基于CFD的液壓滑閥過流特性的穩(wěn)態(tài)分析

摘 要：液壓滑閥是液壓系統(tǒng)的主要控制元件之一，其性能好壞直接影響到整個液壓系統(tǒng)的性能。本文應(yīng)用軟件PRO/E建立滑閥內(nèi)部流道的三維模型，然后應(yīng)用Gambit軟件劃分網(wǎng)格，最后運(yùn)用Fluent軟件對不同閥芯開度和不同流量下滑閥內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。所做工作對于滑閥后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化、了解滑閥過流特性具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：滑閥；Fluent；壓力云圖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.001

0 引言

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，對整個液壓系統(tǒng)或液壓元件的性能要求越來越高，采用先進(jìn)的設(shè)計方法或技術(shù)手段研究系統(tǒng)或元件性能，特別是其內(nèi)部運(yùn)行情況的研究對于提供有效的設(shè)計依據(jù)具有十分重要的意義。液壓滑閥是液壓系統(tǒng)的主要控制元件之一，它通過改變閥芯和閥體的相對工作位置來實現(xiàn)對流體的壓力、流量、方向的控制[1]。流體流經(jīng)閥內(nèi)流道特別是滑閥閥口時，由于閥口過流斷面面積的減小會造成一定的壓力損失和能量的消耗，嚴(yán)重時甚至造成氣穴現(xiàn)象，導(dǎo)致振動或噪聲。另外，流體流經(jīng)閥腔時，由于動量的變化會產(chǎn)生液動力，對閥芯的操縱性能造成影響[2-3]。因此，研究液壓滑閥流道內(nèi)流體的流動特性對于了解預(yù)測其內(nèi)部流場壓力、速度分布及其受力情況和后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義。本文采用CFD（Computational Fluid Dynamic）軟件Fluent對液壓滑閥在進(jìn)口節(jié)流工況下采用單相流技術(shù)對其內(nèi)部流場進(jìn)行了定常仿真計算，分析了流量變化和閥口開度變化對于其內(nèi)部流場的壓力和速度分布的影響。

1 模型的建立

液壓滑閥的幾何結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.其中a=7mm，b=4.5mm，c=4.5mm，閥桿直徑d=6mm，長e=15mm，閥芯直徑D=11mm.內(nèi)流道建模時假設(shè)閥芯與閥體精確配合，無徑向間隙。應(yīng)用參數(shù)化建模性能良好的軟件Pro/E建立三維模型，由于滑閥內(nèi)部流道呈面對稱結(jié)構(gòu)，在此僅建立了其半剖模型，以節(jié)省計算時間和計算機(jī)內(nèi)存，并對進(jìn)出口管道進(jìn)行了適當(dāng)延長。應(yīng)用軟件GAMBIT對建立好的模型進(jìn)行先線再面后體網(wǎng)格方式劃分網(wǎng)格，體網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，如圖2為開度為1mm時的網(wǎng)格模型圖。 其中閥口處壓力梯度變化比較大，在靠近閥口附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化[4]。

2 計算條件

假設(shè)流體為不可壓縮、牛頓流體。油液采用抗磨液壓油，密度為860kg/m3，動力粘度為0.02494；采用標(biāo)準(zhǔn)兩方程紊流模型。邊界條件為速度入口和壓力出口，速度有流量換算得到，出口壓力取絕對壓力0.2MPa。 流體與壁面接觸的邊界為靜止，無滑移壁面，不考慮熱傳導(dǎo)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 開口度變化對閥內(nèi)流場的影響

圖3、4、5分別為流量為40L/min，閥口開度為0.25mm、0.5mm、1mm時對稱面上的壓速度矢量圖壓力分布云圖，壓力局部放大圖為進(jìn)油口流入經(jīng)閥口附近閥體和閥芯壁面區(qū)域。

對比圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）可知：相同進(jìn)口流量下，通過閥口的流體主流束的射流角度隨著閥口開度的增大，射流角度減小，流速減小，故在計算液動力的理論值時應(yīng)考慮射流角的變化。隨著開度的增大，流經(jīng)閥口的主流流體與閥芯壁面脫離程度增大；在靠近閥口的閥芯壁面附近的旋渦的尺寸和強(qiáng)度增大，可以通過把閥桿與閥芯臺肩相連的地方設(shè)計成流線型的過渡連接以減弱甚至消除這種渦流的形成；而靠近閥口的閥體壁面附近的旋渦的尺寸和強(qiáng)度則隨著開口度的增大而逐漸減小。在閥腔出口處的右上角形成的旋渦隨著開口度增大其尺寸和強(qiáng)度變小。對比圖3（b）、圖4（b）、圖5（b）得出：相同流量下，閥口開度越小，閥口處流速變化大，產(chǎn)生的壓降越大，閥口處越易出現(xiàn)負(fù)壓，且范圍越大，負(fù)壓值越大，進(jìn)口節(jié)流時氣穴主要發(fā)生在靠近閥口的閥芯壁面。

3.2 流量變化對閥內(nèi)流場的影響

為了對比流量變化時對閥內(nèi)流場的影響，取開度為0.5mm，流量為60L/min時的仿真結(jié)果如圖6所示，將其與圖4中的壓力分布圖和速度矢量圖進(jìn)行對比。

對比圖4和圖6可知，在相同開口度時，隨著流量的增大，閥口處的速度增大，但速度矢量分布基本相同，只是數(shù)值的變化，說明在滑閥流道內(nèi)旋渦分布變化主要受閥口開度的影響。油液從進(jìn)油腔流入閥口時，在閥口處靠近閥芯壁面處出現(xiàn)了負(fù)壓，流量越大負(fù)壓值越大，但是壓力分布區(qū)域基本相同?？梢缘贸鲈摻Y(jié)構(gòu)尺寸閥適合于在小流量工況下工作，當(dāng)流量太大時會因為大的負(fù)壓而發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）開口度越小，流線流線附壁現(xiàn)象越嚴(yán)重，射流角越大。在實際估計液動力時應(yīng)考慮射流角的變化。而開口度一定時，流量變化對于速度場和壓力場的分布規(guī)律影響很小，隨著流量的增大，壓力減小，當(dāng)流量增大到一定數(shù)值時出現(xiàn)負(fù)壓。滑閥流道內(nèi)旋渦分布變化主要受閥口開度的影響。

（2）進(jìn)口節(jié)流時氣穴主要發(fā)生在靠近閥口的閥芯壁面。開口度越小，流量越大，閥口處的流體的流速變化越大，產(chǎn)生的壓降越大，閥芯壁面上負(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓絕對值越大，越容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，易導(dǎo)致振動和噪聲增大。應(yīng)盡量避免該閥在這種工況下工作，或依據(jù)仿真結(jié)果對閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以盡可能減小對閥芯或閥體的損壞。在閥芯材料上，可以考慮耐腐蝕耐磨損材料的閥芯。

參考文獻(xiàn)：

[1]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]鄭淑娟，權(quán)龍，雷紅霞.插裝型液壓錐閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬及可視化分析[J].流體傳動與控制，2005（02）：18-22.

[3]方子帆，賀青松，譚宗柒等.液壓閥閥體內(nèi)流場的數(shù)值分析和可視化[J].三峽大學(xué)學(xué)報，2011，33（02）：63-65.

[4]王國志，王艷珍，鄧斌等.水壓滑閥流動特性可視化分析[J]. 機(jī)床與液壓，2003（01）：95-96.

作者簡介：高小瑞（1983-），女，山西襄汾人，講師，碩士，從事輪機(jī)工程和液壓、流體傳動方面教學(xué)研究工作。