高压大流量二通插装阀系列化研制及流场仿真综述

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高压大流量二通插装阀系列化研制及流场仿真综述

                                       流体机械及工程  张友亮  122080704002  指导教师：敏政 杨国来

摘要：高压、大流量的高端液压元件，我国完全依赖进口，特别是国外的大流量插装阀价格昂贵，且形成技术垄断。国内插装阀标准化常规产品最大通径可达DN160mm，推荐使用的最大流量为15000L/min，已不能满足国内大型锻压装备对高压大流量二通插装阀等关键功能部件的迫切需求。其已成为制约我国大型模锻压机、大型自由锻造液压机等大型机械集成控制成套技术及装备发展的瓶颈。开展高压大流量二通插装阀的技术攻关，对于打破国外技术垄断，填补国内技术空白，提升机械装备生产水平，都是十分必要和迫切的。

关键词：  插装阀   高压  大流量   仿真

一、研究现状：

国内研究现状：

目前，国内仍然大量使用基于引进七十年代技术的三大类板式液压控制阀，正面临从国外大量进口、以及二通插装阀技术及集成系统控制技术的快速发展，而逐渐处于被“边缘化”和“角落化”的困境。尽管依托国内制造业的快速增长，表面上仍然取得一定的地位，但实际情况还是令人担扰和深思。

我国液压工业虽取得了很大的进步，但与主机发展需求，以及和世界先进水平相比，还存在不少差距，主要反映在产品品种、性能和可靠性等方面。液压产品品种不足，缺少高性能的液压元件，可靠性较差。为了满足重点主机、进口主机备件以及重大技术装备的需要，每年都有大量的液压产品进口。

随着机械装备制造业的快速发展，高压、大流量的液压系统已成液压传动与控制应用领域的主流。作为装备制造产业核心部件之一的液压件，特别是高压大流量的高端液压元件，我国完全依赖进口，受制于人。这种现状已经影响到国家安全，和国家经济发展严重不相适应，制约着中国装备制造产业的发展，成为中国装备制造产业的一块“心病”。

目前，国内二通插装阀标准化常规产品DN16，DN25，DN32，DN40，DN50，DN63，DN80，DN100，DN125等，最大通径可达DN160mm，推荐使用的最大流量为15000L/min。

国外研究现状：

目前国外液压件制造企业大多数都生产历史悠久，企业的规模都相对较大，技术成熟、生产集中度高，品牌效应突出。液压件的发展随主机的发展而发展，同时液压件自身的发展反过来又促进主机的发展。典型代表有美国的派克(Parket)公司、伊顿威格士(Eaton-Vickers)公司、德国的博世力士乐(BOSCH-REXROTH)公司。BOSCH-REXROTH公司二通插装阀现状：最大通径到DN160通径。流量20000L/min；额定压力：35MPa；最高压力：42MPa。

近年来，越来越多的国外公司在中国设立独资公司或合资公司，专门从事产品贸易和加工制造。这些国外公司依托强大的技术实力和资金优势，在国内投资加工制造业，产品规模迅速扩大。而产品价格却并不比国内同行业价格高很多。可以预计，在不远的将来，这些外商独资、合资公司将对国内相关制造企业和市场资源形成强大的冲击和占领。如涉及液压行业的德国REXROTH公司、意大利ATOS公司等。

二、存在的问题：

目前，国内二通插装阀标准化常规产品最大通径(厂家样本提供的选型参数)可达DN160mm，推荐使用的最大流量为15000L/min，已不能满足国内大型锻压装备对高压大流量二通插装阀等关键功能部件的迫切需求。成为制约我国大型模锻压机、大型自由锻造液压机等大型机械集成控制成套技术及装备发展的瓶颈。

开展高压大流量二通插装阀的技术攻关，对于打破国外技术垄断，填补国内技术空白，提升机械装备生产水平，具有重大意义。

三、研究方法：

采用计算机虚拟仿真技术、电子液压技术、先进的检测技术、计算流体力学技术CFD等先进的设计理论及工具，具有良好的动态、静态性能。

应用MATLAB、LABVIEW、FLUENT、ANSYS等软件进行系统仿真设计、液压关键元件的流体力学分析计算，大大提高液压关键元件的设计成功率，保证系统稳定性、快速性和精确性。液压仿真软件HyPneu也成功用于流体动力系统设计。这些以大量的试验数据和实践经验为基础而发展起来的设计技术，相对于试验研究有其独特的优点，成本低，周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中所测数据状态，对于设计、改造液压系统及元件起到重要的指导作用。

关键技术研究和方法：

1）插装阀阀芯和阀套的结构设计

设计中充分利用现代设计理论及工具，设计主体结构。基于我国目前材料及制造工艺水平状况，运用计算流体力学技术CFD和基于产品寿命的现代优化设计方法，采用有限差分法和边界元法对插装阀的层流流场和流道能量损失机理进行研究，进行插装件结构的创新设计。利用CAD、CAE技术，对大流量二通插装阀主体结构进行优化，对关键部件及关键部位进行应力、变形分析以及寿命分析，整体进行模态分析，使插装阀能够在强度、刚性、寿命等方面充分满足要求。准确评价整体或关键部分的功能和性态，设计合理面积比，以适应开启压力要求。采用有限差分法和边界元法对插装阀的层流流场和流道能量损失机理进行研究，分析主阀压差—流量增益特性的决定因素，合理设计阀芯的尾部结构和开口形状，优化结构参数。采用计算流体力学技术CFD研究不同配合形式的阀芯、阀套的几何形状，对油液流经阀口时的状况以及流经阀口后的射流角的影响，分析流量系数和稳态液流力的差异，合理设计阀芯、阀套的配合结构。

2）材料可行性分析

根据新材料、新工艺的发展动向，研究高压大流量二通插装阀的加工材料。分析对比国内外液压元件制作材料，分别对45号钢、40Cr、20Cr、65Mn等实验材料进行分析，锻件采用精密模锻技术，提高锻造精度，减少切削量，强化材料。利用CAD、CAE技术进行应力、变形以及寿命的结构有限元分析，对阀芯和阀套间的耦合刚度进行研究，合理选取主阀制造材料，灵活修改设计方案。

3）高压液压元件的测试技术：

参考JB/T 10414-2004液压二通插装阀试验标准，建造电液一体化试验台。采用虚拟仪器技术，以LABVIEW软件为平台，结合组合式多功能一体化液压试验台，开发一套计算机辅助测试系统，依照GB/T 15623.2-2003、JB/T 10414-2004对液压元件的试验要求，使该系统满足高压大流量二通插装阀验证性试验的测试要求。并且，整套试验系统具有较好的通用性、灵活性和扩展性，为插装阀的开发设计提供了一个良好的技术平台。对DN160-DN200的高压大流量二通插装阀重点进行额定压力试验，锥形阀口的密封性试验等试验。根据测试试验结果，改进结构设计，通过部件相似结构、相似性能特点的相似原理推论DN160-DN200的高压大流量二通插装阀的合适流量，在产品部件设计中实现相似理论指导设计与性能试验技术的有效结合。设计、试验阶段完成后，把大流量二通插装阀直接应用到大型设备，设备

运行中的相关数据可以验证有关相似理论设计与性能试验技术的有关理论，完善理论基础，形成一般方法，推广到同类产品的改进设计。

4) 机电液一体化试验台的开发

采用虚拟仪器技术，以LABVIEW软件为平台，结合组合式多功能一体化液压试验台，开发整套试验集成系统。利用液压虚拟实验室HyPneu仿真软件分析试验台设计方案的可行性和可靠性，对设计方案进行优化。参考JB/T10414-2004液压二通插装阀试验标准以及相似理论，对插装阀进行启闭特性试验及特性分析，使该系统满足大流量二通插装阀验证性试验的测试要求。

四、总结

研究目标：

通过3年攻关学习，研制出具有良好的动态、静态特性，额定压力35MPa，最高压力42MPa，推荐使用流量可达20000－25000L/min的DN180等通径大流量二通插装阀及其流场仿真，解决部件设计和制造中的核心技术，使其成功用于锻压机等大型机械制造装备的液压集成控制系统，满足我国大型模锻压机、大型自由锻造液压机、大型机械装备建设运行对二通插装阀关键功能部件的迫切需求。

研究进展：

目前，已初步完成DN180通径液压二通插装阀元件材料选择、结构建模。正在进行元件流场仿真分析，以优化结构设计。

研究意义：

开发出具有完全自主知识产权的高压大流量二通插装阀，达到甚至在某些指标上超过国外同类产品，能够填补国内该领域的技术空白。进而使我国对高压大流量二通插装阀的需求上，不再受国外厂家的技术和价格垄断，具有显著的经济效益。

提高我国对高压大流量二通插装阀元件产品的自主设计、制造和技术攻关能力。在此基础之上，根据主机的实际工况和个性化需求，有针对性地开发最能适应主机用户需求的产品，努力打造中国液压产品的国际知名品牌开发国际先进的二通插装阀试验平台，提升我国液压工程技术的科技研发实力，创造自己的品牌，从而优化中国液压机械装备的生产技术和制造水平，提高液压产品的国际市场竞争力。

注：本文源于国家科技重大专项（2012--2015），成员单位：北京机械工业自动化研究所、北京理工大学、济南铸造锻压机械研究所、中航力源液压等。

张友亮，山东菏泽人，助理工程师，主要从事液压二通插装阀元件设计及系统集成。

流体机械及工程，122080704002