CN113374924A - 一种基于液力放大原理实现阀可控速度的快速开启方法及装置 - Google Patents

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马雪健
雷艳
刘增辉
王敬恩
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Abstract

一种基于液力放大原理实现阀可控速度的快速开启方法及装置属于流体力学的流体运动规律测量领域。高压液压系统中阀在启闭过程中，要完成液压的切断或导通，密封区域具有“强瞬变”的特征，包含了边界条件改变和空化引起的非定常流动，并伴随复杂的漩涡运动与强非线性相互作用。如何实现阀在高压条件下快速开启及速度的控制，了解这个过程中的流体的流动过程是很重要的。本专利基于帕斯卡原理，利用液力放大，能够实现高压条件下阀快速的开启及速度可控，还原动态情况下阀密封区域瞬态变化过程，结合高速摄影机和激光位移传感器，得到该区域流动过程和液力变化。

Description

一种基于液力放大原理实现阀可控速度的快速开启方法及 装置
技术领域
本发明属于流体力学的流体流动规律测量领域，涉及一种基于液力放大原理实现阀可控速度的快速开启方法及装置。
背景技术
高压液压系统因其能够通过改变压强增大作用力从而被广泛应用，其实现过程具有强液力、高速度、快响应的“强瞬变”特点，例如在柴油机的高压油路中利用高压液压系统控制喷油器针阀的开闭。
阀是实现高压液压系统运行的关键，在这一过程中阀的密封面区域决定了切换过程的时间，流体的动态空化流动过程决定了阀的控制作用力。
在实际工程中，由于液压系统中应用的阀体积较小，且高压液压系统具有“强瞬变”特点。因此，其流体的动态空化流动过程及作用在阀上的液力变化难以测量。
本发明提出一种基于液力放大原理实现阀在高压条件下快速开启及速度可控的方法和测量装置，可以实现在高压条件下阀的动态快速开启及速度可控，模拟高压液压系统内的“强瞬变”过程，从而了解高压液压系统流体的动态空化流动过程及液力变化。
发明内容
在本发明中，电控阀(4)可快速开启，随着电控阀(4)位移X的不断增加，通过泄流孔(6)的流体流量Q不断增加,P2下降即作用在阀上的力F2减小。如图2所示，当F2减小至小于F1的瞬间(T1时刻)阀(1)迅速向右移动，从而模拟高压液压系统的“强瞬变”过程。
如图1，球阀(1)所在管路前后设计为变截面，根据帕斯卡原理：
Figure BDA0003116424400000011
球阀前后压力不同，利用压差形成作用力放大，改变背压(小压力，慢响应)实现阀作用力(大压力，快响应)，控制电控阀(4)的开启，可实现高压液压系统内阀在0.3-3ms内快速开启。控制室内压力P2下降，控制室内流体及弹簧作用在阀(1)上的力F2减小，P1恒定高压油源来流作用在阀(1)上的力F1为定值，
基于帕斯卡原理，通过调节阀前后面积比或控制室(7)内的压力变化速度，可以实现球阀(1)开启速度的可控。其中控制室(7)内的压力变化速度可通过调节控制室内的流体流动速率来调节，即通过调节泄流孔(6)的大小来实现。
在球阀(1)的尾端设置带有弹簧的挡板，控制室右侧安装位移传感器，当球阀移动后，位移传感器记录挡板位移L变化过程，可得到作用在挡板上力的变化：
F2＝P2A2+kL (3)
在控制室及管道内设置压力传感器，根据公式(3)，得到作用在挡板上力的变化，可进一步获得高压液压系统“强瞬变”过程中的液力变化。
球阀(1)左侧变截面处设置可视化窗口，可视化窗口上方位置安装高速摄影机记录过程中流体动态空化流动过程。
等效比例计算示例如表1所示，假设泄流孔(6)泄流流量为3.5L/min，控制室体积为0.005L，液体匀速流出，F2降至稳定值需要
Figure BDA0003116424400000021
假设球阀(1)质量为0.05Kg，由于其所受的合外力方向始终在一条直线上(即方向不变),且假设其大小是随时间均匀变化的，则平均加速度为
Figure BDA0003116424400000022
由于液体匀速流出，控制室内的力匀速减少，从t1至t2需
Figure BDA0003116424400000023
则这期间平均流速约为v＝at＝0.114m/s。
附图说明
图1本发明示意图。
图2控制室内液力变化过程
1-球阀；2-压力传感器；3-光源；4-电控球阀；5-激光位移传感器；6-泄流孔；7-控制室；8-高速摄影机
具体实施方式：
记录流体动态空化流动过程，测量液力变化，实现阀可控速度的快速开启。
如图2，电控阀(4)开启后，控制室内流体从泄流孔(6)流出，泄流孔(6)流出流量Q逐渐增加，P2下降即作用在阀上的力F2减小，F1恒定，当F2减小至小于F1的瞬间(t1时刻)，阀(1)迅速向右移动，实现了阀在0.3-3ms内快速开启。
位移传感器采集到挡板的位移量L，压力传感器采集系统中的压力，根据公式(3)可得到高压液压系统“强瞬变”过程中的液力变化。
高速摄影机记录过程中流体动态空化流动过程。
改变阀前后面积比或控制室(7)内的压力变化，可实现在高压液压系统内阀开启速度可控。
表1等效比例计算示例
Figure BDA0003116424400000031

Claims (4)

1.一种基于液力放大原理实现阀快速开启速度可控的装置，其特征在于：包括阀(1)、压力传感器(2)、光源(3)、电控阀(4)、激光位移传感器(5)、泄流孔(6)、控制室(7)、高速位移摄影机(8)，以每秒5000帧的帧速率捕获运动图像；可提供100MPa的高压油源，高压油源与控制室(7)之间利用变径管道连接，高压油源侧管道直径较小；变径处设置阀(1)，阀(1)上设置带有弹簧的挡板；控制室(7)内设置泄流孔(6)及电控阀(4)；基于帕斯卡原理，通过压力作用面积的不同，利用压差形成作用力放大，当电控阀(4)开启时，控制室(7)内液体由泄流孔(6)流出，当作用在阀(1)上的力平衡被破坏时，阀(1)在0.3-3ms内快速开启。
2.应用如权利要求1所述装置测量密封阀区域动态空化流动和液力变化，其特征在于：当装置开启时，电控阀(4)开启，控制室内液体经泄流(6)流出，控制室内压力P2下降，控制室内流体及弹簧作用在阀(1)上的力F2减小，高压油源来流作用在阀(1)上的力F1为定值，当作用在阀(1)上的力平衡被破坏时即F2小于F1，阀(1)在0.3-3ms内快速开启；在此过程中，高速位移摄影机(8)记录流体动态空化流动过程；压力传感器(2)记录此过程中装置中压力的变化；阀(1)上设置带有弹簧的挡板，采用激光位移传感器记录挡板位移量变化，并根据位移变化获得阀上的液力作用力。
3.应用如权利要求1所述装置实现高压液压系统内阀快速开启过程，其特征在于：以实际尺寸为基础比例，根据雷诺数相似和空化数相似原理，放大其装置；基于帕斯卡原理，通过压力作用面积的不同，利用压差形成作用力放大，改变背压实现阀作用力，从而实现模拟高压液压系统内阀快速开启过程，快速为3ms内。
4.应用如权利要求1所述装置实现高压液压系统内阀开启速度可控，其特征在于：基于帕斯卡原理，通过调节阀的前后面积比和控制室内压力的变化速度；从而实现高压液压系统内阀开启速度可控。
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