滑阀间隙模型中单颗粒运动的可视化研究

摘要

滑阀是液压阀的基本结构形式之一，其高度一般为数微米至数十微米，工作过程中，侵入配合间隙的敏感固体颗粒，可能会造成运动副摩擦磨损，甚至诱发滑阀滞卡现象，严重影响液压系统的正常工作。因此，研究滑阀间隙中固体颗粒的运移特性对揭示滑阀滞卡机理，提出滑阀抗污染方法，提高液压系统可靠性具有重要意义。　　本文以实验手段为主，结合理论分析和数值计算，探索单个固体颗粒在滑阀间隙模型中的运移特性。设计简化放大的可视化实验模型，搭建实验台，用高速摄像方法获得单固体颗粒的瞬时运动图像。　　理论方面，对滑阀间隙中固体颗粒的形貌进行等效参数化，分析滑阀滞卡机理，对滑阀间隙原型和实验模型中单个固体颗粒的受力进行分析和简化，得到两种情况下颗粒所受的主要作用力。简单介绍了COMSOL Multiphysics仿真软件，调用其中的流固耦合模块，选择移动网格法作为数值研究方法。　　数值模拟方面，计算单个正方形颗粒在滑阀间隙二维放大模型中的瞬时运动过程，发现颗粒在间隙中运动时发生了旋转现象，其运动轨迹上下波动，呈正弦线状分布；颗粒从间隙进入矩形均压槽时，卷入均压槽的流场漩涡中，绕均压槽壁面旋转运动，难以流出均压槽，颗粒自身也在旋转；均压槽大小对颗粒运动轨迹影响不大，均压槽形状对颗粒的运动轨迹有一定影响。　　实验方面，根据滑阀间隙原型结构研制放大的可视化实验模型，设计搭建单个固体颗粒在模型中运动的可视化实验台，设计制作1mm3的铝质金属颗粒，选择纯净水作为液相介质，用高速摄像方法获得单个颗粒在可视化模型中瞬时运动过程的清晰图像。实验结果表明：颗粒在间隙流场中翻滚前进，运动过程中发生了三维旋转现象，运动轨迹近似呈正弦状；多个颗粒进入矩形均压槽后，随着流场压力的建立，其运动轨迹有所变化；改变均压槽大小，对颗粒运动轨迹影响不大；改变均压槽形状，颗粒运动轨迹不同。　　结果表明固体颗粒在间隙流场中运动时发生了旋转现象，由于运动副表面微观形貌不规则，颗粒的旋转运动使其与配合间隙表面接触、摩擦，当阀芯动作时，有可能诱发滑阀滞卡。在不同条件下，颗粒会滞留在均压槽内或流出均压槽。这为探索固体颗粒滞卡滑阀机理提供了新的思路，为防止颗粒进入间隙，引导颗粒流出间隙，消除滑阀滞卡现象有重要意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 液压系统污染

1.1.2 滑阀滞卡现象概述

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滑阀滞卡的研究现状

1.2.2 固体颗粒运动特性研究现状

1.3 论文主要内容

第2章 滑阀间隙中固体颗粒运移的研究方法

2.1 固体颗粒运移的理论研究

2.1.1 滑阀间隙中固体颗粒形貌分析

2.1.2 固体颗粒滞卡滑阀理论机制

2.1.3 固体颗粒在液相流场中的受力分析

2.1.4 滑阀间隙中固体颗粒受力简化

2.1.5 实验条件下固体颗粒受力简化

2.2 固体颗粒在间隙流场运移的数值研究方法

2.2.1 数值研究方法的选择

2.2.2COMSOL Multiphysics软件简介

2.2.3 流固耦合模块介绍

2.3本章小结

第3章 滑阀间隙放大模型中单固体颗粒运移的数值模拟

3.1 放大模型的建立及计算条件设置

3.1.1 建立放大模型的必要性

3.1.2 滑阀间隙结构原型的简化

3.1.3 放大模型的建立

3.1.4 网格划分

3.1.5 计算条件的设置

3.2 放大模型间隙流域中单颗粒运动的计算结果及分析

3.2.1 单个敏感固体颗粒的运动特性

3.2.2 不同间隙高度对颗粒运动特性的影响

3.3放大模型均压槽中颗粒运动的计算结果及分析

3.3.1 矩形均压槽中单个颗粒的运动特性

3.3.2 不同大小均压槽的计算结果及分析

3.3.3 不同形状均压槽的计算结果及分析

3.4本章小结

第4章 滑阀间隙模型中单固体颗粒运移的可视化实验研究

4.1 实验台搭建

4.1.1 基本思路

4.1.2 可视化实验模型的研制

4.1.3 液相介质的选择

4.1.4 固体颗粒的制备

4.1.5 实验原理

4.1.6 实验台设计

4.1.7 图像采集系统

4.1.8实验参数

4.1.9 实验台介绍

4.2放大模型间隙流域中单颗粒运动的实验结果及分析

4.2.1 单个敏感固体颗粒的运动特性

4.2.2 不同间隙高度对颗粒运动特性的影响

4.3 放大模型均压槽中颗粒运动的实验结果及分析

4.3.1 矩形均压槽中单个颗粒的运动特性

4.3.2 不同大小均压槽的实验结果及分析

4.3.3 不同形状均压槽的实验结果及分析

4.3.4 多个颗粒的实验结果及分析

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的学术论文目录

附录B 专利申请情况

附录C 参与的主要科研项目与实践