液压支架的关键控制元件——大流量液控单向阀在工作时压力高、流量大、速度快。故在高压大冲击条件下,流动特性、力学特性、冲击特性、通流能力及破坏机理是大流量液控单向阀的核心问题。围绕上述问题,本文以揭示高压大冲击流量条件下锥阀的失效机理、提高可靠性与寿命为目标,设计了大流量液控单向阀,运用CFD方法对锥阀的流场进行了分析和结构的优化;运用单向FSI方法,CFD分析和FEA结构分析相结合,对阀芯的力学性能进行了研究;同时理论分析与实验研究相结合,对冲击特性、液阻特性及功率谱进行了研究;最后通过综合试验对所设计结构的性能进行了验证。相关研究工作主要包括以下几个方面:阐述高压冲击流场的理论,分析大流量液控单向阀的负载特性与性能需求,据此设计大流量液控单向阀;然后从一级阀芯半锥角角度、阀座结构及密封形式、过流面积三个方面对液控单向阀进行结构优化。建立了大流量液控单向阀流道的几何模型,并通过Fluent软件对原始一级阀芯开启过程中的流场进行了计算仿真。得出如下结论:随着大流量液控单向阀一级阀芯开口度的增大,阀的流量增加,而流动趋于平稳,局部能量损失降低;流体在流经阀芯区域时压力明显降低,且通过阀芯节流口时,由于过流面积突然变小,流速增大,产生了空化,气泡在运动至一级阀芯头部时,此时流体压力回升,所以主要会在此位置产生气蚀造成破坏。对各优化结构进行气液两相流分析,采用空化模型得到压力云图和气相、液相体积分数云图,然后分别对一级、二级阀芯进行单向流固耦合分析。得出如下结论:半锥角方面45度与60度一级阀芯较好,阀座方面宜采用阀座I或阀座II并改为锥面密封,过流面积方面选择较大过流面积;在阀芯开启的整个过程中,一级阀芯的最大等效应力出现在首端,二级阀芯的最大等效应力出现在尾端,一级、二级阀芯的最大等效应力值随着开口度的增大而明显降低,一级、二级阀芯的最大等效应力都在45钢的许用强度内;同一开口度下,一级阀芯半锥角越大,其最大等效应力越小,阀芯受到破坏的可能性越小,寿命会越长。从降低流场空化产生可能性和减小应力的角度分析,一级阀芯尽量选用较大的半锥角;阀芯最危险的工况出现在阀芯刚开启的时刻。采用AMESim软件建立了液控单向阀的仿真模型,分析了液控单向阀在冲击载荷下的动态特性,分析了卸载压力冲击产生的原因。得出如下结论:液控单向阀在冲击卸载阶段,阀口压力、流量和阀芯位移同时出现剧烈的振荡;产生冲击的主要原因是液控单向阀在反向开启时主阀芯和控制活塞的受力平衡遭到破坏,并产生了使二级阀芯关闭的运动,从而导致了压力冲击的出现;在其他因素不变的情况下,增大一级阀芯的半锥角可以显著地提高大流量液控单向阀的动态特性,可以使液控单向阀阀芯更快的打开,提高响应速度;减小卸载时的压力冲击,增加开启的过程中的稳定性。根据大流量液控单向阀的工作特点,设计搭建了以蓄能器为动力源、通过增压缸增压的快速加载实验系统,并对大流量液控单向阀进行了冲击卸载实验、液阻实验以及功率谱分析。得出如下结论:针对所设计的不同结构进行冲击特性实验可知,半锥角45度的一级阀芯动态性能最佳,在前端设置了缓冲槽的阀座I效果最好,过流面积为31.2mm2时,压力振动小,卸载时间较快,流量上升梯度适中,是较为理想的;通过压差-流量特性实验可知,在流量上升阶段相同的压差下,半锥角45度一级阀芯、阀座III和过流面积为36mm2时流量最大,其通流能力最强;通过功率谱密度结合形貌分析,引入空化指数的概念,通过压差比分析得出结论可知,气蚀的产生更多的取决于压力而非流量;气泡的溃灭形成了具有高频振荡特性的应力脉冲,使得密封副表面产生高频交变载荷和脉冲式的局部塑性变形,在这种应力脉冲的反复作用下,就使得密封副的表面出现气蚀坑,产生气蚀破坏。针对控制压力对大流量液控单向阀性能的影响以及密封寿命等问题,在原有基础上通过冲击实验与功率谱分析进行了深入研究,同时,在锥阀各个部件优化的基础上进行了综合匹配实验,从动态特性、阻力特性、寿命等各方面设计出最优的结构。得出如下结论:控制压力越大,越能避免液控单向阀主阀芯完全关闭,可以提高响应速度,有效减小卸载时的压力冲击,增加开启过程中的稳定性,显著地提高大流量液控单向阀的动态特性;而且随着控制压力的增大,空化指数呈现缓慢下降趋势,说明在结构一定的条件下,控制压力的变化对空化气蚀的影响较小,所以当液控单向阀反向开启时控制压力应选在冲击压力的50%以上;材料特性方面硬度过大反而不利于抗气蚀性能的提高;通过将锥阀的各元件进行优化匹配,设计了具有良好综合性能的高压大流量液控单向阀,同时降低了空化指数,减少了密封失效,增强了其工作可靠性和寿命。