王慧，席亚兵，王超，谢鑫

(辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000)

    摘  要：以传统安全阀的设计方法为基础，设计了一种新型的液压支架双极保护安全阀，介绍了它的组成结构和工作原理。利用FLUENT软件并且结合C++对这种新型的安全阀进行流场模拟，得到了阀道的压力分布、速度分布和速度矢量分布图。最终证实了压力和速度在截流口处都很容易产生生气穴、气蚀现象，为大流量超高压安全阀的设计与性能分析提供了依据。

    关键词：安全阀；双极保护；数值模拟。

    中图分类号：TD355  文献标志码：A文章编号：1003—0794(2009)12—0032—03

WANG Hui, XI Ya - bing, WANG Chao, XIE Xin

(Liaoning Technical University, Mechanical Institute, Fuxin123000, China)

Abstract: A new type of bipolar protection of relief valve of hydraulic support based on the design of the traditional method of relief valve was designed ,and the composition and working principle were introduced. Through flow field simulation for this new type of safety valve With FLUENT software as well as the use of C++, can obtain the valve road picture of pressure distribution, velocity distribution and velocity vector distribution in the closure of the mouth. Eventually confirmed that pressure and speed are easy to produce the phenomenon of cavitation. They provide a basis for design and property analysis of the valve on a series of important condusions.

Key words: relief valve; bipolar protection; numerical simulation

    目前液压传动已广泛应用于重工业、轻工业、农业和国防工业。为了保证各种设备在生产和工作过程中能更加安全可靠地正常运行，在液压控制系统中都必不可少地要装设安全阀，从而实现和保障各种设备的安全生产。

    众所周知计算机技术与计算流体动力学的发展，对阀的流场进行数值模拟在设计中受到重视。它不受模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，可有效缩短设计周期，降低设计费用而且通过这种数值模拟，可得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性，形象地再现流动状态等。

    研究保护安全阀的特性就是要获得最佳的性能，设计和制造出安全可靠的安全阀保护。本文拟以自行设计的液压支架双极保护安全阀为例．用CFD软件对其进行流场仿真分析．通过这种数值模拟，可得到流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性，形象地再现流动状态等。

    通过实际的工作经验和理论设计计算，设计了一种全新的液压支架双极保护安全阀，其设计流量参数为一级直动式流量50L／min、额定压力50MPa和二级差动式流量2000L／min、额定压力50MPa，主要有以下特点：流量大、压力高、节省材料、结构紧凑。其结构如图1所示。

    工作原理：当液压支架顶板压力突然升高时。支架立柱内液体压力升高，压力通过进液口作用在小阀芯和大阀芯上，当压力超过安全阀的小阀芯调定压力时，小阀芯在液体压力作用下被迫开启，压缩弹簧，此时小量液体实现了卸荷．但是当某种原因使压力突然升高到很高的压力，即使是小阀芯开启也不能瞬时卸荷压力，当达到大阀芯的开启压力时，大阀芯开启，使高压液体迅速从溢流孔流出，实现瞬时快速卸荷，从而保证液压支架的安全。

    为了更加直观地观察到阀体及其内部结构的装配关系，根据实际尺寸对双极保护安全阀进行Pro／E的三维建模，对其剖分可以得到相应的剖视图(见图2)。

    (1)数学描述

    整个流动过程用连续性方程、雷诺时均Navier—Stokes(简称N—S)方程描述。即用标准方程、湍动能k及湍动能耗率ε输运方程来封闭。

连续性方程为divU=0，即

雷诺时均N—S方程

标准k-ε模型

湍功能k的运输方程

湍功能耗散率ε的运输方程

    (2)建立模型

    由双极保护安全阀结构图可知，简化物理模型，把一些对系统影响很小的因素不考虑，得到流体在阀腔内的流动假定为二维流动，根据锥阀内流动对称性原理。只取流动区域的一半作为计算对象，利用FLUENT中的动网格技术结合VC++的开发环境，对阀芯开启过程和阀体内部的流场进行模拟仿真。可以得到阀内部流场的规律、特点。根据锥阀实际工作的情况，抽象得到二维对称区域的模型见图3。

    由于此安全阀为高压保护安全阀，首要关心的是安全阀的阀芯开口卸荷情况。经过分析计算可以知道大阀芯的最大开口量为4mm，因此。主要分析最大开口量为4mm时阀体中的流场情况，下面以开口量为4mm，入口压力为50MPa为例．显示阀芯及其内部流场的情况。

    从图4可以看出，在主阀卸流口附近有部分负压区，最小压力达到了-1.39e+08MPa，且压差越大负压区范围越大，在高压环境下越容易产生气穴、气蚀现象。气穴会使液压系统动态性能变坏，气蚀的反复作用常常使安全阀元件遭到破坏。因此在设计时应该注意负压区域的结构设计。

    为了更加清晰地看出阀体内部压力的变化情况，通过设置把压力云图转化成压力等值线图(见图5)，从图5中可以更加清晰看出在主阀芯附近处复杂的压力变化情况，通过分析可以知道压力曲线的变化情况，可以更加准确地通过改变结构来消除由于负压产生气穴、气蚀现象。

    从速度矢量图6可以看出，在阀体内部大部分区域的流速都是比较平稳的．只有主阀芯开口处的速度比较大，从左边的数字可以看出最大速度高达5.32e+02m／s，可见此处的液压冲击是比较大的，在结构设计时一定要注意阀芯处的强度和密封，避免事故的发生。

    从流线图7可以看出，在较大范围区域中的流线密度不是很大，说明相对来说速度不快，而在主阀芯的开口处，由于缝隙很小，产生了射流的情况，从彩色图中看，流线的密度很大，并且颜色也呈现了红素，说明那里的速度最大，在设计时应该注意主阀阀芯处的结构和强度的设计。

    经分析仿真结果图像表明，液压支架双极保护安全阀结构合理，设计流量大，灵敏度高。通过FLUENF的模拟，得到了阀体内部流场的压力、速度等参数，并且从图中可以看出主阀芯处的流场最为复杂，在设计时应该给予重视，该研究所用的方法和得到的一些重要结论，为进一步研究和设计液压支架用大流量安全阀提供了可靠的参考资料。

[1]苏尔皇．液压流体力学[M]．北京：国防工业出版社，2003．

[2]曾庆良．高压大流量安全阀特性分析与计算仿真[D]，1998．

[3]樊淑趁．液控单向阀动态特性的分析及试验研究[J]．煤矿机械，1994，15(2)：9—11．

[4]王勇．大流量安全阀试验系统模型对比分析[J]．煤矿开采，2007(2)：95—97．

[5]张建卓．基于功率键合图的大流量安全阀的仿真研究[J]，煤矿机械2008，29(12)：60—62．

[6]韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]．北京：北京理工大学出版社，2007．

[7]王福军．计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2008．

作者简介：王慧(1960一)，辽宁凌源人，教授，工学博士，主要从事二次调节控制系统、电液伺服控制系统以及智能控制方法在液压系统中的应用等方面的研究，电子信箱：wanghui9955@126.com．