大流量安全閥設(shè)計(jì)

1、目錄前言（或引言）11安全閥41.1安全閥的基本特征41.1.1安全閥的定義41.2安全閥的工作原理及分類41.2.1安全閥的工作原理41.2.2安全閥分類及結(jié)構(gòu)51.3安全閥的優(yōu)缺點(diǎn)61.3.1安全閥的特點(diǎn)61.3.2柱塞式安全閥71.3.3平面式安全閥72.安全閥的設(shè)計(jì)72.1安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.2 參數(shù)計(jì)算82.2.1安全閥的的關(guān)閉壓力，開啟壓力和排放壓力82.2.2卡套尺寸82.2.3壓力損失102.2.4彈簧的選擇112.2.5閥芯的設(shè)計(jì)162.2.6密封的設(shè)計(jì)172.2.7螺紋的設(shè)計(jì)202.2.8 阻尼器的設(shè)計(jì)233.安全閥的建模293.1 安全閥的數(shù)學(xué)模型293.2 流過阻尼孔

2、的流量方程313.3流過小阻尼孔的流量方程線313.4.閥腔及柱腔的流量連續(xù)方程313.5.立柱活塞的受力平衡方程324.安全閥的仿真334.1 仿真的概念334.2 計(jì)算機(jī)仿真334.3 仿真的作用334.4 仿真算法344.5計(jì)算機(jī)仿真的一般過程344.6 simulink 簡介354.7安全閥的simulink仿真365 結(jié)論40附錄a （左頂格，黑體二號、西文a等為times new roman）42前言（或引言）在地下煤炭的綜合機(jī)械化開采中，常常由于頂板沖擊使液壓支架遭受破壞。尤其是在堅(jiān)硬難冒頂板條件下，除了采取提高支架強(qiáng)度，頂板注水軟化和強(qiáng)制放頂?shù)却胧┩?，更為有效的辦法是將液壓支架

3、設(shè)計(jì)成抗沖擊型的，液壓支架的抗沖擊性能主要取決于立柱的抗沖擊性能，對其進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，并在其上面配置大流量安全閥，蓄能器以及其它一些元件，構(gòu)成液壓支架的抗沖擊保護(hù)裝置，其系統(tǒng)原理如圖所示。圖1 抗沖擊保護(hù)裝置系統(tǒng)原理fig.1 shock resistance protecting device system principle有關(guān)液壓支架抗沖擊保護(hù)裝置的研究，早在七十年代，國外象原西德和捷克等國都已取得許多成果，并已獲得多項(xiàng)專利權(quán)。而我國只是近幾年才開始研究，盡管在實(shí)際應(yīng)用中也已取得許多問題，有待進(jìn)一步加以解決。本文將對抗沖擊保護(hù)裝置的大流量安全閥進(jìn)行設(shè)計(jì)。在頂板塌落的條件下,液壓支架往往受到

4、沖擊載荷的作用,液壓支架必須具有與這種頂板相適應(yīng)的工作阻力特性,這要求支架除了具有必要的高強(qiáng)度和高工作阻力外,還特別需要具有承受沖擊載荷和快速卸載讓壓的動態(tài)性能。在這類頂板條件下的液壓支架上配置以大流量安全閥為核心的抗沖擊保護(hù)裝置,是有效抑制頂板沖擊對支架的破壞,提高煤炭生產(chǎn)安全可靠程度的有效途徑。大流量安全閥工作狀態(tài)表現(xiàn)為瞬變過程,其特點(diǎn)是反映靈敏、流量大。當(dāng)出現(xiàn)沖擊載荷時,大流量安全閥可以在幾毫秒內(nèi)開啟并排走相當(dāng)大的流量,把沖擊載荷迅速降到支架可以承受的范圍內(nèi),在沖擊載荷過后,能夠立即關(guān)閉,以限制降柱。因此大流量安全閥的動態(tài)性能是能否實(shí)現(xiàn)有效沖擊過載保護(hù)的關(guān)鍵所在。在設(shè)計(jì)抗沖擊保護(hù)裝置時應(yīng)

5、注意幾個問題：1. 立柱應(yīng)采用活柱充液式結(jié)構(gòu)；2. 在立柱內(nèi)靠近沖擊源處應(yīng)設(shè)置大流量安全閥；3. 普通安全閥應(yīng)避免采用集中控制方式；4. 大流量安全閥與普通安全閥之間應(yīng)閉鎖5. 在活柱內(nèi)裝設(shè)蓄能器液壓支架抗沖擊保護(hù)裝置從結(jié)構(gòu)上看似簡單，但其工作條件極其復(fù)雜和特殊，要想設(shè)計(jì)出適應(yīng)各種條件，性能優(yōu)良的裝置十分困難，因此它不是簡單的靜態(tài)設(shè)計(jì)所能解決的，而需要整個裝置連同相關(guān)部分作為一個整體系統(tǒng)，對其進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)。以下是對大流量安全閥的設(shè)計(jì)：1安全閥本章重點(diǎn)在于對大流量安全閥的基本特征進(jìn)行分析，研究不同類型各自的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究安全閥工作機(jī)理，最后分析各種安全閥的優(yōu)缺點(diǎn)。1.1安全閥的基本特征1.1.

6、1安全閥的定義安全閥(safety valve)：安全閥類的作用是防止管路或裝置中的介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值，從而達(dá)到安全保護(hù)的目的。 安全閥是一種安全保護(hù)用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高，超過規(guī)定值時自動開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值。安全閥屬于自動閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過規(guī)定值，對人身安全和設(shè)備運(yùn)行起重要保護(hù)作用。1.2安全閥的工作原理及分類1.2.1安全閥的工作原理安全閥從開始開啟到排放以及從全開又回到關(guān)閉的整個過程中,隨閥瓣開啟高度的變化,彈簧載荷的大小亦在不斷變化,也就是說,彈簧載荷力是隨

7、閥瓣開啟高度的變化而變化。根據(jù)閥瓣所承受載荷力的變化,安全閥的整個動作過程可以分為四個階段來描述。(1)密封狀態(tài)安全閥在正常工作情況下,閥瓣上所承受的彈簧力等于或大于介質(zhì)力與密封力之和。即q2q1+q3,q1為介質(zhì)力,q2為彈簧力,q3為密封力,見圖1所示。圖1彈簧式安全閥受力示意圖當(dāng)彈簧力與介質(zhì)力之差等于或大于閥瓣與閥座密封面之間的密封力時,這個力在密封面上所產(chǎn)生的比壓力,保證了閥門的密封性,因而此時的安全閥處于密封狀態(tài)。(2)泄漏狀態(tài)當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)中介質(zhì)壓力因某種原因升高而達(dá)到某一數(shù)值時,使彈簧力與介質(zhì)力之差小于密封力。即q2-q1q2時,安全閥的閥瓣開始上升并達(dá)到某一可測的高度;介質(zhì)開始呈

8、連續(xù)的氣流排出;此時閥的狀態(tài)稱為開啟;閥前壓力稱為開啟壓力。當(dāng)介質(zhì)壓力進(jìn)一步增大到某一數(shù)值時,閥瓣完全打開,并達(dá)到額定的開啟高度,這時閥的狀態(tài)稱為排放;閥前壓力稱為排放壓力。(4)回座狀態(tài)隨著安全閥的排放,系統(tǒng)內(nèi)多余的介質(zhì)被排出,介質(zhì)壓力開始逐漸下降,介質(zhì)力也隨之減小。當(dāng)彈簧力與介質(zhì)力之差大于密封力即q2-q1q3并達(dá)到某一規(guī)定值時,閥瓣在彈簧力推動下,自動關(guān)閉,介質(zhì)停止排出。這時的狀態(tài)稱回座;閥前壓力稱為回座壓力。隨后,被保護(hù)系統(tǒng)又恢復(fù)正常工作壓力,安全閥亦恢復(fù)到第一階段的密封狀態(tài)。1.2.2安全閥分類及結(jié)構(gòu)安全閥分類有以下三種:(1)按工作原理分類(a)直接作用式,是直接用機(jī)械載荷如重錘，

9、杠桿加重錘或彈簧來克服由閥瓣下介質(zhì)壓力所產(chǎn)生作用力的安全閥。這種安全閥具有反應(yīng)敏捷、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等優(yōu)點(diǎn)。重錘式安全閥施加載荷力的重錘直接作用在閥瓣上。當(dāng)介質(zhì)力小于重錘力時,閥為關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)介質(zhì)力大于重錘力時,閥呈開啟狀態(tài),當(dāng)介質(zhì)力與重錘力平衡時,閥保持原狀態(tài)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,但對振動較敏感,不適用于運(yùn)動系統(tǒng),而且其載荷力不隨開啟高度而變化,因此回座性能差。(b)帶動力輔助裝置式,該安全閥借助一個動力輔助裝置,可以在低于正常的開啟壓力下開啟。(c)間接作用式,又稱先導(dǎo)式,即依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來驅(qū)動或控制的安全閥,見圖9。這種安全閥通常是由主閥與輔助裝置組成,當(dāng)系統(tǒng)超壓時,先是輔助裝

10、置動作,而主安全閥則是在輔助裝置所排出的介質(zhì)力作用下而開啟。其特點(diǎn)是主閥口徑的大小不受彈簧加工的限制,而且又可依靠介質(zhì)自身壓力達(dá)到密封效果做成“自密封型”,故具有良好的密封性。但工作可靠性不如直接作用式,并有動作延遲現(xiàn)象以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工成本高,安裝尺寸大等缺點(diǎn),因此,大都使用于高壓流量或有變動背壓等場合。(2)按閥瓣開啟高度分類(a)全啟式。這種安全閥其閥瓣開啟高度等于或大于閥座喉部直徑的 ,具有動作敏捷、排放量大等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于氣體介質(zhì)的系統(tǒng)上。(b)微啟式。這種安全閥其閥瓣開啟高度為閥座喉部直徑的1/201/40,在開啟與回座過程中閥瓣無突跳和突關(guān)動作,系統(tǒng)中的壓力不會由此而引起

11、劇烈的波動,因而適用于液體介質(zhì)的系統(tǒng)中。(3)按結(jié)構(gòu)不同分類(a)封閉彈簧式安全閥,。一般易燃易爆或有毒介質(zhì)應(yīng)選用封閉式,而蒸汽或惰性氣體等可選用不封閉式。(b)帶扳手安全閥。扳手的作用主要是檢查閥瓣的靈活程度,有時也可用作緊急泄壓用。(c)帶散熱片的安全閥。這種安全閥在其閥體和彈簧蓋之間設(shè)置若干散熱片,有的結(jié)構(gòu)還設(shè)有使彈簧腔與高溫介質(zhì)隔離的特制軸套,可以防止介質(zhì)直接沖刷彈簧,并降低彈簧腔室的溫度,以防止因彈簧溫升過高而影響閥門的動作與密封性能,介質(zhì)溫度大于300時應(yīng)選用帶散熱片的安全閥。(d)波紋管安全閥。這種安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在閥瓣與中法蘭擋板之間焊有金屬波紋管。其主要作用有二種,一是用于

12、平衡附加背壓對閥門開啟壓力的影響,二是可使用在腐蝕性介質(zhì)場合。波紋管的內(nèi)外腔室是處于密封隔離狀態(tài),其外腔室與排放介質(zhì)相通,而內(nèi)腔室則與彈簧相通。因而,當(dāng)安全閥排放時,能有效地防止腐蝕性介質(zhì)沖刷彈簧與外溢。1.3安全閥的優(yōu)缺點(diǎn)1.3.1安全閥的特點(diǎn)安全閥是受壓設(shè)備或管路上作為超壓保護(hù)的裝置,當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到超過允許值時,閥門開啟,全量排放泄壓,以防止壓力繼續(xù)升高,當(dāng)壓力降低到規(guī)定值時,閥門及時關(guān)閉,從而保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以安全閥的選型及計(jì)算是否正確直接關(guān)系到設(shè)備乃至人身的安全。1.3.2柱塞式安全閥液壓支架中超過額定壓力的液體，推動柱塞移動，柱塞的溢流孔通過“o”形圈以后，超高壓的液體從孔中

13、噴出卸壓，卸到額定壓力時，彈簧將柱塞推回原位。缺點(diǎn)：1.“o”形圈易被煤粒拉傷，導(dǎo)致密封滲漏，抗煤粒性差，壽命低。2.閥的開，閉靈敏度差3.要求精度高，加工困難，檢修困難1.3.3平面式安全閥液壓支架中超過額定壓力的液體，推動密封件與導(dǎo)向體移動，因此密封件的表面與閥座的密封面離開，超高壓的液體從離縫中噴出卸壓， 卸到額定壓力時，彈簧將密封件與導(dǎo)向體推回原位。 而且具有以下缺點(diǎn)：1.扯斷強(qiáng)度低，不耐沖刷2.屬于單級密封，閥的起落高度不能開大，開大后密封被沖刷變形或被沖走。2.安全閥的設(shè)計(jì)本章將在前一章研究安全閥的基礎(chǔ)上，進(jìn)行安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算。 2.1安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖2.1 閥的開啟

14、狀態(tài)fig.2.1 the valve opening state1.閥結(jié)構(gòu)主要由卡套，閥芯，擋環(huán)，彈簧，閥殼，閥套，調(diào)壓桿組成；2.閥芯采用差動式結(jié)構(gòu)，可承受更大的開啟壓力；3.閥芯與調(diào)壓桿形成阻尼結(jié)構(gòu)，可減小自振頻率，有效的吸收沖擊能量；2.2 參數(shù)計(jì)算2.2.1安全閥的的關(guān)閉壓力，開啟壓力和排放壓力管路工作壓力(p)：32mpa關(guān)閉壓力(-0.3-0.1p):22.428.8mpa開啟壓力(+0.1+0.3p):35.242.6mpa排放壓力(+0.25p):40mpa2.2.2卡套尺寸圖2.2 卡套結(jié)構(gòu)fig.2.2 card cover structure采用標(biāo)準(zhǔn)系列，設(shè)計(jì)給定流通直

15、徑d0=20mm，流道面積a=314mm（圖2.2）則公稱通徑dn=25mm;m為m422(mm);d的基本尺寸為;d1為37mm;d2為39mm;h的基本尺寸為;b為5mm;c為2mm; 2.2.3壓力損失圖2.3fig.2.3圖2.4fig.2.4局部壓力損失： （21）式中：v液體流動速度，一般指局部阻力下游處的速度；液體密度；g重力加速度； 局部阻力系數(shù)，該系數(shù)的值一般需通過實(shí)驗(yàn)來確定；局部壓力損失；安全閥排量設(shè)計(jì)給定為320l/min局部壓力損失可忽略不記2.2.4彈簧的選擇圖2.5 壓縮彈簧fig.2.5 compress spring計(jì)算閥芯所受力f;.選擇材料和確定許用應(yīng)力根據(jù)

16、彈簧所受載荷特性及要求選擇材料為60si2mnwa，強(qiáng)度高，彈性好許用應(yīng)力可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取按ii類載荷的彈簧考慮：其中許用應(yīng)力;切變模量g=80000mpa;彈性模量e=200000mpa;硬度范圍4752hrc;使用溫度-40250.選擇旋繞比根據(jù)表初步選取旋繞比c=6；.計(jì)算鋼絲直徑計(jì)算鋼絲直徑的公式為 （22）所受為動載荷，則則d=6.9根據(jù)表選取d=7mm;.確定彈簧有效圈數(shù)n圖2.6 圓柱螺旋壓縮彈簧特性曲線fig.2.6 column helix compression spring characteristic property curve最大變形量，根據(jù)圖2.6， （23）故彈簧的

17、有效工作圈數(shù)n取兩端支撐圈故總?cè)?shù)(5).彈簧的幾何尺寸計(jì)算中徑 外徑 內(nèi)徑 節(jié)距 圓整 軸向間隙 自由高度 螺旋升角 極限變形量 (6).彈簧的驗(yàn)算圖2.7 圓柱螺旋壓縮彈簧的應(yīng)力分析fig.2.7 column helix compression spring strain analysis圖2.8 圓柱螺旋壓縮彈簧的受力（1）fig.2.8 column helix compression spring accepting strenuously(1)圖2.9 圓柱螺旋壓縮彈簧的受力（2）fig.2.9 column helix compression spring accepting

18、strenuously(2)1.彈簧的穩(wěn)定性計(jì)算壓縮彈簧的高徑比比較大，當(dāng)載荷f達(dá)到一定值，就會發(fā)生較大的側(cè)向彎曲，喪失穩(wěn)定。為了避免失穩(wěn)現(xiàn)象，一般壓縮彈簧的高徑比b按下列情況選?。?.當(dāng)兩端固定時，取b5.3;2.當(dāng)一端固定時，另一端自由轉(zhuǎn)動時，取b3.7；3.當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，取b103時，應(yīng)進(jìn)一步做疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算。彈簧在變載荷作用下的最大和最小剪應(yīng)力和分別為：彈簧的疲勞強(qiáng)度條件為安全系數(shù)s滿足式中彈簧材料的脈動剪切疲勞極限s許用安全系數(shù)，當(dāng)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算和材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高時，取1.31.7，當(dāng)準(zhǔn)確性低時。取1.82.2。經(jīng)計(jì)算，達(dá)到疲勞強(qiáng)度的要求。3.振動驗(yàn)算承受變載荷的圓柱螺旋彈簧

19、常是在加載頻率很高的情況下工作。為了避免引起彈簧的諧振而導(dǎo)致彈簧的破壞。需對彈簧進(jìn)行振動驗(yàn)算，以保證其臨界工作頻率（即工作頻率發(fā)許用值）遠(yuǎn)低于其基本自振頻率。圓柱螺旋彈簧的基本自振頻率為式中: 彈簧的剛度彈簧的質(zhì)量2.2.5閥芯的設(shè)計(jì)1.閥芯的角度設(shè)計(jì)閥芯的角度只于比值有關(guān)，這里為閥芯和閥孔之間的徑向間隙。根據(jù)理論分析得 (24)圖2.10關(guān)系曲線fig2.10 concern a curve圖中所示曲線為角和與之間的關(guān)系曲線，它表明在上式中存在一條的漸進(jìn)線，當(dāng)然也存在一條的漸進(jìn)線。當(dāng)閥芯角度取到時，可達(dá)到最理想的效果，使閥芯的振動減為最小。2.閥芯材料的選擇閥芯材料的選擇為其力學(xué)性能在時為：

20、抗拉強(qiáng)度極限屈服極限比例極限材料彈性系數(shù)其許用應(yīng)力在時為：許用壓應(yīng)力許用拉應(yīng)力許用扭應(yīng)力許用剪應(yīng)力許用合成應(yīng)力所以可以滿足設(shè)計(jì)的需要。2.2.6密封的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中采用擠壓式密封，擠壓式密封靠密封圈安裝在槽內(nèi)預(yù)先被擠壓，產(chǎn)生壓緊力，工作時又靠介質(zhì)壓力擠壓密封環(huán)，產(chǎn)生壓緊力，封閉密封間隙，達(dá)到密封的目的。“o”圈密封結(jié)構(gòu)緊湊。所占空間小，動摩擦阻力小，拆卸方便，成本低。用于往復(fù)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。密封壓力從的真空到的高壓，溫度達(dá)。線速度為。1.o型橡膠密封圈尺寸及公差圖2.111）.，2）.，3）.，2.密封溝槽尺寸圖2.12圖2.13內(nèi)徑為，截面直徑時，最小導(dǎo)向長度，槽底圓角半徑，槽棱圓角半徑內(nèi)徑為，截面

21、直徑時，最小導(dǎo)向長度，槽底圓角半徑，槽棱圓角半徑內(nèi)徑為，截面直徑時，最小導(dǎo)向長度，槽底圓角半徑，槽棱圓角半徑3.溝槽各表面的表面粗糙度表21溝槽各表面的表面粗糙度tab.21 grooves every surface surface harshness表面應(yīng)用情況表面粗糙度溝槽的底面和側(cè)面動密封1.6（0.8）6.3（3.2）配合表面0.41.6倒角表面3.212.54.溝槽尺寸公差表22溝槽尺寸公差tab.22 groove dimensions common differences溝槽尺寸o型圈截面直徑3.555.30缸內(nèi)徑活塞密封溝槽槽底直徑總公差活塞桿直徑活塞桿密封溝槽槽底直徑總公差

22、+0.0800-0.060.14-0.03-0.09+0.0800.14+0.0900-0.070.16-0.03-0.10+0.0900.165.o形橡膠密封圈用擋圈圖2.14 o形橡膠密封圈用擋圈fig.2.14 the o shape rubber sealing washer uses an antiextrusion ring表23 o形橡膠密封圈用擋圈tab.23 the o shape rubber sealing washer uses an antiextrusion ring外徑d2厚度t極限偏差使用范圍材料td2動密封靜密封20521.251.50.10.12-0.14-

23、0.20+0.14+0.20時?？稍趏形圈承壓面設(shè)置擋圈，單向受壓設(shè)一個擋，雙向受壓，設(shè)置兩個時，不設(shè)擋圈；時，可在承壓面設(shè)置擋圈聚四氟乙烯，硬度 2.2.7螺紋的設(shè)計(jì)1.螺紋的選擇圖2.15 細(xì)牙普通螺紋計(jì)算參數(shù)fig.2.15 thin average tooth thread calculates a parameter表24 細(xì)牙普通螺紋計(jì)算參數(shù)tab.24 thin average tooth thread calculates a parameter 螺紋公稱直徑和螺距螺紋力臂單牙螺紋受擠壓面積單牙螺紋受剪面積單牙螺紋斷面系數(shù)螺桿螺母螺桿螺母0.4870.651.7322.0042

24、.7413.1812.8603.3000.07920.09250.08350.09612.許用應(yīng)力表25 45號鋼的許用應(yīng)力tab.25 45 numbers steel strain材料牌號連接螺紋在載荷下擰緊無載荷下擰緊45902401701023.螺紋強(qiáng)度的驗(yàn)算圖2.16 連接螺紋fig.2.16 linking thread表26 強(qiáng)度驗(yàn)算tab. 26 intensity checking calculation序號名稱符號式中符號公式單位1擠壓應(yīng)力2密封面上的密封力n3密封面內(nèi)徑52/62mm4密封面寬度3mm5密封面必須比壓6計(jì)算螺紋圈數(shù)7計(jì)算高度h10mm8螺距p2mm9單牙螺

25、紋受擠壓面積10螺紋直徑52/62mm11螺紋內(nèi)徑50/60mm12螺紋間隙mm13剪應(yīng)力mpa14單牙螺紋受剪面積mm15彎曲應(yīng)力mpa16力臂0.325pmm17單牙螺紋斷面系數(shù)1.內(nèi)徑52處的驗(yàn)算結(jié)果2.內(nèi)徑62處的驗(yàn)算結(jié)果2.2.8 阻尼器的設(shè)計(jì)1微流體的滑流邊界條件與粘度修正方法對于微尺度氣流,稀薄氣體效應(yīng)的重要性通常用kn表征:kn=/lc,其中:為氣體分子平均自由程;lc是流動特征長度.根據(jù)kn數(shù)的大小將流動劃分為4個區(qū)域:(1).kn0.01,連續(xù)流區(qū);(2).0.01kn0.10,滑流區(qū);(3).0.10kn10.00,過渡區(qū);(4).kn10.00,自由分子流區(qū).在滑流區(qū)中

26、,氣體會在固體壁面發(fā)生滑移現(xiàn)象,即氣體流速不為零,引入了滑移邊界條件.對于微尺度中的液體來說,當(dāng)特征長度lc在納米尺度范圍時,在固體壁面也會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.由于滑移現(xiàn)象的出現(xiàn),使得微流體的流動特性不同于宏觀尺度下的流動,主要表現(xiàn)在流速、流量和流阻3個方面.由壓力梯度推動的管、縫隙中的不可壓縮粘性流體的流動稱為泊肅葉(poiseuille)流動.圖2.17微縫隙流動示意圖fig.2.17 sketch map of micro-gap flow圖2.18所示的微縫隙中的恒定流動,y方向?yàn)闊o窮長,流動為二維的,其流動控制方程為 (25)微縫隙流的滑流邊界條件為 (26)其中:為流體動力粘度;l為微縫

27、隙的長度;h為縫隙高度;為微縫隙中流體的滑移長度;u為流體流速;p流體壓強(qiáng);和分別為微縫隙入口、出口的流體壓強(qiáng);壓強(qiáng)差=-圖2.18微縫隙流動示意圖fig.2.18 sketch map of micro-channel flow圖2.19給出了圓柱坐標(biāo)系下壓力梯度推動下的微管道流動示意圖,其流動控制方程為 (27)對于微流體來說,考慮速度滑移的邊界條件 (28)其中:r為微管道半徑;r為微管道外徑;為微管道中流體的滑移長度.考慮到流動的對稱性以及式(2)和式(4)的邊界條件,分別對式(1)和式(3)積分,可以得到微縫隙和微管道流動的計(jì)算公式,如表1.表1中b為微縫隙的寬度,和分別為微縫隙流和

28、微管道流的等效粘度: （29） （210）表1中的流量、平均流速和壓降的計(jì)算公式,分別與宏觀尺度下流體在縫隙中和管道中流動的公式形式完全相同.不同之處在于在微流體情況下,采用等效粘度系數(shù)和替代了宏觀尺度下的粘度.因此,通過修正流體的粘度,就可以采用宏觀尺度(具有固壁邊界條件)下的公式計(jì)算具有滑流邊界條件的微縫隙和微管道的流量、平均流速和壓降. 表27微縫隙流和微管道流的計(jì)算公式tab.27 fonnulas for m icro-gap flow and micro-channel flow通道類型流速分布u流量q平均流速 u壓降p微縫隙微管道2. 中心開孔圓盤的擠壓流動分析圖2.19中心開孔

29、圓盤示意圖fig.2.19 sketch map of a perforated disk with a centre hole中心開孔圓盤平行于一固定平板，并沿軸向以速度向固定平板運(yùn)動；圓盤內(nèi)徑為，外徑為，厚度為圓盤與固定平板間夾有厚度為的流體薄膜，流體受到擠壓，縫隙空間減少，迫使一部分流體由中心孔擠壓流出，流體在中心孔中滑動，對圓盤運(yùn)動產(chǎn)生滑膜阻尼力。 由于中心孔的出流量與流體薄膜邊緣的出流量都不為零，流體薄膜中靠近中心孔的流速與靠近邊緣的徑向流速相反，從而存在一個流量為零的圓柱面，假定通過半徑為的圓柱面流量為零，此圓柱面壓強(qiáng)應(yīng)該為最大，并假定其壓強(qiáng)為時，流體薄膜中的壓強(qiáng)為時，流體薄膜的壓

30、強(qiáng)等于外界環(huán)境壓強(qiáng)，將任意半徑處的一個微圓環(huán)形縫隙，展開成長度為，寬度為，高度為的微縫隙，表1中中微縫隙流量公式中的壓力下降率可換為,可得半徑為r的圓柱面的流體擠壓出流量為 （212）圓盤以v0運(yùn)動排開的流量為.設(shè)流體不可壓縮,擠出流量等于排開流量,壓力梯度 （213）邊界條件為r=r0,p=p0.對式(6)積分,得此時圓盤下表面的壓強(qiáng)分布為 （214）假設(shè)中心孔的流體流動為泊肅葉流動.若存在滑移,根據(jù)表1,中心孔中流體的流量為 （215）當(dāng)r與l相差不大時,中心孔等效長度為,又因?yàn)?因此 （216）式(7)和(9)聯(lián)立可得 （217）圓盤受到的阻尼力為 （218）其中f為由上下環(huán)狀面的壓強(qiáng)差

31、產(chǎn)生的壓膜阻力, （219）壓膜阻尼系數(shù) （220）f為中心孔中流體產(chǎn)生的滑膜阻尼力, （221）滑膜阻尼系數(shù) （222）式(11)(13)聯(lián)立可得 （223）最后可以得到總的阻尼系數(shù) （224）3.阻尼器的計(jì)算過程及結(jié)果水的動力黏度為由（29），（210）可得由（222）可得由（220）可得最后可以得到總的阻尼系數(shù)3.安全閥的建模3.1 安全閥的數(shù)學(xué)模型圖3.1安全閥的數(shù)學(xué)模型fig3.1 the relief valve mathematic model如圖3.1由安全閥簡化的機(jī)械諧振系統(tǒng)由質(zhì)量，阻尼和彈性負(fù)載組成，根據(jù)牛頓定律，他它可用下述方程描述： （31）式中 m運(yùn)動物體的質(zhì)量c阻尼

32、系數(shù)；k彈簧剛度；物體位移；外作用力。線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 （32）帶入前文計(jì)算所得數(shù)據(jù)可得：（33）流過閥口的流量方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 （33）式中：流量增益, （34）式中閥口流量系數(shù)閥口的平均直徑x閥口的開口量,mp1閥入口處的壓力, pa液體的密度,kp流量壓力系數(shù), （35）式中,p10工作點(diǎn)上的數(shù)值。3.2閥芯的受力平衡方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 (36)式中等效阻尼系數(shù), ns/m (37)等效彈簧剛度, n/m (38)等效作用面積, (39)閥芯的質(zhì)量,kg閥芯運(yùn)動時的阻尼系數(shù), ns/mk氣體彈簧的等效剛度, n/m閥入口面積,差動腔壓力, pa差

33、動腔面積, kv當(dāng)量系數(shù),m (310)cv流速系數(shù)3.2 流過阻尼孔的流量方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 (311)式中小阻尼孔的特征系數(shù), (312)n小阻尼孔的個數(shù)小阻尼孔的直徑,m小阻尼孔的長度, m液體的動力粘度, c入口層流修正系數(shù)3.3流過小阻尼孔的流量方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 (313)式中差動腔的容積,液體的容積彈性模數(shù),3.4.閥腔及柱腔的流量連續(xù)方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 (314)式中立柱活塞的面積,柱腔的容積,y立柱的下降量,m3.5.立柱活塞的受力平衡方程線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 (315)式中活柱及運(yùn)動部件的質(zhì)量,kg當(dāng)量粘性系數(shù),ns/mt頂

34、板對支架立柱的沖擊力,n考慮到為立柱的下降速度,式(5)與式(6)可變?yōu)?(316) (317)4.安全閥的仿真4.1 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的系統(tǒng)仿真涉及相似論、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)工程理論、數(shù)值計(jì)算、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、時間序列分析等多種學(xué)科。 相似性原理是仿真主要的理論依據(jù)。所謂相似，是指各類事務(wù)或?qū)ο箝g存在的某些共

35、性。相似性是客觀世界的一種普遍現(xiàn)象，它反映了客觀世界不同事物之間存在著某些共同的規(guī)律。采用相似性技術(shù)建立實(shí)際系統(tǒng)的相似模型就是仿真的本質(zhì)過程。 4.2 計(jì)算機(jī)仿真 計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)。在沒有計(jì)算機(jī)以前，仿真都是利用實(shí)物或者它的物理模型來進(jìn)行研究的，即物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是直接、形象、可信，缺點(diǎn)是模型受限、易破壞、難以重用。 計(jì)算機(jī)作為一種最重要的仿真工具，已經(jīng)推出了模擬機(jī)、模擬數(shù)字機(jī)、數(shù)字通用機(jī)、仿真專用機(jī)等各種機(jī)型并應(yīng)用在不同的仿真領(lǐng)域。除了計(jì)算機(jī)這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一

36、類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)臺，各種風(fēng)洞、水洞等；另一類是用于培訓(xùn)目的的各種訓(xùn)練仿真器，如培訓(xùn)原子能電站、大型自動化工廠操作人員和訓(xùn)練飛行員、宇航員的培訓(xùn)仿真器、仿真工作臺和仿真機(jī)艙等。 4.3 仿真的作用 仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究價值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。首先由于仿真技術(shù)在應(yīng)用上的安全性，使得航空、航天、核電站等成為仿真技術(shù)最早的和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。 歸納起來，仿真技術(shù)的主要用途有如下幾點(diǎn)： (1) 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際系統(tǒng)建立以前，通過改變仿真模型結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如控制系統(tǒng)、數(shù)字

37、信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常要靠仿真來優(yōu)化系統(tǒng)性能。 (2) 系統(tǒng)故障再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)故障原因。實(shí)際系統(tǒng)故障的再現(xiàn)必然會帶來某種危害性，這樣做是不安全的和不經(jīng)濟(jì)的，利用仿真來再現(xiàn)系統(tǒng)故障則是安全的和經(jīng)濟(jì)的。(3) 驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。(4) 對系統(tǒng)或其子系統(tǒng)進(jìn)行性能評價和分析。多為物理仿真，如飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)。(5) 訓(xùn)練系統(tǒng)操作員。常見于各種模擬器，如飛行模擬器、坦克模擬器等。(6) 為管理決策和技術(shù)決策提供支持。4.4 仿真算法 在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，需要將其轉(zhuǎn)變成能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型。由于計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行離散的數(shù)值計(jì)算，因而必須推導(dǎo)出連續(xù)系統(tǒng)的遞推數(shù)學(xué)公式，如解微分方程的龍格庫塔算法。這實(shí)際

38、上屬于數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容，其發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)完善了。其實(shí)這就是計(jì)算機(jī)仿真算法的設(shè)計(jì)，即把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型。 通常這些仿真算法并不需要仿真人員去編制，因?yàn)檫@些仿真算法往往已經(jīng)內(nèi)嵌于各種面向仿真用途的專用軟件中了。但是對這些算法的了解無疑有助于用戶更好地完成仿真任務(wù)。一般來說，系統(tǒng)仿真算法有如下幾類： (1) 集中參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。 (2) 分布參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。 (3) 離散時間系統(tǒng)仿真算法4.5計(jì)算機(jī)仿真的一般過程 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程可以表述如下： (1) 描述仿真問題，明確仿真目的。 (2) 項(xiàng)目計(jì)劃、方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)定義。根據(jù)仿真目的確定相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)(實(shí)時仿真還是非實(shí)時仿

39、真，純數(shù)學(xué)仿真還是半物理仿真等)，規(guī)定相應(yīng)仿真系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。(3) 數(shù)學(xué)建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其機(jī)理研究，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識的方法，確定模型的類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)。注意要確保模型的有效性和經(jīng)濟(jì)性。 (4) 仿真建模：根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式、計(jì)算機(jī)類型、采用的高級語言或其它仿真工具，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序或其他模型，也即獲得系統(tǒng)的仿真模型。 (5) 試驗(yàn)：設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境/條件和記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。 (6) 仿真結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理(整理及文檔化)。圖4.1 計(jì)算機(jī)仿真流程圖fig4.1 simulated f

40、low chart of computer4.6 simulink 簡介 simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用simulink來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng))，將是一件非常輕松的事情。它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。 利用simulink進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托matlab提供的豐富的仿真資源。這里對simulink的強(qiáng)大功能進(jìn)行簡單的介紹。1. 交互式、圖形化的建模環(huán)境 simulink提供了豐富的模塊庫以幫助用戶快速地建立

41、動態(tài)系統(tǒng)模型。建模時只需使用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來。 2. 交互式的仿真環(huán)境 simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運(yùn)行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。 3. 專用模塊庫(blocksets) 作為simulink建模系統(tǒng)的補(bǔ)充，mathworks公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如dsp blockset和communication blockset等。通過使用這些程序包，用戶可以迅速地對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對系統(tǒng)模型進(jìn)行代碼生成，并將

42、生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上。 4. 提供了仿真庫的擴(kuò)充和定制機(jī)制 simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用matlab、fortran和c代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可以將使用fortran或c編寫的代碼鏈接進(jìn)來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進(jìn)行更高級的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。 5. 與matlab工具箱的集成 由于simulink可以直接利用matlab的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設(shè)計(jì)和分析能力可以融入仿真過程。簡而言之，simulink具有以下特點(diǎn)

43、： (1) 基于矩陣的數(shù)值計(jì)算。 (2) 高級編程語言。 (3) 圖形與可視化。(4) 工具箱提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)域的功能。(5) 豐富的數(shù)據(jù) i/o 工具。(6) 提供與其它高級語言的接口。(7) 支持多平臺(pc / macintosh / unix)。(8) 開放與可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。4.7安全閥的simulink仿真通過第3章的數(shù)學(xué)建模，建立了安全閥的數(shù)學(xué)模型，由公式（33）可以得到系統(tǒng)的傳遞方程，建立系統(tǒng)的方塊流程圖42圖4.2系統(tǒng)的方塊流程圖fig 4.2 systematic block flow charts當(dāng)32mpa時，示波器的輸出曲線圖4.3 當(dāng)22.4mpa時，示波器的輸出

44、曲線圖4.4當(dāng)40mpa時，示波器的輸出曲線圖4.5當(dāng)42.6mpa時，示波器的輸出曲線圖4.6通過以上的分析可知，設(shè)計(jì)的安全閥，在外力變化的情況下，具有穩(wěn)定的輸出曲線，較好的減振效果。 5 結(jié)論在地下煤炭的綜合機(jī)械化開采中，常常由于頂板沖擊使液壓支架遭受破壞，液壓支架的造價昂貴，被破壞后無法修復(fù)，就使的大流量安全閥的使用變的極為重要。本文根據(jù)以往安全閥設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的安全閥，反映迅速，具有很好的減振效果，使安全閥的性能有了進(jìn)一步的提高，并對安全閥建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了simulink的仿真，可以很好的表現(xiàn)出安全閥的運(yùn)行特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)還存在不足之處。一是由于matlab的復(fù)雜，本人掌握的還不夠熟練；二是對a安全閥特征的認(rèn)識不足，編程時會考慮不