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1、华中科技大学 硕士学位论文 全塑料注水阀研究 姓名：秦小飞 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：李宝仁;余祖耀 20060505 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 随着液压技术的发展，作为一种自动控制手段，在众多的工业领域中液压技术已 经成功地获得了广泛应用。阀类元件也随着液压技术的发展而日趋完备，针对一些具 体的工作要求，具有新型材料、结构及功能的阀类元件得到研究与应用。本文介绍的 全塑料注水阀即是为铅酸蓄电池充液的特殊工作需要而研制的，是一种响应灵敏、控 制精度高及性能稳定、可靠的自动控制元件。
2、本文通过认真分析研究国内外塑料阀类元件及注水系统的发展现状，提出了研制 的技术关键，然后在此基础上研究设计了全塑料注水阀。由于本阀特殊的工况，即强 酸性且温度较高的工作环境，因此采用了耐酸、耐高温的塑料作为阀的材料。且要求 注水阀在充液达到一定量的情况下，实现自动关闭以停止充液。本阀采用杠杆作用的 原理，利用液体对注水阀浮筒产生的浮力，通过杠杆推动阀芯使阀口关闭，实现了自 动控制的功能。 运用 CFD(Computational Fluid Dynamics)软件 FLUENT 对全塑料注水阀阀口进行 3D 数值仿真研究，描绘了注水阀工作过程中，液体在阀腔内的压力场和速度场的分布 情况。并由仿
3、真结果计算作用在阀芯上平衡力及液动力，分析比较了两种不同的阀口 结构形式，为合理设计注水阀结构提供了依据。 在全塑料注水阀结构设计的基础上，本文依据阀口流量方程和阀芯动力学平衡方 程，建立了注水阀的静、动态数学模型，并运用数字仿真技术对该阀的特性进行了仿 真分析，从理论上分析了各种结构参数对阀的静、动态特性的影响，为注水阀的参数 设计提供了依据。 最后，研制出四个注水阀样机，并建立了注水实验平台，测试了单个注水阀的注水 性能，并用四个注水阀样机组成了注水系统，进行了注水实验研究。 关键词：关键词： 注水阀 注水系统 数值仿真 FLUENT 静动态特性分析 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位
4、 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the development of hydraulic technology, hydraulics has been applied widely in many industry fields as an automatic control means. The various valves are also studied with the development of hydraulics. In order to satisfy some special industry requiremen
5、ts, the new types of valves are studied and applied with new material, new structures and new functions. The watering valve presented in this paper is researched for the water supplement of lead-acid batteries. The valve is one kind of autocontrol components, which has sensitive response, accurate c
6、ontrol and steady function. Domestic and foreign research of plastic valves and watering system are generalized, and the difficulties to develop the valve and watering system are discussed. The watering valve is designed based on it. Because of acidity and high temperature work condition, the wateri
7、ng valve is made of acid-resistant and high temperature resistant material. The valve should stop watering automatically when the water supplement is enough. The upward force which the liquid acts on the pontoon, pushes down the valve core until the orifice is closed by the lever which connects the
8、pontoon and valve core. Through numerical 3D simulation research for all plastic watering valve with CFD (Computational Fluid Dynamics) software FLUENT, the pressure field and velocity field of the flow inside the valve were mastered while the valve was working. Figured out the value of counterbalan
9、ce and hydrodynamic force acting on the valve core according to the result of simulation research, and the two different structure formations were analyzed and compared, sequentially supplied the basis for the suitable design of the valve structure. The mathematical model describing the characterist
10、ics of the valve is established based on Orifice Flow Equation and Poppet Balance Equation. Computer numerical simulation is introduced to analyze the characteristics of the valve, and the structure parameters influencing the characteristics of the valve are discussed. The investigation provides the
11、 support for parameter design of the valve. Finally, four samples of watering valves are manufactured, and a watering test system is established and the watering function of each single watering valve is tested. A watering 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III system is built with the f
12、our watering valves designed, its function is tested with the same experiment system. Key words: Watering valve Watering system Numerical simulation FLUENT The analysis of static and dynamic characteristics 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
13、 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：秦小飞 日期：2006 年 5 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：秦小飞
14、 指导教师签名：李宝仁 日期：2006 年 5 月 7 日 日期：2006 年 5 月 7 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 液压技术的发展概况液压技术的发展概况 液压技术的的发展是与流体力学的理论研究成果和工程材料、液压介质等相关科 学的发展紧密相联的。1650 年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡原理； 1686 年牛顿揭示了粘性流体的内摩擦定律；到了 18 世纪，流体力学的两个重要方程 连续性方程和伯努利能量方程相继建立，这些理论成果为液压技术的发展垫定了 理论基础。1795 年英国人布拉
15、默(J.Bramah)发明了世界上第一台水压机，是他首先利用 水不仅进行能量传递，而且传递控制信号，标志现代液压技术工程应用的开始。水压 机的发明还与当时铸铁等工程材料及一些新的制造方法的出现密切相关。1851 年阿姆 斯特(W.GArmstrong)发明重锤式蓄能器以后，促使液压传动的应用迅速增加，到 19 世纪 90 年代，液压传动已应用于压力机、起重机、包装机、试验机等许多工业部门1。 由于水的润滑性差，易产生锈蚀。电力传动的兴起曾一度使水压传动应用减少。 直到 19051908 年威廉斯(H.Williams)和詹尼(R.Janney)两位美国工程师发明了用油作 工作介质的轴向柱塞式液
16、压传动装置以后，液压技术这种停滞不前的状况才有所改观。 加之，1910 年肖(H.Shaw)研制出用油作介质的径向柱塞泵，威克斯(H.Vickers)于 1936 年又发明了先导式溢流阀，特别是 20 世纪 30 年代丁腈橡胶等耐油密封材料的出现， 使液压传动逐步取代水压传动，并得到迅速发展。 第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、动作准、功率大的液压传 动系统及伺服机构，以装备各种武器，因此各种高压元件获得进一步发展。战后 50 年 代，液压技术迅速转入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、压力机械、冶金机 械、轧钢机械、农业机械、汽车行业等部门得到广泛应用。由于伺服阀的造价贵、抗 污染能力差，60 年代末，比电液伺服阀价廉、维护容易且具有一定控制精度的电液比 例阀应运而生。由于矿物油易燃，在高温、明火、矿井等特殊环境下，难燃液逐步取 代了矿物油作为液压系统的工作介质。经过最近半个世纪的进一步发展，液压技术已 成为包括传动、控制、检测在内的、对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技 术，已广泛应用于各工业部
