纯水节流阀口抗气蚀性能实验研究

　　0 引言

　　纯水液压技术因其介质来源广泛、环境友好、清洁安全及阻燃性好的独特优势,而成为国际流体传动及控制领域的一个研究热点[1]。由于水的汽化压力高,使得水极易汽化和沸腾,因而气蚀现象在纯水液压控制阀中非常严重。在相同条件下,纯水液压控制阀遭受的气蚀破坏程度要比油压控制阀强上百倍[2]。尤其对于使用中常处于大压差、变流量工况下的纯水节流阀口处存在的气蚀现象则更为严重。

　　在油压阀的气蚀和冲蚀研究方面,日本设计了两级平板式节流阀口的形式[4],芬兰采用了两级锥阀式节流阀口[5]; Horinouchi[6]等对节流口气穴进行数值模拟和噪声试验,提出了气穴预报的计算方法,并优化了节流口结构。针对纯水液压元件气蚀破坏,浙江大学流体传动及控制国家重点实验室高红等[7]采用CFD方法初步研究了纯水液压锥阀阀口附近的气穴流动特性;华中科技大学张铁华[8]、刘银水[9]等人讨论了二级水压阀结构有利于减小气蚀的发生。本文实验对比研究了采用异型原则设计的椭球状纯水节流阀口和常用的锥形节流阀口的流量-压差特性,对阀出口压力脉动进行了频域分析,比较分析了两种不同结构节流阀口的临界气穴系数。研究结果对降低纯水液压元件的气蚀噪声和振动有一定的理论意义和实际指导作用。

　　1 节流阀口与试验模型的设计

　　节流阀口型式不同对节流阀性能有较大影响。从结构型式看,锥型节流阀口依靠阀芯与阀座的锥面密封,对水介质适应性好,阀口的密封性能好,在纯水液压控制阀中应用十分广泛。采用异型原则抑制气蚀破坏的方法主要是将阀芯做成一些异形结构如球状、抛物线形球状等,可以形成过流阀口(密封带),把很集中的气蚀冲击从密封带处向后延伸出去,使得射束气蚀的产生与损坏位置部位不一致,提高阀口的抗气蚀性能。

　　所以在实验研究异型结构节流阀口的抗气蚀性能时,选择锥形结构作为对比对象有一定的参考价值。图1中(a)和(b)分别为锥形阀口结构简图和采用异型原则设计的椭球状节流阀口结构简图。

　　该试验模型要求在低压试验条件下阀体采用透明有机玻璃材料,便于纯水节流阀口气穴流动可视化实验研究。在高压实验条件下通过采集阀出口处压力脉动信号,对出口压力脉动进行时域和频域分析。为满足实验要求,该试验模型需要有通用性和兼容性。

　　在低压实验条件下,阀体采用有机玻璃,考虑到有机玻璃的工艺性和可视化实验透光性的要求,尽量简化复杂的流道,省去了结构复杂的阀套。对于圆柱形流道,阀体成矩形外形,可以很好地观察到实际流场的情况。阀在工作中实际上是一个节流阀,因此需要保证模型口附近结构与纯水节流阀口相同。为了简单方便调节阀口,采用手调方式,阀口开度采用量规方式测量。本文设计的阀体模型如图2所示。在该试验模型上通过更换不同的阀芯与阀座组合,可以实验研究不同结构的纯水节流阀口的抗气蚀性能。