流场对锥形先导阀稳定性的影响分析

    先导式溢流阀被广泛应用于液压系统以调节和控制系统压力，而目前绝大多数先导式溢流阀的先导阀多采用锥阀结构，先导阀开启后阀芯相当于一个在液压力和弹簧力作用下悬浮于液压油中的弹簧 - 振子系统.溢流阀工作时由于液压油的激励，时常会产生一些高频振动并伴随着尖叫噪声，实验证明这种尖叫噪声是由先导阀的自激振动所产生的，先导阀的这种高频振动不仅引起液压系统压力不稳定，而且影响液压系统的正常工作甚至破坏液压元件. 虽然目前在导阀前腔加消振垫或消声螺钉能起到一定效果，但是实践证明在压力高于 31 MPa 时这种办法并不可靠[2].

    先导阀的开启过程即压力油与先导阀阀芯弹簧系统相互作用的过程，阀芯表面的受力状况决定于流体流动状态及流场内的压力分布. 流体诱发振动是造成阀芯不稳定的因素之一.针对流体诱发振动，R.D.白莱文斯对漩涡诱发振动、驰振和失速颤振，脉动流诱发振动、湍流诱发振动等做了大量的分析[3]；陈佐一运用振荡流体力学原理和参数多项式方法对动力工程的各种流体激振问题做了深入研究[4].本文从流场对先导阀稳定性方面进行理论分析并利用 Fluent 软件进行流场仿真，探讨流场对无导向装置锥阀式先导阀稳定性的影响.

    1 影响流场的主要因素

    运动流体所占有的空间区域即为流场，用欧拉法描述的流场即流体质点运动，其流速、压强等函数定义在时间和空间点坐标场上的流速场、压力场等.本文所研究的先导阀结构如图 1 所示，液压油从主阀上腔经节流孔进入先导阀前腔并作用在先导阀芯上，经先导阀口溢流进入导阀腔内，然后经出流口流回油箱，流体在阀腔内的流动状态将受到阀腔及阀芯等固体边界条件的影响，并且将影响先导阀的稳定性，其主要因素有：1）节流孔 2 的位置在加工中很容易出现偏心误差，节流孔偏心将导致高压油在导阀前腔将偏向先导阀某一侧，流体流线等运动参数会因此而改变，阀芯受到的作用力分布也将改变；2）先导阀口圆度误差将影响阀芯周向各处的通流截面不同而造成阀孔圆周各处流速不尽相同，流速不同所产生的液动力 Ft（如图 2 中所示）也不相同，因此将引起阀芯振动，阀芯振动又将影响流场不稳定；3）先导阀出流口位置也将改变流体流线，阀腔内远离出流口一侧的流体都将要绕过先导阀芯及弹簧组件经出流口流回油箱，阀口处流体流速极高，能达到几十米甚至几百米每秒，流动状态也非常复杂，出流口的位置改变将改变先导阀芯表面流体漩涡的分布，和剪切应力的分布等.