的产生、发育和破溃。同时使用位移、压力传感器记录阀芯位移和容腔内压力的相关数据，通过测量数据与摄像机拍摄的结果相结合展开分析，从内流式和外流式两种结构分析气泡的表现形式和机理，对仿真结果的正确性进行验证。使用高水基乳化液为工作介质，设置阀芯的入口压力为2MPa，由蓄能器模拟工作负载为试验阀提供压力，通过换向阀控制阀芯流体的流动状态，经试验得出以下结论。

图4和图5分别为阀芯开口度1mm和3mm的动态气穴现象，截取有代表性的时间点进行分析，两次试验中均观察到较为明显的气穴现象，阀芯开启时听到尖锐噪声。阀芯开口度在增大过程中，乳化液通过阀芯前端的容腔时受过流面积减小影响出现较为明显的回流现象，进油口附近流体压力变化不明显。阀口开度较小时在阀芯附近容易形成较为集中的气穴区域，这是由阀口过流面积小和进出口压差较大双重因素作用形成的，随着阀芯开启时间延长进出口压差减小，气泡逐渐消失。在阀芯位移不断增大的过程中，阀口的阻尼减弱，乳化液通过阀芯压力损失不断减小，形成负压的区域和峰值不断减小，气穴现象不断弱化；发现形成气穴区域逐步由阀芯锥角向出油口移动，气穴区域呈离散化分布，气泡集聚情况大幅收减，主要原因是阀口开度变大后流量增加，压力不再剧烈变化。继续试验发现阀芯位移进一步打开至8mm后气穴现象不断弱化最后消失，阀芯进出口压力恢复相等所需的时间越来越短。

图4 阀芯开口度1mm的动态气穴现象

图5 阀芯开口度3mm的动态气穴现象

因此，防治气穴现象最主要的技术措施还是尽可能快速地将进出口的压差减小，通过大流量卸压的方式从根源上剔除气泡产生的力学条件，具体可通过增大阀芯过流面积、改善流道结构、增大阀芯开启推力、提升公称流量、减少尖锐结构等措施。

4 结语

通过使用流场仿真软件对内流式锥阀的流场进行数值模拟，并搭建试验模型开展试验论证，发现气穴区域逐步由阀芯锥角向出油口移动，气穴区域呈离散化分布，缓解气穴现象最好的方法是提高进出油口压力趋同速度。