乳化液介质电磁卸荷阀气蚀现象的数值模拟

摘要

卸荷系统是乳化液泵站系统中一个重要组成部分，对维护井下的安全生产起到不可或缺的作用。电磁卸荷阀由于其瞬时流量大、保压时间长等原因而被广泛用作卸荷系统的压力控制和过载保护的核心元件。国家煤炭行业标准MT/T188.3-2000《煤矿用乳化液泵站卸荷阀技术条件》对卸荷阀的技术要求、试验方法及检验规则提出了详细的规定，但是由于各种原因导致卸荷阀失效的事故时有发生，严重影响泵站工作的平稳可靠性。本文针对企业反馈的卸荷阀气蚀问题为研究对象，分析主阀腔的压力、气相分布，结合气蚀现象，对卸荷阀的流道优化进行了深入研究。
　　通过介绍卸荷阀研究的背景和意义，阐述了乳化液介质电磁卸荷阀在使用中常见的失效形式。根据国内外关于气蚀问题的研究现状和存在问题，引出卸荷阀空化气蚀现象研究的重要性。
　　企业反馈卸荷阀在机械式卸荷的工况下实际使用约1500小时后，其内部发生气蚀，并且气蚀造成的损坏非常严重，导致主阀阀套4个出口之间的钢制内壁面几乎蚀穿。结合企业生产中面临的实际问题，在AMESim中搭建卸荷阀机械式卸荷的仿真模型，分析卸荷阀的入口/出口压力特性、入口的流量特性、主阀/导阀的位移情况。结合卸荷阀关键数据对其工作性能的影响，重点研究先导阀阀座直径、主阀芯直径、主阀芯锥角这三个结构数据对卸荷阀入口压力及出口压力波动范围的影响。
　　运用Fluent流场仿真软件中的空化模型，结合AMESim中得到的边界条件，对卸荷阀主阀在不同阀口开度下的流场压力、速度、气相分布做了分析研究，得出：阀口小开度时，阀口后部会出现严重的低压现象，从而引起气泡析出，析出的气泡会跟被乳化液裹挟，形成空化流。空化流冲击出口附近内壁面时，气泡急剧溃灭，在溃灭处对周边零件表面造成空蚀破坏，不断地剥离材料，发生空蚀破坏。将流场仿真结果中气蚀诱发处与气蚀破坏的实物相对比，结果基本吻合。
　　基于对阀腔内气蚀原因的认识，从提升阀口后部压力、延长空化流在阀腔内的运动时间入手，提出削弱气蚀的系统优化方案和结构优化方案。对优化后方案进行模拟仿真，对比分析了优化前后阀腔内的流场压力、气相、速度等参数，仿真结果表明优化措施的确可以起到削弱气蚀的作用，有效地延长了卸荷阀的使用寿命，降低卸荷阀更换的频率，提高生产效率。
　　本文基于AMESim和Fluent仿真，分析卸荷阀主阀腔内空化的原因，并进一步对阀腔流域的设计提出了改进办法。研究结果对深入认识气蚀的发生机理有一定指导意义，而且可为设计高可靠性的液压阀提供理论依据和参考。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外关于气蚀现象研究现状

1.3 论文主要内容

第2章 卸荷阀动态特性分析

2.1 卸荷阀的工作原理及物理模型

2.2 机械式卸荷阀AMESim仿真研究

2.3 机械式卸荷主阀进出口压力影响因素分析

2.4 本章小结

第3章 卸荷阀气蚀机理分析

3.1 卸荷阀气蚀现象及数值计算模型的建立

3.2 FLUENT空化模型及计算条件设置

3.3 流场仿真结果分析

3.4 出口背压对空化的影响

3.5 本章小结

第4章 卸荷阀内部流场的优化设计

4.1 常见的控制和消除空化的方法

4.2 阀套径向出口位置对气蚀的影响

4.3 主阀密封形式对气蚀的影响

4.4 流道结构对气蚀的影响

4.4 本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表及录用学术论文

附录B 科研项目与实践