水液压微型阻尼孔的流量特性和气蚀特性

杨友胜,陈宇琪,秦彬

(中国海洋大学工程学院,266100,山东青岛)

在液压元件中,阻尼孔起着重要的作用。利用阻尼孔的阻尼特性制成的阻尼器,具有节流、调压、缓冲及减振等作用[1-3]。例如,在先导式溢流阀中,利用阻尼孔在主阀芯两端形成压差的特点,主阀芯在压差的作用下开启,实现溢流稳压;在定值减压阀中,主要利用阻尼孔来降低液压系统某一分支油路的压力,使分支压力比主油路压力低且稳定,起着减压与稳压作用。

因为水具有黏度低、饱和蒸气压高等特殊理化特性[4-7],水液压阻尼孔特性不同于以液压油为工作介质的阻尼孔特性,所以油液压阻尼孔设计经验不完全适用于水液压[8]。国内外学者对水液压阻尼孔的特性进行了一系列的研究,例如华中科技大学的朱碧海等,对长径比l/d=1～15、孔径d=0.8～3.0 mm的阻尼孔的流量特性进行了实验研究,其最大工作压力为3.2 MPa,得到气蚀发生时的流量系数小于无气蚀发生时的流量系数[9];Liu等采用可视化方法,对长径比l/d=1～15、孔径d=0.8～3.0 mm的阻尼孔特性进行了研究,其最大工作压力为12 MPa,得到小长径比、大孔径阻尼孔更容易发生气蚀,就其所实验的阻尼孔而言,孔径d=0.8 mm的阻尼孔抗气蚀性能最佳[10];Dabiri等以长径比l/d=1～5的阻尼孔为研究对象,观察了其在雷诺数Re=100～2 000下的气穴现象,对比分析了预测气蚀发生时的压力标准和总应力标准,发现在雷诺数较低时,2个标准之间的相对误差较大,随着雷诺数的增加,其相对误差随之减小,在高雷诺数、小长径比下观察到了水力柱塞流,此时气蚀区域消失[11];Yamaguchi等研究了流体介质特性和阻尼孔材料对阻尼孔气穴特性的影响,但对阻尼孔内部流场并没有进行深入的理论和实验研究[12]。

现有的研究对象阻尼孔特征尺寸较大,工作压力较低,而特征尺寸对阻尼孔特性的影响很大,并且在水液压元件中,通常采用微型阻尼孔(d≤1 mm),所以有必要研究孔径d≤1 mm的阻尼孔特性,完善水液压阻尼孔设计理论。

为了完善水液压阻尼孔设计理论,本文以孔径d≤1 mm、长径比l/d=2～10的阻尼孔为研究对象,建立了计算模型及实验平台,研究了其特征参数及背压对流量特性和气蚀特性的影响,并对结果进行了对比分析。实验结果表明:①仿真与实验趋势一致,误差较小;②相同压差下,阻尼孔的流量与孔径及长径比呈非线性关系;③有背压时,阻尼孔的流量和流量系数均大于无背压时;且有背压时,存在流量饱和现象,而无背压时,流量饱和现象不明显;④相同长径比下,大孔径的阻尼孔更易发生气蚀;相同孔径下,长径比l/d=7的阻尼孔抗气蚀效果最优;⑤背压对阻尼孔气蚀特性存在较大的影响。

1 模 型

1.1 物理模型

阻尼孔结构如图1所示,对孔径d=0.3～1.0 mm、长径比l/d=2～10的阻尼孔进行了实验,具体尺寸见表1。

表1 不同长径比和孔径下的阻尼孔长度

注:d1=0.3 mm;d2=0.4 mm;d3=0.5 mm;d4=0.6 mm;d5=0.8 mm;d6=1.0 mm。

图1 阻尼孔的几何形状

1.2 网格模型

鉴于阻尼孔的轴对称结构,本文将其简化为二维轴对称模型,阻尼孔的网格划分如图2所示,OO’为对称轴,AO为压力进口,FO’为压力出口,其余为壁面。假设水是不可压缩黏性流体,壁面不传热且没有滑移,水的密度ρ=998.2 kg/m3,水的黏度μ=1.007×10-6m2/s,忽略温度和压力对水的密度、黏度的影响。在仿真过程中,水的汽化压力高、流速大、水力学直径小、雷诺数大,因此引入RNGk-ε湍流模型(能量方程k和耗散方程ε)和多相模型,并利用Mixture模型中的Cavitation模块模拟阻尼孔的气穴现象,近壁面区域采用Enhanced wall treatment壁面函数。仿真过程中,其温度控制在27 ℃,并分为无背压和有背压2组,其过程如下:①无背压时,设定出口压力p2为0.2 MPa,进口压力p1从0.2 MPa开始,以0.5 MPa为步差递增至10.2 MPa,最大压差为10 MPa;②有背压时,设定进口压力p1为8 MPa,出口压力p2从7.7 MPa开始,以0.5 MPa为步差递减至大气压力。

图2 阻尼孔的网格划分

1.3 实验模型

图3给出了阻尼孔水力学特性实验原理图,实验台主要由电机、水液压泵、溢流阀、节流阀、截止阀、压力表、压力传感器、阻尼孔及量筒等组成。

图3 阻尼孔流量压力特性实验台原理图

实验时,由水液压泵泵出水,从阻尼孔左侧流入,右侧流出;通过调节电机的转速来控制通过阻尼孔的流量及进口压力,阻尼孔出口压力由回水路上的节流阀控制;流量由回水路上的量筒和秒表测得,阻尼孔的进出口压力由压力传感器测得;当节流阀全开时,出口压力为大气压力。

在实验过程中,温度维持在(25±5) ℃,对每组阻尼孔采集无背压和有背压2组数据。流量系数与雷诺数的关系曲线常用来表征阻尼孔的流动特性,流量系数的表达式为

Cq=q/[Ad(2Δp/ρ)1/2]

(1)

式中:Ad=πd2/4;压差Δp=p1-p2。

雷诺数的表达式为

Re=ud/v=4q/(πdv)

(2)

式中:u为水的流速;v为水的运动黏度;q为通过阻尼孔的流量。

当水介质通过阻尼孔时,由于流速急剧升高,使该处压力降低而达到蒸汽压,导致产生大量的蒸汽气泡,形成强烈的气穴现象。当气泡随着水流被带到高压区时,气泡体积急剧缩小或溃灭,并又重新凝结成液体。这种现象会导致瞬间局部压力和温度急剧上升,从而导致液压元件表面剥蚀,称为气蚀现象。气穴模型属于多相流模型之一,两相分别为气相和液相。气相和液相的体积比关系如下

αl+αg=1

(3)

式中:αl为液相体积比;αg为气相体积比。

2 结果讨论

2.1 仿真与实验对比分析

图4和图5是d=0.3,0.5 mm的阻尼孔的流量特性仿真与实验结果。由图4可以看出,仿真和实验结果的趋势一致,在相同压力条件下,其流量平均相对误差为5.22%,误差在允许范围之内;由图5可以看出,在相同雷诺数条件下,其流量系数相对误差小于15%,因此实验现象可以用仿真结果来描述。

图4 不同尺寸阻尼孔时流量与压差的关系

图5 不同尺寸阻尼孔时Cq与Re的关系

2.2 阻尼孔参数对气蚀特性的影响

采用前面的网格模型,本文对d=0.3,0.5,0.8 mm,l/d=2,3,4,5,7,10的阻尼孔进行了仿真模拟。图6给出了无背压时阻尼孔的气相体积比等值线图,此时阻尼孔两端的压差为10 MPa,气相体积比越大,说明水中的含气量越多,气穴现象越严重。

(a)l/d=2,d=0.3 mm,αgmax=23.1%

(b)l/d=10,d=0.3 mm,αgmax=99.7%

(c)l/d=2,d=0.5 mm,αgmax=40.9%

(d)l/d=10,d=0.5 mm,αgmax=91.4%

(e)l/d=2,d=0.8 mm,αgmax=55.0%

(f)l/d=10,d=0.8 mm,αgmax=91.0%图6 气相体积比等值线图

图7 长径比对最大气相体积比的影响

图7给出了各型号阻尼孔对应的最大气相体积比,当l/d=2～7时,随着阻尼孔孔径的增大,最大气相体积比增大,气穴现象也越来越严重;当l/d=10时,3组阻尼孔的最大气相体积比均已超过91%,说明此时的气穴现象十分严重,很容易发生气蚀。在长径比相同的情况下,孔径大的阻尼孔相对于孔径小的阻尼孔更容易发生气蚀。

相同孔径下,当l/d=2～5时,最大气相体积比变化不大;当l/d=7时,3组阻尼孔的最大气相体积比达到最小值,表明l/d=7时,气蚀对阻尼孔的影响最小。相同孔径下,l/d=7的阻尼孔抗气蚀效果最优。

2.3 背压对气蚀特性的影响

以d=0.4 mm、l/d=5的阻尼孔为例,分析无背压和有背压的情况下,阻尼孔气穴现象随背压的变化情况,如图8所示。

由图8a可以看出,阻尼孔进口部位有较为微弱的气穴现象,最大气相体积比为15.06%;由图8b可以看出,阻尼孔进口部位出现收缩,收缩断面处的气相体积比明显比其他地方大,表明该处气穴现象严重,即在进口压力更低时,阻尼孔已出现收缩断面和气蚀;由图8c可以看出,随着阻尼孔两端压差的增大,水流中的含气量增大,气穴现象加剧,而且向出口转移;由图8d可以看出,此时水流中的含气量进一步增大,并且出口的水流中的气相体积比也增大,表明气穴已扩展到阻尼孔出口。

(a)p1=1 MPa,αgmax=15.0%

(b)p1=3 MPa,αgmax=24.3%

(c)p1=5 MPa,αgmax=25.2%

(d)p1=10 MPa,αgmax=32.5%图8 无背压时不同进口压力下的气相体积比等值线图

有背压时,当阻尼孔两端压差Δp=6 MPa时,阻尼孔进口开始出现微弱的气穴现象。Δp较小时,阻尼孔并无气穴现象产生,直到Δp≥6 MPa,开始有气穴现象产生。

综上所述,背压对阻尼孔的气蚀特性有显著的影响。在无背压的情况下,气穴现象在阻尼孔两端压差很小时就产生了;在有背压的情况下,气穴现象产生时的压差则要比无背压时高得多。可见,提高背压是抑制气穴现象发生的重要手段。

2.4 阻尼孔特征参数对流量特性的影响

图9给出了无背压时l=2.18 mm的阻尼孔在不同长径比时的流量压差曲线。由图9可以看出,相同压差下,随着阻尼孔长径比的增大,阻尼孔的流量逐渐减小。相同阻尼孔长度下,长径比越小,阻尼孔的流量越大。

图9 不同长径比时流量与压差的关系(l=2.18 mm)

无背压时阻尼孔流量系数与雷诺数的关系如图10所示。由图10可以看出,长径比为4的阻尼孔在无背压时的流量系数为0.66左右,明显小于其他阻尼孔的值,其他阻尼孔的流量系数在0.7以上。

图10 不同长径比时Cq与Re的关系(l=2.18 mm)

图11给出了无背压时长径比为5的阻尼孔在不同长度时的流量压差曲线。由图11可以看出,相同压差下,随着阻尼孔长度的增大,阻尼孔的流量逐渐增大。在相同长径比的情况下,阻尼孔越长,阻尼孔的流量也就越大。无背压时,其阻尼孔的流量系数与雷诺数的关系如图12所示。由图12可以看出,长度为4 mm的阻尼孔在无背压时的流量系数为0.75左右,小于其他阻尼孔的值,其他阻尼孔的流量系数在0.85～0.91之间。

图11 不同阻尼孔长度时流量与压差的关系(l/d=5)

图12 不同阻尼孔长度时Cq与Re的关系(l/d=5)

2.5 背压对流量特性的影响

图13给出了长度为2.18 mm的阻尼孔在不同长径比时的流量压差曲线。由图13可以看出,无背压时,阻尼孔的流量均随着其两端的压差增大而增加,流量饱和现象不明显;有背压时,在流量达到饱和之前,阻尼孔的流量均随着其两端的压差增大而增加;当两端压差达到某一值后,有背压时开始出现流量饱和现象,流量不再随压差的增大而增加;在阻尼孔两端压差相同的情况下,有背压时的流量大于无背压时的流量;对于相同长度、不同长径比的阻尼孔,出现流量饱和时的压差也不一样。

图13 有无背压时流量与压差的关系(l=2.18 mm)

图14给出了长度为2.18 mm的阻尼孔在不同长径比时的流量系数曲线。由图14可以看出,有背压时的流量系数在0.84～0.95之间,无背压时的流量系数在0.85～0.91之间,有背压时的流量系数高于无背压时的流量系数;有背压时,流量系数曲线均出现拐点,而此时的压差是气穴现象初生时的压差。由此可见,出现气穴现象时,有背压时的压差大于无背压时的压差;由于气穴现象的产生,以致部分水流能量被气蚀消耗,从而导致无背压时的流量系数小于有背压时的流量系数;当压差增加到一定程度时,有背压时的气穴现象愈加严重,消耗了更多的水流能量,从而流量系数曲线出现拐点,开始变小。

图14 有无背压时Cq与Re的关系(l=2.18 mm)

3 结 论

本文对水液压微型阻尼孔的水力学特性进行了研究,得出如下结论:

(1)无论有无背压,阻尼孔内的气泡首先在进口部位产生,并随着两端压差的增大,气泡向出口推移,且气相体积比随之增大,气蚀也愈发严重。

(2)孔径与长径比对阻尼孔的气蚀有较大的影响。孔径大的阻尼孔更易发生气蚀,l/d=7的阻尼孔的抗气蚀性能最优。

(3)背压对阻尼孔气蚀特性存在显著的影响,提高背压有利于抑制气穴现象的发生。

(4)相同压差时,阻尼孔的流量与孔径及长径比呈非线性关系;无背压时,l/d=4或l=4 mm的阻尼孔的流量系数均小于其他系列阻尼孔。

(5)背压对阻尼孔流量特性有较大的影响。有背压时,流经阻尼孔的流量大于无背压时的流量,且流量饱和现象比无背压时明显,流量系数高于无背压时的流量系数。

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