節(jié)流孔孔徑與長度的最優(yōu)設(shè)計(jì)

□ 張為榮

中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司研發(fā)中心 江蘇蘇州 215129

1 節(jié)流孔概述

節(jié)流孔是液壓元件中一種十分常見的基本組件，在很多液壓元件和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，都有節(jié)流孔或類似的組件存在，如電磁閥、節(jié)流閥等。節(jié)流孔的主要作用是改變管道前后的壓差，產(chǎn)生節(jié)流、調(diào)壓和緩沖等作用，從而控制元件中流體的流量、壓力等特征量，以滿足實(shí)際工程的要求［1］。

由于流場的復(fù)雜性導(dǎo)致計(jì)算困難，在工程設(shè)計(jì)中很多設(shè)計(jì)師往往憑借經(jīng)驗(yàn)來選定節(jié)流孔的孔徑大小和節(jié)流長度，從而給后續(xù)的設(shè)備調(diào)試帶來諸多不確定因素，輕則影響設(shè)備的運(yùn)行控制精度，重則影響設(shè)備的運(yùn)行安全。

筆者通過理論和仿真手段，對(duì)節(jié)流孔孔徑與長度進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒和參考。

2 理論分析

在液壓元件和液壓系統(tǒng)開發(fā)中，都涉及對(duì)于壓力的控制，控制壓力最直接和最有效的方法就是設(shè)計(jì)合理的節(jié)流孔。目前，節(jié)流孔大致分為薄壁孔、短孔和細(xì)長孔三種類型。

由液壓流體力學(xué)可知，流體經(jīng)過細(xì)長孔、薄壁孔、短孔時(shí)會(huì)遇到阻力，通流面積和通流長度不同，對(duì)流體產(chǎn)生的阻力也不同［2-5］。

三種不同類型的節(jié)流孔型式如圖1所示，其中l(wèi)為壁厚，d為孔徑。

▲圖1 節(jié)流孔型式

如果節(jié)流孔兩端的壓差一定，那么通過改變節(jié)流孔的通流面積或長度，就可以調(diào)節(jié)流經(jīng)節(jié)流孔的流量。這一原理揭示了如何通過改變節(jié)流孔的型式來改變流量和瞬態(tài)壓力，從而達(dá)到控制液壓的目的。

對(duì)于上述三種節(jié)流孔型式，其節(jié)流孔流量特性見表1。表1中，Q為流量，A為薄壁小孔流通面積，ΔP為小孔前后壓差，ρ為油液密度，Cq為流量因子，μ為油液黏度，KL為與節(jié)流口幾何形狀及液體性質(zhì)有關(guān)的節(jié)流系數(shù)，m為節(jié)流孔形狀因數(shù)。

對(duì)于薄壁孔，在紊流工況下，油液黏度和溫度的變化不會(huì)影響流量因子。對(duì)于細(xì)長孔，油液黏度和溫度的變化會(huì)影響流量因子。對(duì)于短孔，流量因子的影響介于上述兩者之間。

對(duì)于上述幾種孔型，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用最多、最廣泛的是細(xì)長孔。以下針對(duì)應(yīng)用最廣泛的細(xì)長孔進(jìn)行仿真分析。

表1 節(jié)流孔流量特性

3 快關(guān)功能簡述

筆者單位研制的主蒸汽隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置與核電站的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，是核電站的核心部件之一，也是實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵部件。百萬千瓦級(jí)壓水堆核電站的主蒸汽隔離閥為大口徑閘閥結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)裝置需滿足主蒸汽隔離閥長行程，以及不同工況快關(guān)、慢開、慢關(guān)等可靠動(dòng)作要求，因此氣液驅(qū)動(dòng)型式成為主蒸汽隔離閥驅(qū)動(dòng)裝置的主流型式。

氣液聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置主要通過高壓液壓油驅(qū)動(dòng)油缸，來保證閥門開啟動(dòng)作的穩(wěn)定性。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)配置氣體蓄能罐，預(yù)充高壓氮?dú)獬洚?dāng)永不失效的氣彈簧，為主蒸汽隔離閥的5 s快關(guān)提供所需能量。

主蒸汽隔離閥主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主蒸汽隔離閥技術(shù)參數(shù)

主蒸汽膈離閥工作行程為818 mm，要保持2 780 kN的動(dòng)態(tài)關(guān)閉力，在5 s時(shí)間內(nèi)液壓油的流速非常大，初步計(jì)算約為27.1 L/s。顯然，在如此的高流速下，如果節(jié)流孔計(jì)算不準(zhǔn)確，勢(shì)必影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)關(guān)閉功能。

4 仿真模型

4.1 仿真平臺(tái)

仿真軟件采用德國ITI公司的SimulationX。SimulationX是該公司于2002年推出的新一代先進(jìn)工程系統(tǒng)模擬軟件，支持最新的多物理領(lǐng)域仿真語言Modelica及交互式圖形界面（GUI）。同時(shí)，SimulationX還直接支持三維模型等功能。在液壓仿真方面，SimulationX有一套完整的流體元件庫，不僅有液壓學(xué)庫，還有流體設(shè)計(jì)器可以作為液壓學(xué)庫的補(bǔ)充工具，用于創(chuàng)建和編輯用戶定義的流體及液壓元件。鑒于SimulationX具有用戶界面友好、建模方式先進(jìn)等特點(diǎn)，筆者采用該軟件作為仿真平臺(tái)［6-10］。

4.2 輸入?yún)?shù)

按照所設(shè)計(jì)的液壓原理圖，建立系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

▲圖2 系統(tǒng)仿真模型

系統(tǒng)仿真模型的輸入?yún)?shù)見表3，介質(zhì)為68號(hào)液壓油與氮?dú)狻?/p>

表3 系統(tǒng)仿真模型輸入?yún)?shù)

4.3 仿真計(jì)算

為了比較分析不同節(jié)流孔對(duì)于快關(guān)功能的影響，設(shè)計(jì)了10組不同組合的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如表4、圖3～圖12所示。

由圖3～圖12可以看出，編號(hào)1～4節(jié)流孔的收斂速度比較快，運(yùn)動(dòng)曲線無毛刺，說明在運(yùn)動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)壓力波動(dòng)的現(xiàn)象。從制造的產(chǎn)品樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果來看，情況屬實(shí)。編號(hào)5～10節(jié)流孔的收斂速度較慢，而且出現(xiàn)了油缸沒有運(yùn)動(dòng)到位的情況，說明此六種參數(shù)匹配不是很好。

如果節(jié)流孔孔徑太大，那么當(dāng)控制腔的電磁閥通電時(shí)，作用在二通插裝閥上的控制油排油比較慢，因?yàn)橛幸徊糠挚刂朴蜁?huì)通過節(jié)流孔作用在二通插裝閥的控制腔，導(dǎo)致二通插裝閥的壓差變化較慢，從而打不開閥芯，造成二通插裝閥不能開足。

▲圖3 編號(hào)1節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖4 編號(hào)2節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖5 編號(hào)3節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖6 編號(hào)4節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖7 編號(hào)5節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖8 編號(hào)6節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖9 編號(hào)7節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖10 編號(hào)8節(jié)流孔仿真結(jié)果

5 結(jié)論

從上述仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1）因?yàn)榭讖?.8 mm以下的節(jié)流孔加工比較難，所以建議最小節(jié)流孔孔徑一般取0.8 mm以上，但是需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析和計(jì)算。

▲圖11 編號(hào)9節(jié)流孔仿真結(jié)果

▲圖12 編號(hào)10節(jié)流孔仿真結(jié)果

表4 仿真結(jié)果

（2）在節(jié)流孔長度一定的情況下，節(jié)流孔孔徑在0.8～1.2 mm之間，其收斂效果比較好，這也印證了很多教科書上定義的節(jié)流孔孔徑的一般取值。

（3）由于節(jié)流孔前后壓力一樣，因此瞬時(shí)動(dòng)態(tài)流量幾乎一樣，這也印證了節(jié)流孔流量與壓差的關(guān)系，即壓差越大，流量越大。

（4）隨著節(jié)流孔孔徑變大，活塞的位移行程變短，即閥門關(guān)不到位，這是由于控制腔中控制油的壓差太小導(dǎo)致的。