基于压力分布模式的液压阀空化噪声评价

　　目前,溢流阀在液压系统中得到广泛的应用,其流场特性对整个液压系统影响很大。空化经常出现在溢流阀的节流口附近,是溢流阀的主要噪声源之一,不仅造成系统能量损失、噪声增大、效率降低,还大大缩短系统寿命。近年来,高压高速液压系统的飞速发展对液压元件的性能提出更高的要求,因此,有必要对液压元件内部的流场进行预测。Kato等^[1]利用FDM方法对锥阀的节流系数进行2D模型分析,并与实验结果进行比较; Toita等^[2]利用FVM方法对各种不同形状锥阀的对称模型进行计算分析,对改进锥阀形状提出一些有用的建议;Os-hima等[3]通过实验研究锥阀阀芯与阀座夹角对其流量特性、节流特性、空化特性、噪声特性的影响。

　　针对文献^[3]中研究的液压锥阀进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)解析,找出液压锥阀的压力分布模式与噪声特性之间的关系,提出基于压力分布模式评价液压锥阀空化噪声的方法,并将其应用于液压滑阀的噪声特性评价。

　　1 空化与空化噪声

　　当液体中局部压力低于液体的空气分离压力或饱和蒸汽压时液体中就会形成气泡,这些气泡被带到高压区时就会变小,甚至溃灭。

　　考虑液体可压缩性,气泡溃灭时内部压强为[4,5]

　　式中:p_i为气泡溃灭时气泡内的压强;p₀为初始时刻气泡内的压强;R₀为初始时刻气泡半径;R为任意时刻气泡的半径;C为气泡内气体的绝热指数,γ=1.4。初始时刻,在高压的作用下,气泡表面和表面外的流体以很高的速度向气泡中心流动,当气泡半径缩小到R=R_min时,流体流动速度为零,流动停止(此时即看作气泡溃灭)。此时,气泡中心将产生很高的压力。实验结果表明,在溃灭中心的压力可高达150MPa~200MPa。如果气泡溃灭发生在固壁附近,溃灭压力的阶跃升高使流体和固壁振动,从而产生噪声,即空化噪声。与起始阶段相比,溃灭阶段的噪声大很多,而且随着溃灭地进行,噪声还会急剧增大。

　　2 液压锥阀实验与仿真

　　2.1 实验条件

　　图1为实验用锥阀主要结构。表1为其主要尺寸,表2为液压油参数。实验过程中,入口压力保持绝对压力P₁=5MPa,通过调节出口压力P₂得到不同的工作压力差ΔP=P₁-P₂;通过调节阀芯位置改变开口大小X;在图1中压力测点安装压力传感器测量阀座上压力P的分布;在距离阀体10cm处安装精密噪声仪测量阀的噪声。

　　2.2 实验结果

　　如图2为文献[3]中实验所得不同Φ<对应液压锥阀的噪声随工作压差的变化曲线。图3为该阀在固定工作压差下的压力分布曲线。流入状态下,当Φ>0时,节流口变为收缩型节流口,当Φ<0时,节流口变为渐扩型节流口;反之,流出状态下,当Φ>0时,节流口变为渐扩型节流口,当Φ<0时,节流口变为收缩型节流口。