基于動(dòng)網(wǎng)格的液壓錐閥動(dòng)態(tài)特性研究

　, 　, , , (解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京　210007)

引言

液壓錐閥以其密封性好、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)在液壓元件中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在壓力控制和流量控制閥中，因此對(duì)于液壓錐閥的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。但目前關(guān)于彈簧剛度對(duì)液壓錐閥動(dòng)態(tài)特性影響的研究較少，通常僅考慮穩(wěn)態(tài)特性[1]。當(dāng)前，利用流體力學(xué)相關(guān)原理對(duì)液壓閥的開啟過程進(jìn)行分析越來越得到重視，文獻(xiàn)[2]、[3]在給定閥芯運(yùn)動(dòng)速度或固定閥口開度的前提下，對(duì)流體在液壓錐閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了可視化計(jì)算和研究，但液壓錐閥的開啟并不是一個(gè)勻速的過程，這就會(huì)造成一定的誤差；文獻(xiàn)[4]在給定入口壓力的前提下，討論了液壓錐閥結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，但僅僅給出了閥芯位移隨時(shí)間的變化情況。針對(duì)上述問題，基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，以流體軟件CFD-ACE+為技術(shù)平臺(tái)建立了液壓錐閥動(dòng)態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型，得到了彈簧剛度對(duì)錐閥開啟過程動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于液壓錐閥的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

1　三維數(shù)值模型的建立

1.1　動(dòng)網(wǎng)格條件下的控制方程

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以用來模擬流場形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問題。在網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)過程中，流場內(nèi)控制體將發(fā)生改變，一般采用積分形式來表示諸守恒方程[5]：

(1)

式中，φ為通用變量，代表u、v、p等；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，代表μeff、μ+μt/σk、μ+μt/σε；Sφ為φ的源項(xiàng)；?V為控制體積V的邊界。

1.2　動(dòng)網(wǎng)格生成方法

由于液壓錐閥啟閉過程中閥芯相對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域較小，本研究采用網(wǎng)格彈性變形技術(shù)生成動(dòng)網(wǎng)格。在網(wǎng)格彈性變形過程中，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間的連線假想為連接節(jié)點(diǎn)的彈簧，初始網(wǎng)格的分布作為假想彈簧的平衡狀態(tài)，邊界網(wǎng)格點(diǎn)的位移使所有與之相連的連線產(chǎn)生相應(yīng)的彈性應(yīng)力。根據(jù)胡克定律，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力可表示為：

(2)

1.3　幾何模型

借鑒文獻(xiàn)[6]歸納抽象出的具有共性的液壓錐閥作為研究對(duì)象，確定的結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。

圖1　液壓錐閥結(jié)構(gòu)

該錐閥內(nèi)流體的流動(dòng)具有對(duì)稱性，為提高計(jì)算效率，只取流動(dòng)區(qū)域的一半作為研究對(duì)象，建立的用于流體力學(xué)分析的幾何模型如圖2所示。

1.4　網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分直接影響到計(jì)算精度和效率，根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用前處理軟件GEOM實(shí)現(xiàn)，為更好地捕捉閥口處流場，對(duì)閥口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。在大量試算的基礎(chǔ)上確定了網(wǎng)格的數(shù)量為47222個(gè)，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2　液壓錐閥幾何模型

圖3　網(wǎng)格劃分

2　邊界條件與參數(shù)選取

根據(jù)液壓錐閥使用的一般工況，其邊界條件和參數(shù)設(shè)置如下：

入口條件：壓力入口，選取6.3 MPa；

出口條件：壓力出口，設(shè)為大氣壓；

液壓油：按VG46選取，密度ρ=885 kg/m3；運(yùn)動(dòng)黏度μ=46 mm2/s；由于液壓油壓縮性很小[7]，設(shè)為不可壓縮流體；

彈簧剛度：分別取100 N/mm、125 N/mm、150 N/mm、175 N/mm、200 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型；仿真步長為10-5s。

3　液壓錐閥動(dòng)態(tài)特性分析

3.1　流量分析

對(duì)于液壓系統(tǒng)來說，流量特性尤為重要，直接影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。通過仿真，得到液壓錐閥開啟過程中流量的變化情況，如圖4所示。

從圖4看出，在錐閥開啟過程中流量會(huì)有一定的波動(dòng)，并且隨著彈簧剛度的增加波動(dòng)幅度相應(yīng)減小。流量的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)在錐閥開啟過程中的速度增加或減小，從而影響到液壓系統(tǒng)的性能。

圖4　閥芯開啟過程流量變化

實(shí)際工作中，液壓錐閥穩(wěn)態(tài)流量通常采用理論公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(3)

將計(jì)算得到的理論值與仿真值進(jìn)行比較，得到表1。

由表1可以看出，兩者變化趨勢一致，均是隨彈簧剛度的增加而減??；仿真計(jì)算結(jié)果與理論值存在誤差，這是由于理論計(jì)算所采用的流量系數(shù)一般通過經(jīng)驗(yàn)得到，并不十分準(zhǔn)確；同時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果與理論值誤差較小，這也證實(shí)了仿真的可靠性。

3.2　液動(dòng)力分析

在入口壓力一定的前提下，彈簧剛度不同會(huì)使得閥口開度不同，導(dǎo)致閥芯所受的液動(dòng)力不同，液動(dòng)力反過來又會(huì)影響到閥芯的位移， 所以液動(dòng)力和閥芯運(yùn)動(dòng)過程是相互影響的。在溢流閥中，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的存在也會(huì)增大錐閥的調(diào)壓偏差[8]。因此有必要對(duì)閥芯移動(dòng)完畢的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和閥芯運(yùn)動(dòng)過程的瞬態(tài)液動(dòng)力進(jìn)行研究。

1) 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是指閥芯移動(dòng)到平衡位置時(shí)，流體因動(dòng)量改變而附加作用在閥芯上的力。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的理論計(jì)算公式為[8]：

F′=-ρQv1cosα

(4)

通過仿真得到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fw=F-F0。其中，F(xiàn)為液壓錐閥閥芯所受總力，F(xiàn)0為仿真得到的閥口靜壓力(F0=356 N)。仿真得到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與理論值如表2所示。

由表2可知，隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的總流體力增加，這會(huì)增加閥芯所受的應(yīng)力；穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力均為負(fù)值，表明液動(dòng)力的方向使得閥芯趨于閉合，利于閥芯的穩(wěn)定；隨著彈簧剛度的增加，閥芯受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的絕對(duì)值變小，這是由于雖然隨著彈簧剛度增加導(dǎo)致液流在閥后的流速增加，但是液壓錐閥流量相應(yīng)減小。從表2還可看出，仿真值與理論值存在一定誤差，但在可以接受的范圍內(nèi)，這是由于在公式計(jì)算中使用半錐角代替節(jié)流口處的液流角，但是實(shí)際的液流角并不等于閥芯的錐角，同時(shí)理論計(jì)算并沒有考慮到錐閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同以及流場微觀流動(dòng)情況帶來的影響。

2) 瞬態(tài)液動(dòng)力

瞬態(tài)液動(dòng)力是閥芯在移動(dòng)過程中(即開口大小發(fā)生變化時(shí)) 閥腔內(nèi)液流因加速或減速而作用在閥芯上的力。將閥芯在不同瞬時(shí)所受的總力減去穩(wěn)態(tài)時(shí)閥芯表面所受的力即可得到不同彈簧剛度下閥芯的瞬態(tài)液動(dòng)力，變化情況如圖5所示。

表1　穩(wěn)態(tài)流量理論值與仿真結(jié)果

表2　穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力理論值與仿真值對(duì)比

圖5　閥芯受瞬態(tài)液動(dòng)力

從圖5可以看出：① 錐閥瞬態(tài)液動(dòng)力存在波動(dòng)，峰值隨著彈簧剛度的增加而減??；② 隨著彈簧剛度的增加，瞬態(tài)液動(dòng)力減小到零所需的時(shí)間也逐漸縮短； ③ 瞬態(tài)液動(dòng)力為負(fù)值表示其力方向與閥芯運(yùn)動(dòng)方向相反，起到正阻尼作用，利于錐閥的穩(wěn)定，反之則對(duì)閥芯起到不穩(wěn)定作用。

3.3　閥芯運(yùn)動(dòng)情況分析

閥芯的運(yùn)動(dòng)情況是由閥口壓力、液動(dòng)力以及彈簧力共同決定的，不同彈簧剛度下仿真得到的閥芯瞬態(tài)位移、速度以及加速度變化情況分別如圖6所示。

從圖6中位移變化情況可以看出，隨著彈簧剛度的增加，閥芯穩(wěn)態(tài)位移減小，并且當(dāng)彈簧剛度較大時(shí)，位移減小不明顯，即閥芯的穩(wěn)態(tài)位移與彈簧剛度不成線性關(guān)系，這是由不同彈簧剛度下錐閥所受液動(dòng)力不同而引起的；閥芯位移超調(diào)量隨著剛度的增加而減小。

從圖6中速度變化情況可以看出，隨著彈簧剛度的增加，閥芯運(yùn)動(dòng)速度的峰值減小，并且更快地達(dá)到平衡位置，閥芯速度的波動(dòng)也會(huì)影響到內(nèi)部流場的流動(dòng)狀態(tài)。

從圖6中加速度變化情況可以看出，不同彈簧剛度下加速度數(shù)值均較大且峰值隨著彈簧剛度增加而減??；隨著彈簧剛度的增加，加速度趨于零所需時(shí)間變短；在整個(gè)過程中，加速度的值都存在小范圍內(nèi)的波動(dòng)，這是由于液流不穩(wěn)定造成沖擊引起的。

4　結(jié)論

通過對(duì)液壓錐閥開啟過程的仿真分析，得到了彈簧剛度對(duì)液壓錐閥動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律， 可以為提高液壓錐閥的動(dòng)態(tài)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論包括：

圖6　不同彈簧剛度下閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)

(1) 在壓力一定的條件下，隨著彈簧剛度的增加，錐閥穩(wěn)態(tài)流量、瞬態(tài)流量波動(dòng)幅度均減小。

(2) 隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的總力增大；但是，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的絕對(duì)值、瞬態(tài)液動(dòng)力的波動(dòng)幅值均減??；閥芯受總力的增大會(huì)減小液壓錐閥的使用壽命，而穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的減小可降低調(diào)壓偏差，瞬態(tài)液動(dòng)力波動(dòng)幅值的減小可以改善閥芯瞬時(shí)的受力情況。

(3) 隨著彈簧剛度的增加，閥芯的穩(wěn)態(tài)位移減??；閥芯運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度波動(dòng)幅值均減小，并且更快地達(dá)到穩(wěn)定位置，利于減小沖擊和振動(dòng)。

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