基于Fluent的雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥流場(chǎng)的可視化仿真

龍靖宇,楊 陽(yáng),黃 浩,金曉宏,姚 筆

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430081)

電液伺服閥作為連接電氣部分與液壓部分的橋梁,是電液伺服控制系統(tǒng)的核心部件。其中雙噴嘴擋板電液伺服閥具有體積小、功率放大率高、線性好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn),因此在冶金等行業(yè)的電液伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)雙噴嘴擋板電液伺服閥的特性進(jìn)行研究,對(duì)于電液伺服閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)具有復(fù)雜通道的雙噴嘴擋板電液伺服閥進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,運(yùn)用所得可視化圖形仿真結(jié)果對(duì)電液伺服閥進(jìn)行特性分析。

1 雙噴嘴擋板電液伺服閥工作原理

雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可看出,無(wú)控制電流時(shí),主閥中的銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置,擋板處于兩個(gè)噴嘴的中間位置,主閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位,此時(shí)主閥無(wú)液壓輸出。當(dāng)有差動(dòng)控制電流時(shí),在主閥銜鐵上產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾姶帕?使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn),推動(dòng)主閥閥芯移動(dòng)。當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對(duì)閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閥的液動(dòng)力相平衡時(shí),閥芯停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載壓差一定時(shí),雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥的輸出流量與控制電流成比例[2]。

圖1 雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dual-nozzle-flapper electro-hydraulic servo valve

2 幾何模型及仿真參數(shù)

2.1 幾何模型

圖2 雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥芯剖面圖Fig.2 Profile of main spool of dual-nozzle-flapper electro-hydraulic servo valve

雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥芯剖面圖如圖2所示。從圖2中可看出,閥芯有左右對(duì)稱的兩個(gè)閥腔,每個(gè)閥腔為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為減少計(jì)算工作量,取其單個(gè)閥腔的模型建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3],GAMB IT劃分的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 GAM BIT劃分的網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh generated by GAM BIT

2.2 Fluent求解器參數(shù)選擇

在Fluent軟件中輸入GaAMB IT的網(wǎng)格模型后,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)求解器作如下參數(shù)設(shè)定[4]:

define-models-solver,設(shè)定采用非耦合方式,3D軸對(duì)稱,非穩(wěn)態(tài);

define-models-viscous,選擇黏度模型為湍流;

define-models-energy,加入能量計(jì)算方程;define-materials,定義物質(zhì)屬性:選取普通液壓油作為流動(dòng)介質(zhì)[5];

define-boundary conditions,定義邊界條件。

3 Fluent仿真結(jié)果及分析

求解器參數(shù)設(shè)定完成后,對(duì)模型進(jìn)行迭代計(jì)算,直到殘差曲線收斂,殘差歷史曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,迭代70次后,殘差監(jiān)測(cè)變化曲線均趨于收斂。

通過(guò)Fluent軟件處理,可以得到液壓閥動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的溫度、壓力和速度分布情況。圖5所示為閥芯位移-0.5mm時(shí)的瞬態(tài)溫度云圖;圖6所示為閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)壓力云圖;圖7所示為閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)速度矢量云圖。

圖5 閥芯位移-0.5 mm時(shí)的瞬態(tài)溫度云圖Fig.5 Transient temperature nephogram with-0.5 mm spool displacement

圖6 閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)壓力云圖Fig.6 Transient pressure nephogram with-0.5 mm spool displacement

圖7 閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)速度矢量云圖Fig.7 Transient velocity nephogram with-0.5 mm spool displacement

當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)在不同位置時(shí),從雙噴嘴擋板電液伺服閥仿真的瞬態(tài)壓力云圖和速度云圖中可以看出,由于閥芯移動(dòng),流體流入閥腔時(shí),過(guò)流截面面積逐漸減小,導(dǎo)致流速逐漸增大,壓力逐漸減小,能量耗散增大;同理,流體流出閥體時(shí),過(guò)流斷面面積增大,流速減小,壓力增大,能量耗散減小。從速度云圖中還可以看出,過(guò)流斷面面積突變處,出現(xiàn)主流與壁面脫離的現(xiàn)象,并且在閥座拐角處形成漩渦區(qū)。能量耗散的大小與漩渦區(qū)和過(guò)流斷面面積的大小有關(guān)。閥開(kāi)口度越小,漩渦區(qū)域越大,能量耗散越大;旋渦越小越多,能量損失越大,流體噪聲也越大;閥座拐角處,是容易產(chǎn)生能量損失和流體噪聲的地方。閥口處的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理,可得到流量公式:

式中:Q為流量;Cd為流量系數(shù),滑閥的推薦值Cd為0.68;AV為閥口過(guò)流面積;ΔP為閥口壓差;ρ為液體密度,視液體為不可壓縮牛頓流體,即ρ為常數(shù)。

對(duì)于理想滑閥,若忽略閥口開(kāi)度變化對(duì)流量系數(shù)的影響,且閥口過(guò)流截面兩端的壓差恒定時(shí),流量?jī)H與閥口開(kāi)度有關(guān),即流量特性曲線應(yīng)該為一條直線,但對(duì)滑閥流量特性的測(cè)量結(jié)果顯示,特性曲線在開(kāi)口量較小時(shí)存在明顯彎曲[6]。實(shí)際流量特性曲線與理論流量特性曲線如圖8所示。

圖8 實(shí)際流量特性曲線與理論流量特性曲線Fig.9 Actual and theoretical flow characteristic curve

對(duì)模擬仿真流量值用理論公式驗(yàn)證[7],盡管理論計(jì)算過(guò)程與仿真過(guò)程存在一定誤差,但誤差率不足5%,表明仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)雙噴嘴擋板電液伺服閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真,可清楚地觀察到閥腔內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化,運(yùn)用仿真結(jié)果可便捷地對(duì)伺服閥的各種特性進(jìn)行理論分析,所得結(jié)果對(duì)于伺服閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)十分有利。

[1] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:81-100.

[2] 陳召國(guó),丁凡,蔡悅?cè)A.單級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥的特性研究[J].機(jī)床與液壓,2007(4):114-116.

[3] 王雪紅,王桂良,李平化,等.基Fluent的電液比例閥的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程師,2008(6):128-129.

[4] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUEN T流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:6.

[5] 王九,熊云.液壓油產(chǎn)品及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)石化出版社,2006:1.

[6] 潘旭東,張麗,王廣林.基于Fluent軟件的滑閥流量特性的數(shù)值仿真研究[J].裝備制造技術(shù),2007(9):6-7.

[7] 龍靖宇,王宏波.基于有限元法的二維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,28(3):243-246.