阀芯仿生射流式水液压先导溢流阀设计及研究

摘要

随着环境问题的日益突出，人们对于绿色技术的要求越来越迫切。近年来，水液压技术替代油压技术成为研究人员的重点研究方向。而水液压技术与油压技术有一定的区别，因此，对于水液压阀的设计结构提出了新要求。本文针对传统水液压阀目前存在气蚀的问题进行了研究，设计新型水液压先导溢流阀，用仿真软件和可视化的实验方法对先导溢流阀的相关特性进行以下研究。
　　首先，针对水液压阀口容易出现气蚀的问题，通过计算设计阀芯射流式水液压先导溢流阀的总体结构。其中，利用BioTRIZ理论对工程模型进行分析，从水生乌贼射流减阻的结构得到启发，同时根据生物目标原型与设计目标的相似性，设计仿生结构的阀芯，同时设计具有非光滑槽的阀座。考虑到后续实验要求，将阀体设计为透明结构，完成加工和组装具有仿生特性的水液压先导溢流阀。
　　其次，建立空化气蚀模型，利用Fluent软件对主阀口流场进行分析。其中，利用建模软件Gambit完成主阀口三维模型的建立，确立湍流模型和边界条件，利用Fluent软件对溢流阀的主阀口进行分析，分析普通结构、阀座具有非光滑槽结构、仿生射流孔结构以及直径、数量不同的射流孔、射流孔不同角度和沿Z轴不同偏移量对阀口压力分布的影响。
　　再次，利用Isight优化软件集成Gambit和Fluent软件对射流孔结构参数进行优化。其中，将射流孔的半径、射流角度和射流孔的位置作为优化的变量，将阀口位置的压力平均值和流量作为优化的目标函数。利用 DOE试验设计方法，确定各个变量对于目标函数的贡献率也就是影响程度。最后利用MIGA多岛遗传算法对于各个参数进行优化，确定仿生射流孔的最优结构参数。
　　最后，根据现有的水液压台搭建实验测试系统，对水液压先导溢流阀的基本特性和空化气蚀进行实验分析。其中，进行压力调节范围实验、不同结构压差流量实验、压力流量实验、不同弹簧刚度的流量变化实验以及动态响应实验等。借助高速摄像机对水液压阀口的空化现象进行分析，分析不同结构产生气泡的变化过程以及不同压力下空化特性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源和背景

1.2 水液压技术概述

1.3 水液压溢流阀的国内外现状

1.4 水液压系统空化气蚀概述

1.5 仿生方法在水液压阀中的应用

1.6 本文的主要研究内容

第2章 水液压先导溢流阀结构设计

2.1 引言

2.2 水液压溢流阀存在的主要问题和解决措施

2.3 主要结构参数的确定

2.4 仿生阀芯和阀座的设计与分析

2.5 先导溢流阀的整体结构设计

2.6 本章小结

第3章 水液压先导溢流阀阀口流场特性分析

3.1 引言

3.2 流场几何建模及网络划分

3.3 空化气蚀模型

3.4 流场湍流模型和边界条件的确定

3.5 不同情况下主阀口压力和流速特性分析

3.6 射流孔在不同角度下主阀口压力特性分析

3.7 射流孔沿Z轴不同偏移量时主阀口压力特性分析

3.8 本章小结

第4章 基于Isight的多目标结构参数优化

4.1 引言

4.2 Isight优化集成

4.3 仿生阀芯尺寸优化的概念设计

4.4 参数优化的正交试验设计

4.5 基于MIGA算法的尺寸参数多目标优化

4.6 本章小结

第5章 实验研究

5.1 引言

5.2 水液压先导溢流阀实验系统设计

5.3 先导溢流阀图像采集系统

5.4 实验数据采集以及结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢