大型金屬擠壓機(jī)卸荷過程插裝閥流固耦合分析

孫 康，陳 聞

(1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000;2.浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310007)

0 引言

大型金屬擠壓機(jī)工作壓力高，流量大、行程長、動作切換頻繁、傳動功率和運(yùn)動慣性大、液壓系統(tǒng)復(fù)雜.在擠壓過程中，因其工作缸的容積大，介質(zhì)工作壓力高(一般都大于25 MPa)，機(jī)架的彈性變形大，工作介質(zhì)中所蓄的彈性勢能也較高，工作結(jié)束時，這些壓力勢能如果不能合理、平穩(wěn)地釋放，將會產(chǎn)生很大的沖擊振動和噪音，壓機(jī)的工作將會很不平穩(wěn)，壓機(jī)部件及液壓元件將會因此而破壞或降低使用壽命，嚴(yán)重時將導(dǎo)致整個設(shè)備的損壞，主缸卸壓常常是壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計的一個極其重要的環(huán)節(jié)，而應(yīng)用于高壓大流量場合的插裝閥組則是決定整個卸荷過程平穩(wěn)的關(guān)鍵因素.因此，對大型金屬擠壓機(jī)卸荷過程中插裝閥流固耦合過程進(jìn)行有限元分析，得出插裝閥在油液能量釋放過程中的響應(yīng)，對于分析研究平穩(wěn)卸荷有著重要的意義.

LS-DYNA 3D軟件是功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性分析軟件.以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能.LS-DYNA解決了許多理論和試驗(yàn)分析所不能解決的問題，促進(jìn)了各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響［1-2］.

正是基于LS-DYNA流體結(jié)構(gòu)耦合功能進(jìn)行大型金屬擠壓機(jī)卸荷過程中插裝閥與油液流固耦合分析［3］.

1 插裝閥流固耦合理論

1.1 ALE控制原理

設(shè)黏性流體流動占據(jù)著空間區(qū)域Ωf，其邊界為Γ，則由ALE描述法的基本理論，可以推得在ALE描述下黏性流動的N-S方程組為:

運(yùn)動方程:

連續(xù)性方程:

Stokes本構(gòu)方程:

式中:ρ為流體密度;σij為Caucchy應(yīng)力張量;fi為體力向量;P為壓力;μ為流體的動力黏性系數(shù).

1.2 流體EOS控制方程

在對流體材料的處理過程中，需要同時應(yīng)用本構(gòu)模型和狀態(tài)方程描述一種材料的特性.

流體變形過程中應(yīng)力張量的組成為

壓力可表示為

在壓縮過程中壓力為正時:

在材料模型的選擇上，流體采用LS-DYNA提供的MAT_NULL材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述:

式中:P為壓力;c為vs-vp曲線的截距，即粒子速度為0時的波速;s1，s2，s3為vs-vp曲線的斜率系數(shù);γ0為Gruneisen系數(shù);a為γ0的一階體積修正系數(shù);E為材料內(nèi)能;μ=(ρ/ρ0)-1為體積變化率.

2 插裝閥流固耦合建模及求解

2.1 插裝閥原理結(jié)構(gòu)分析

金屬擠壓機(jī)由于擠壓力與穿孔力很大，目前最大可達(dá)300 MN，對于液壓系統(tǒng)來說，壓力范圍在25～40 MPa之間，此外，金屬擠壓速度一般在10～25 mm/s，液壓系統(tǒng)流量一般在500～2 000 L/min.

二通插裝閥由于功率損失小，在同樣的壓力損失的條件下具有更大通流能力，因此非常適用于高壓大流量液壓系統(tǒng).現(xiàn)在主流大型金屬擠壓機(jī)均采用大通徑二通插裝閥組構(gòu)成回路，再配以先導(dǎo)控制策略，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的擠壓、穿孔、卸荷工藝流程.二通插裝閥功率回路的控制節(jié)流口數(shù)量少，因此系統(tǒng)節(jié)流損失較小，從二通插裝閥回路技術(shù)開始在工業(yè)上應(yīng)用至今，已廣泛用于液壓機(jī)械，特別是重型機(jī)械等一些高壓大流量的設(shè)備中.二通插裝閥原理結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］.

圖1 二通插裝閥結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Two-way cartridge valve structure profiles

2.2 油閥有限元模型建立

在Pro/E中建立插裝閥套閥芯和油液模型，并導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA，為了有利于網(wǎng)格的劃分，對插裝閥套及閥芯進(jìn)行簡化處理，只保留了對流固耦合影響較大的結(jié)構(gòu)部件，插裝閥閥芯直徑70 mm，閥套通徑63 mm，單元類型采用LS-DYNASolidl64單元.將閥芯模型切割成若干圓柱體，再采用掃略方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提高計算精度共劃分得到65 268個四面體和六面體單元.如圖2(a)所示.流體單元采用掃略的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分六面體單元，從圖2(b)可以看出兩段流體流動大變形及耦合狀態(tài).

圖2 插裝閥油閥流固耦合網(wǎng)格劃分及流固耦合狀態(tài)Fig.2 Cartridge valves and fluid-structure interaction meshing state

2.3 材料參數(shù)設(shè)置及前處理

材料參數(shù)設(shè)置如表1所示，閥套及閥蕊材質(zhì)為40 r，密度為7 800 kg/m2液壓油密度為900 kg/m3邊界條件設(shè)定如下:①固體材料模型選取塑性隨動強(qiáng)化模型，在閥芯與閥套發(fā)生碰撞沖擊處采用雙面接觸.②流體采用恒速流，假設(shè)卸荷行程擠壓油缸流量為1 000 L/min，油液速度為5 m/s.③設(shè)定兩段流體單元，一段與閥芯發(fā)生沖擊，另一段代表后續(xù)跟進(jìn)流體，相互間發(fā)生耦合，流體ALE單元［5］間采用多材料分組關(guān)鍵字，油液與閥芯間采用LAGRANGE與ALE單元耦合算法④ALE單元間網(wǎng)格劃分采用結(jié)點(diǎn)耦合方式.

關(guān)鍵字定義如下［5］:

①閥芯與油液間采用流固耦合關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID;

② 油液恒流關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET;

③油液分段與分段之間采用*ALE_MULTIMATERIAL_GROUP多分組材料耦合關(guān)鍵字.

表1 油閥流固耦合材料參數(shù)Tab.1 Cartridge valve FSI material parameters

3 插裝閥流固耦合結(jié)果分析

3.1 平穩(wěn)卸荷過程流固耦合分析

3.1.1 油液沖擊特性分析

金屬擠壓機(jī)在擠壓過程結(jié)束進(jìn)入卸荷過程時，由于油液及機(jī)架被壓縮，儲存的能量巨大，油液在恒壓狀態(tài)下進(jìn)入插裝閥卸荷回路，沖擊閥芯在極短時間內(nèi)打開，可視作恒流過程.圖3為進(jìn)入保壓后的油液恒流速度等值曲線，之后使閥芯進(jìn)入保壓狀態(tài).整個過程當(dāng)中，油液如果不能很好的釋放，將對閥芯造成擠壓，嚴(yán)重的還可能使整個插裝閥芯閥套發(fā)生塑性變形.

圖3 油液保壓狀態(tài)微流量恒流等值曲線Fig.3 Packing state of micro-fluid flow constant equivalent curve

圖4 為液體沖擊力隨時間的變化情況.從圖4中可以看出，液體沖擊閥芯，閥芯與閥套發(fā)生接觸作用的時間極短，進(jìn)入卸荷階段之后由于節(jié)流作用，閥芯保壓，油液由閥套通徑流入油箱.沖擊力的變化由峰值轉(zhuǎn)入保壓值，沖擊力最大值為140 kN，卸荷過程保壓值約為20 kN.

圖4 閥芯受油液沖擊作用下沖擊力變化Fig.4 The impact fores of the Spool under the oil flow

3.1.2 閥芯閥套接觸響應(yīng)特性分析

閥芯與閥套在插裝閥開啟過程中，內(nèi)壁發(fā)生摩擦接觸，Von Mises應(yīng)力變化如圖5所示.

圖5 閥芯閥套Von Mises應(yīng)力云圖分布Fig.5 Spool and valve sleeve Von Mises stress cloud distribution

由圖5(a)可知，閥芯Von Mises應(yīng)力最大值為388 MPa，發(fā)生在閥芯口沿處，作用時間為0.04 s，平均應(yīng)力值為242 MPa.

從圖5(b)中可知，閥套接觸部位Von Mises應(yīng)力最大值為456 MPa，發(fā)生在端蓋內(nèi)表面，作用時間同樣為0.04 s，平均應(yīng)力為260 MPa.

3.2 不平穩(wěn)卸荷過程油液能量積累分析

金屬擠壓機(jī)如果卸荷不平穩(wěn)，閥芯開啟速度較慢或者閥套通徑較小，將會造成油液能量的積累，由于此過程為恒流過程，即油液儲存的壓力能克服擠壓所需的負(fù)載力，如圖6，7所示，閥芯閥套發(fā)生大的塑性變形，經(jīng)過不同的擠壓時間測試，可以得出閥芯閥套發(fā)生塑性變形的極限時間為0.04 s.由圖8所示的油液能量積累曲線A中也可以看出，油液不斷擠壓閥芯，使之與閥套接觸力不斷增大，內(nèi)能在0.04 s接觸時間內(nèi)最高達(dá)8 kJ.

從圖6可以看出，閥套頸部由于油液不斷的擠壓作用，已發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，而圖7也反映出閥芯被壓縮產(chǎn)生大塑性變形.

因此，平穩(wěn)的卸荷過程需要閥芯與閥套接觸作用時間在0.04 s范圍之內(nèi)，否則會造成閥芯與閥套大量的能量累積，從而使之發(fā)生塑性變形.從圖8中曲線B也可以看出，沙漏能也控制在總能量的5%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為仿真結(jié)果是比較準(zhǔn)確的.

圖8 插裝閥能量累積過程變化曲線Fig.8 Cartridge energy cumulative curve

4 結(jié)論

筆者結(jié)合流固耦合控制方程及流體狀態(tài)方程，利用ANSYS/LS-DYNA建立了大型金屬擠壓機(jī)卸荷過程的油閥流固耦合模型，仿真結(jié)果表明:

(1)油液在5 m/s的流速下，對插裝閥閥芯及閥套造成的沖擊力峰值為140 kN，在0.04 s內(nèi)閥芯打開節(jié)流卸荷過程中，閥芯所受壓力保壓值為20 kN;

(2)閥芯與閥套關(guān)鍵接觸部位運(yùn)動過程中摩擦力平均值為6 kN，沖擊接觸應(yīng)力最大值為456 MPa，平均值約為262 MPa;

(3)卸荷過程如果不平穩(wěn)，閥芯閥套發(fā)生塑性變形的作用時間范圍為0～0.04 s，接觸部件產(chǎn)生內(nèi)能最高達(dá)8 kJ.

綜上所述，仿真結(jié)果得出大型金屬擠壓機(jī)卸荷過程插裝閥在油液沖擊下的響應(yīng)特性，并且根據(jù)仿真結(jié)果可得出金屬擠壓機(jī)卸荷平穩(wěn)閥芯作用時間條件，在今后研究工作中，可以利用結(jié)果優(yōu)化卸荷過程電液控制方式，實(shí)現(xiàn)卸荷過程快速、平穩(wěn).

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