均壓槽對滑閥配合間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響

趙春玲,劉新強(qiáng),冀　宏,王金林(1．蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅蘭州　730050; 2．甘肅省液壓氣動工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州　730050)

均壓槽對滑閥配合間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響

趙春玲1,2,劉新強(qiáng)1,2,冀宏1,2,王金林1,2
(1．蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅蘭州730050; 2．甘肅省液壓氣動工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州730050)

為了分析閥芯均壓槽對液壓滑閥微米級徑向配合間隙內(nèi)固體顆粒物分布的影響,建立含有不同均壓槽的間隙流場二維軸對稱模型,采用Fluent歐拉G歐拉液固兩相流模型對配合間隙內(nèi)流場進(jìn)行仿真計(jì)算.結(jié)果表明:均壓槽內(nèi)貼近閥體壁面處,固相體積分?jǐn)?shù)最高;均壓槽尺寸越小,間隙中心的固相體積分?jǐn)?shù)越低;U形槽時(shí),壁面處的固相體積分?jǐn)?shù)最高,矩形槽次之,三角槽時(shí)貼近閥體壁面處顆粒物分布最少,而槽底部固相含量最多;圓角三角槽可在很大程度上減小間隙中心的固相體積分?jǐn)?shù),三角槽對顆粒物的截留作用大,藏污能力強(qiáng).

液壓滑閥;配合間隙;均壓槽;顆粒分布;截留作用

引用格式:Zhao Chunling,Liu Xinqiang,Ji Hong,et al．Effect of Pressure Groove on the Distribution of Solid Particles in Fit Clearance of Spool Valve[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):92G96．[趙春玲,劉新強(qiáng),冀宏,等．均壓槽對滑閥配合間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(2):92G96．]

液壓滑閥被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中,是諸類液壓閥中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)[1,2].而滑閥依靠配合間隙密封,當(dāng)流體流過閥芯閥套間的配合間隙時(shí),液壓油中的固體顆粒物會侵入配合間隙并導(dǎo)致閥芯卡滯或卡緊,嚴(yán)重威脅液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性[3].

國內(nèi)外學(xué)者針對污染卡緊現(xiàn)象做了大量研究, 1965年,美國的俄克拉荷馬州立大學(xué)的流體動力研究中心就對液壓滑閥進(jìn)行了大量試驗(yàn),首次提出閥的污染敏感度概念,并對電磁換向閥的污染卡緊力與污染濃度之間的關(guān)系做了實(shí)際測量[4,5].吳小霞[6]分析了固體顆粒物對換向閥性能的影響,表明固體顆粒會滯留于配合間隙,產(chǎn)生污染卡緊力,當(dāng)電磁鐵推力不能克服所有阻力時(shí),就會使得換向速度變慢甚至完全不能換向.冀宏等[7]對先導(dǎo)式溢流閥的主閥配合間隙內(nèi)流場進(jìn)行了液固兩相流計(jì)算,提出了具有普適意義的固體顆粒物誘發(fā)閥芯卡滯的作用機(jī)制,其結(jié)果表明固體顆粒會在均壓槽處聚集.而針對閥芯均壓槽影響固體顆粒在滑閥配合間隙內(nèi)分布規(guī)律的研究尚未見到相關(guān)報(bào)道.

研究應(yīng)用Fluent歐拉G歐拉模型,對液壓滑閥徑向配合間隙內(nèi)的流場進(jìn)行液G固兩相流計(jì)算,分析均壓槽大小和形狀對固體顆粒物在間隙內(nèi)分布規(guī)律的影響,優(yōu)化閥芯均壓槽結(jié)構(gòu),為提高液壓滑閥的抗污染能力提供理論依據(jù).

1　滑閥配合間隙的CFD模型

1．1計(jì)算模型

液壓滑閥主要由閥體和閥芯組成,一般情況下閥芯上均開有均壓槽.圖1為全周開口滑閥的幾何模型,閥芯上均勻布置相同的均壓槽(圖中所示為矩形槽),閥芯沿其軸線移動以改變閥口開度,滑閥內(nèi)部流道的主要尺寸如圖1所示.

閥芯與閥體孔之間有多處配合間隙,用其中的一個(gè)配合面來說明間隙內(nèi)的流體流動狀態(tài).由于配合間隙內(nèi)流場關(guān)于閥芯軸線對稱,為減少計(jì)算量,將圖1中入口側(cè)滑閥間隙的流場簡化為如圖2所示的配合間隙內(nèi)流場二維軸對稱計(jì)算模型,對稱軸為閥芯軸線[7].其中配合間隙進(jìn)口壓力p1為閥腔入口壓力,間隙出口壓力p2為回油壓力,配合間隙總長8 mm,單邊間隙高度0．01 mm,矩形均壓槽寬度0．6 mm、高度0．4 mm、槽間距1 mm.

圖1　滑閥幾何模型(mm)Fig．1　Geometric model of spool valve(mm)

圖2　配合間隙內(nèi)流場計(jì)算模型Fig．2　Flow field calculation model in fit clearance

1．2網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對圖2中的二維軸對稱計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.圖3為模型中流體到達(dá)的第一個(gè)均壓槽以及均壓槽出口間隙處的局部網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格數(shù)量約為17．27萬,最差網(wǎng)格質(zhì)量為0．72,滿足計(jì)算要求.

圖3　局部網(wǎng)格劃分Fig．3　Local mesh generation

1．3計(jì)算條件

進(jìn)行流場分析計(jì)算之前,做如下假設(shè):(1)流場處于穩(wěn)定狀態(tài),各物理量不隨時(shí)間的變化而變化; (2)流體為牛頓流體;(3)流體不可壓縮;(4)不考慮熱效應(yīng)對流體的影響;(5)忽略流體重力.計(jì)算所需的各項(xiàng)參數(shù)如表1所列.

表1　流體及各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)Table 1　Fluid and calculation parameters

Fluent中提供了多種多相流計(jì)算模型,研究主要分析固體顆粒物在配合間隙內(nèi)的分布規(guī)律,采用歐拉G歐拉模型對流體和固體顆粒進(jìn)行計(jì)算,模型中顆粒物被看作連續(xù)相處理并占一定體積分?jǐn)?shù)[8].采用標(biāo)準(zhǔn)kGε湍流模型,固液兩相之間曳力函數(shù)選擇SyamlalGO?brien,各項(xiàng)收斂殘差設(shè)為10－8.

2　均壓槽尺寸對固體顆粒分布的影響

以矩形均壓槽為例,分析均壓槽的尺寸變化對固體顆粒物分布規(guī)律的影響.以間隙入口的中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,間隙中心線為x軸,其正向?yàn)榱黧w流動的方向,固相體積分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo),顯示配合間隙內(nèi)固體顆粒物的分布情況.

2．1均壓槽寬度對間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響

圖4是深度為0．4 mm的均壓槽,寬度分別為0．2 mm、0．4 mm、0．6 mm、0．8 mm時(shí),配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的變化曲線.由圖4可以看出,流體進(jìn)入第一個(gè)均壓槽前的間隙內(nèi),固相體積分?jǐn)?shù)近似為入口設(shè)定值0．05,而后部相鄰均壓槽之間的間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)約為0．051 5,這是由于間隙入口處壓力較高,第一段間隙的進(jìn)出口壓差大,顆粒物在壓差的作用下跟隨油液流入第一個(gè)均壓槽,隨著間隙內(nèi)的流動方向,壓降逐漸減小且變化平緩,部分顆粒物會在間隙內(nèi)發(fā)生滯留.均壓槽寬為0．2 mm時(shí),均壓槽處固相體積分?jǐn)?shù)的峰值為0．081 7,寬為0．4 mm時(shí)峰值為0．110 4,寬為0．6 mm時(shí)峰值為0．125 3,寬為0．8 mm時(shí)峰值為0．134 2.總體來說,均壓槽貼近閥體壁面處,固相體積分?jǐn)?shù)較高,且在流體到達(dá)的第一個(gè)均壓槽處為最大值,因?yàn)椴糠诸w粒物會滯留于均壓槽內(nèi),當(dāng)流體到達(dá)下一均壓槽時(shí),油液中的顆粒物相應(yīng)減少,均壓槽起到了對顆粒物截留的作用.均壓槽寬度增大,間隙內(nèi)均壓槽處的固相體積分?jǐn)?shù)也隨之增加,由于均壓槽寬度增大使得流體在槽內(nèi)的行程增加,流速減小幅度也增大,且顆粒物密度大,只有小部分可被低速流體帶出均壓槽,而當(dāng)槽寬增大到一定程度時(shí),寬度變化對顆粒分布變化的影響減小.均壓槽寬度的變化對相鄰均壓槽間隙內(nèi)固體顆粒的分布影響很小.

圖4　均壓槽寬度變化時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)的變化Fig．4　The change of solid volume fraction withvaried width in pressure groove

2．2均壓槽深度對間隙內(nèi)固體顆粒分布的影響

圖5　均壓槽深度變化時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)的變化Fig．5　The change of solid volume fraction with varied depth in pressure groove

圖5是寬度為0．6 mm的均壓槽,深度分別為0．2 mm、0．3 mm、0．4 mm、0．5 mm時(shí),配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的變化曲線.由圖5可以看出,第一個(gè)均壓槽前的間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)近似為入口設(shè)定值,而相鄰兩均壓槽之間的間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)均有微小程度的增加.均壓槽處固相體積分?jǐn)?shù)最高,均壓槽深度增大,固相體積分?jǐn)?shù)在槽內(nèi)的峰值也增大,當(dāng)槽深從0．2 mm增加為0．3 mm時(shí),固相體積分?jǐn)?shù)增加了0．018 7;從0．3 mm增加為0．4 mm時(shí),固相體積分?jǐn)?shù)增加了0．006 83;而深度從0．4 mm增加至0．5 mm時(shí),固相體積分?jǐn)?shù)只增加了0．003 2,增長幅度逐漸降低,所以當(dāng)均壓槽深度增加至一定程度時(shí),槽深的變化對顆粒分布的變化基本不產(chǎn)生影響.流體到達(dá)均壓槽時(shí)流動方向會發(fā)生突變,均壓槽深度增加,方向突變幅度隨之增加,初始流動方向上的流速逐漸減小,因此,流體對固體顆粒的攜帶能力減弱,顆粒物易在槽貼近閥體壁面處發(fā)生滯留.均壓槽深度的變化對相鄰兩槽之間間隙內(nèi)的顆粒分布影響很小.

3　均壓槽形狀對固體顆粒分布的影響

除了矩形外,還可將均壓槽加工為U形或三角形,圖6為均壓槽寬度和深度均相同而形狀不同時(shí),配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的變化曲線.由圖6可看出,三種不同形狀的均壓槽下,相鄰兩槽之間的配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)近似相等.U形槽時(shí),固體顆粒在間隙內(nèi)均壓槽處的體積分?jǐn)?shù)峰值為0．144 6;矩形槽時(shí),峰值為0．125 3;三角形槽時(shí),峰值為0．109 4;即U形槽時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)最高,矩形槽次之,三角槽最低,三角形均壓槽可在很大程度上降低配合間隙中心的固相體積分?jǐn)?shù).

圖6　不同均壓槽形狀間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的變化Fig．6　The change of solid volume fraction in different pressure groove clearance

將流體的原始流向和改變方向后流向之間的夾角定義為流體偏轉(zhuǎn)角.圖7為流體到達(dá)第一個(gè)均壓槽內(nèi)的顆粒分布云圖,其中θ表示主流偏轉(zhuǎn)角.均壓槽中間貼近閥體壁面處,固相體積分?jǐn)?shù)最高,且三角槽時(shí)的固相分?jǐn)?shù)相比矩形槽和U形槽較小,而三角形均壓槽底部的體積分?jǐn)?shù)近似為矩形槽和U形槽內(nèi)的兩倍.固體顆粒被流體帶入液壓滑閥后,其中一部分又跟隨液壓油流出,另一部分則隨液壓油侵入配合間隙.流體進(jìn)入均壓槽時(shí),流動方向發(fā)生變化,在矩形槽和U形槽內(nèi),主流束偏轉(zhuǎn)角θ較大,貼近閥體壁面處流體流速大幅度降低,而固體顆粒密度高,慣性大,會近似保持之前在間隙內(nèi)的直線運(yùn)動,但無法維持原有的速度,固G液兩相之間的速度差引起的阻力使固相開始減速甚至滯留,所以壁面處固相體積分?jǐn)?shù)較高,且矩形槽入口側(cè)內(nèi)壁處固相分?jǐn)?shù)較高,因此貼近壁面處的固相體積分?jǐn)?shù)較U形槽低.三角槽內(nèi),流體偏轉(zhuǎn)角θ相對較小,流速較大,可將部分顆粒帶出均壓槽,且有大量顆粒沿著傾斜均壓槽內(nèi)壁聚集于槽底而不被油液帶到后部均壓槽內(nèi),在一定程度上起到對固體顆粒物的截留作用,即藏污能力強(qiáng).

圖7　第一個(gè)均壓槽內(nèi)顆粒分布云圖Fig．7　Cloud atlas of particle distribution in the first pressure groove

三角形均壓槽底部的固相體積分?jǐn)?shù)較大,現(xiàn)將三角槽底部加工為圓角形式,圖8為三角形均壓槽有無圓角時(shí),配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的對比曲線.由圖8可以看出,底部為圓角時(shí),配合間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)明顯減小,非圓角時(shí)間隙內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)峰值為0．1094,圓角時(shí)峰值為0．0871,減小了0．0223.圖9為圓角均壓槽內(nèi)的顆粒分布云圖,與圖7(c)對比可看出,均壓槽底部的固相體積分?jǐn)?shù)增加,貼近閥體壁面處體積分?jǐn)?shù)減小.圖10為三角形均壓槽約1/4深度頂角內(nèi)的流線圖,圖10(a)中非圓角的三角槽底部存在大量漩渦,固體顆粒在漩渦的離心作用下,一部分被甩至底部聚集,一分部則被甩出漩渦,跟隨油液流出.圖10(b)中圓角三角槽內(nèi)油液流動更流暢,部分顆?？呻S油液流出均壓槽,只有底部含有少量小漩渦,固體顆粒在此漩渦的作用下聚集于槽底靠入口側(cè).圓角的存在使三角槽底部的藏污能力提高,間隙中心均壓槽處的固相體積分?jǐn)?shù)也有不同程度的降低,當(dāng)閥芯移動時(shí),被帶入相鄰配合間隙內(nèi)的顆粒物較少,可能會緩解滑閥閥芯卡滯的現(xiàn)象.

圖8　三角槽有無圓角時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)的變化Fig．8　The change of solid volume fraction in triangular groove with or without round corner

圖9　圓角三角槽內(nèi)顆粒分布云圖Fig．9　Cloud atlas of particle distribution in round triangular groove

圖10　三角槽頂角局部流線圖Fig．10　Local streamlines of vertical angle of triangular groove

4　結(jié)論

通過對帶有閥芯均壓槽的滑閥配合間隙內(nèi)流場進(jìn)行液G固兩相流仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)均壓槽的形狀和大小對配合間隙中心的固相體積分?jǐn)?shù)有明顯的影響.

(1)在一定范圍內(nèi),均壓槽的尺寸變化嚴(yán)重影響固體顆粒物在均壓槽貼近閥體壁面處的分布情況,均壓槽寬度越小,固相體積分?jǐn)?shù)越低,深度減小,固相分?jǐn)?shù)減小,當(dāng)尺寸超出一定值時(shí),這種變化造成的影響可忽略;

(2)U形均壓槽時(shí),間隙中心均壓槽處的固相體積分?jǐn)?shù)最高,矩形槽次之,三角槽時(shí)固體顆粒在配合間隙內(nèi)均壓槽處的體積分?jǐn)?shù)最小,三角形均壓槽對固體顆粒物的截留作用大,藏污能力強(qiáng);

(3)三角槽底部加工為圓角形式時(shí),藏污能力顯著提高,間隙中心均壓槽處的固相體積分?jǐn)?shù)大幅降低,當(dāng)閥芯移動時(shí),被帶入相鄰配合間隙內(nèi)的顆粒減少,可能會緩解滑閥閥芯卡滯的現(xiàn)象.

[1]劉良臣．我國工程機(jī)械液壓件的現(xiàn)狀及前景展望[J]．流體傳動與控制,2006,4(3):3G6．

[2]紀(jì)平．滑閥式電液步進(jìn)缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào), 1995,7(1):46G50．

[3]龔烈航．液壓系統(tǒng)污染控制[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2010．

[4]Inoue R．Contaminant Lock in Spool Type Directional Control ValvesGpart:Experimental Exploration[J]．The BFPR Journal, 1980,13(2):163G171．

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[8]江帆,黃鵬．Fluent高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2008．

Effect of Pressure Groove on the Distribution of Solid Particles in Fit Clearance of Spool Valve

Zhao Chunling1,2,Liu Xinqiang1,2,Ji Hong1,2,Wang Jinlin1,2
(1．College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Research Center for Hydraulics and Pneumatics Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730050,China)

In order to analyze the effect of valve element of pressure groove on the distribution of solid parG ticles of hydraulic spool valve in micronGsized fit clearance at radial direction,twoGdimensional axisGsymmeG try model of clearance flow field with different pressure groove is build and simulating calculation of fit clearance flow field is conducted by adopting Fluent eulerian liquidGsolid twoGphase flow model．The result indicates that solid volume fraction is highest in the pressure groove adjoined valve body wall and the recG tangular groove takes the second place．Particles of valve body wall in triangular groove is the least,while solid loading in groove bottom is the most．Round triangular groove can largely reduce the solid volume fraction in clearance centre,which has large retention of particles and strong ability for pollutant．

Hydraulic spool valve;Fit clearance;Pressure groove;Distribution of particles;Retention

T H137

A

1004G0366(2016)02G0092G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．020．

2015G02G25;

2015G03G13．

湖南省科技廳重大專項(xiàng)(2011FJ1046)．

趙春玲(1990G),女,甘肅民勤人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱黧w傳動與控制技術(shù)．EGmail:ningyao_tang＠126．com．