節流孔孔徑與長度的最優設計

2019-01-10 08:59:48張為榮

機械制造 2018年12期

□ 張為榮

中核蘇閥科技實業股份有限公司研發中心江蘇蘇州 215129

1 節流孔概述

節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的設計中，都有節流孔或類似的組件存在，如電磁閥、節流閥等。節流孔的主要作用是改變管道前后的壓差，產生節流、調壓和緩沖等作用，從而控制元件中流體的流量、壓力等特征量，以滿足實際工程的要求［1］。

由于流場的復雜性導致計算困難，在工程設計中很多設計師往往憑借經驗來選定節流孔的孔徑大小和節流長度，從而給后續的設備調試帶來諸多不確定因素，輕則影響設備的運行控制精度，重則影響設備的運行安全。

筆者通過理論和仿真手段，對節流孔孔徑與長度進行最優設計，為相關設計提供技術借鑒和參考。

2 理論分析

在液壓元件和液壓系統開發中，都涉及對于壓力的控制，控制壓力最直接和最有效的方法就是設計合理的節流孔。目前，節流孔大致分為薄壁孔、短孔和細長孔三種類型。

由液壓流體力學可知，流體經過細長孔、薄壁孔、短孔時會遇到阻力，通流面積和通流長度不同，對流體產生的阻力也不同［2-5］。

三種不同類型的節流孔型式如圖1所示，其中l為壁厚，d為孔徑。

▲圖1 節流孔型式

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

對于上述三種節流孔型式，其節流孔流量特性見表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為與節流口幾何形狀及液體性質有關的節流系數，m為節流孔形狀因數。

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

對于上述幾種孔型，在實際應用中，應用最多、最廣泛的是細長孔。以下針對應用最廣泛的細長孔進行仿真分析。

表1 節流孔流量特性

3 快關功能簡述

筆者單位研制的主蒸汽隔離閥氣液聯動驅動裝置與核電站的安全性、可靠性和經濟性密切相關，是核電站的核心部件之一，也是實現自主知識產權的關鍵部件。百萬千瓦級壓水堆核電站的主蒸汽隔離閥為大口徑閘閥結構，其驅動裝置需滿足主蒸汽隔離閥長行程，以及不同工況快關、慢開、慢關等可靠動作要求，因此氣液驅動型式成為主蒸汽隔離閥驅動裝置的主流型式。

氣液聯動驅動裝置主要通過高壓液壓油驅動油缸，來保證閥門開啟動作的穩定性。同時，系統內配置氣體蓄能罐，預充高壓氮氣充當永不失效的氣彈簧，為主蒸汽隔離閥的5 s快關提供所需能量。

主蒸汽隔離閥主要技術參數見表2。

表2 主蒸汽隔離閥技術參數

主蒸汽膈離閥工作行程為818 mm，要保持2 780 kN的動態關閉力，在5 s時間內液壓油的流速非常大，初步計算約為27.1 L/s。顯然，在如此的高流速下，如果節流孔計算不準確，勢必影響整個系統的動態關閉功能。

4 仿真模型

4.1 仿真平臺

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工程系統模擬軟件，支持最新的多物理領域仿真語言Modelica及交互式圖形界面（GUI）。同時，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，不僅有液壓學庫，還有流體設計器可以作為液壓學庫的補充工具，用于創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、建模方式先進等特點，筆者采用該軟件作為仿真平臺［6-10］。