低壓安全閥全開流量偏低的原因分析與優(yōu)化改進

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(北京精密機電控制設備研究所， 北京 100076)

引言

閉式液壓伺服系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生大量熱能引起油液升溫，如果油液體積膨脹到低壓腔的最大容積后繼續(xù)膨脹就會引起系統(tǒng)低壓升高。在液壓源上設置一個低壓安全閥，以防止低壓升得過高引起液壓系統(tǒng)損壞：當系統(tǒng)低壓達到低壓安全閥的開啟壓力后，一部分低壓油通過低壓安全閥卸到油箱外，這樣就限制了系統(tǒng)低壓的上限，保護了液壓系統(tǒng)。

低壓安全閥是液壓伺服系統(tǒng)中的關鍵元件，其啟閉特性是影響產(chǎn)品質量甚至飛行任務成敗的關鍵特性。為保證低壓安全閥的排油功能，在伺服系統(tǒng)單元測試過程中設置了低壓安全閥檢查項目。

全開流量是啟閉特性中的一項重要指標，如果全開流量偏低導致低壓安全閥未能及時有效地卸荷，系統(tǒng)仍會存在低壓緩慢上升并破壞液壓系統(tǒng)的風險，危害較大，甚至影響任務成敗。某型號低壓安全閥產(chǎn)品在研制初期的啟閉特性檢查中，全開流量測試值均低于指標要求。因此，必須對全開流量偏低的原因進行準確分析并以此對閥的流道進行優(yōu)化設計，最后通過試驗對優(yōu)化方案進行驗證。

1 低壓安全閥工作原理

低壓安全閥結構示意圖如圖1所示。

1.密封墊 2.閥芯 3.彈簧 4.閥體 5.彈簧座圖1 低壓安全閥結構示意圖

該低壓安全閥采用單級彈簧加載式直動型結構，其工作原理：初始狀態(tài)時伺服系統(tǒng)的低壓油直接作用在閥芯和密封墊上，當液壓力小于設定的調(diào)壓彈簧力時，閥芯和密封墊在彈簧的作用下處于關閉位置，彈簧力使密封墊變形從而將進、出油口密封隔斷；當液壓力等于或大于設定的調(diào)壓彈簧力時，閥芯開啟，膨脹油液以一定的流量順利排出，有效地穩(wěn)定低壓油路壓力，保護油箱和低壓管路；當液壓力降至低于調(diào)定的彈簧力時，閥芯和密封墊在彈簧力的作用下返回并壓緊在閥體上阻斷進油口，低壓安全閥再次關閉。

2 全開流量偏低的原因分析

2.1 理論計算與分析

低壓安全閥開啟后的三維剖視圖見圖2，其中箭頭為閥內(nèi)部液壓油流動方向，閥芯處的局部流道放大圖見圖3。

圖2 低壓安全閥內(nèi)部流道三維剖視圖

低壓安全閥開啟瞬間，閥芯受力平衡方程式如下：

pc·AY=k·xc

(1)

式中，k—— 調(diào)壓彈簧剛度

xc—— 調(diào)壓彈簧預壓縮量

AY—— 進油口過流面積

pc—— 彈簧調(diào)定的開啟壓力

圖3 閥芯局部流道放大圖

系統(tǒng)低壓達到全開壓力后，全開壓力在閥芯端面的有效作用范圍主要集中在進油口過流面的投影內(nèi)，而閥芯端面在投影區(qū)域外所受液壓力趨近于閥出口大氣壓(近似為0)。在忽略摩擦力、液動力且不考慮油液的壓縮性時，列出閥芯在穩(wěn)態(tài)狀況下的受力平衡關系式：

p1·AY=pc·AY+k·x

(2)

式中，p1—— 全開壓力

x—— 從開啟壓力到全開壓力后彈簧的壓縮量，即閥芯開度

由式(2)計算得出，x=0.244 mm。

油液流經(jīng)低壓安全閥閥芯的流動屬于兩平行圓盤縫隙間的徑向流[1]：流動由閥芯端面進、出口的壓差引起，在閥芯左端面與閥體入口右端面間的圓盤縫隙中形成流量。全開流量是指閥芯在全開壓力作用下流經(jīng)閥口的液壓油流量。

閥芯開啟后溢流的壓力-流量方程[2]如下：

(3)

式中，QY—— 全開流量

Cd—— 流量系數(shù)

ρ—— 油液密度

Δp—— 閥芯端面進、出口壓差

A—— 閥芯處圓周過流面積[1]，A=2πr·x

r—— 進油口半徑

由式(3)可知，流量系數(shù)Cd和油液密度ρ均為定值，全開流量與閥芯過流面積A和閥芯端面進、出口壓差Δp有關。

由式(2)可知，若閥的全開壓力p1和開啟壓力pc一定，在不改變閥進油口過流面積AY的前提下，閥芯開度x(即過流面積A)也一定；而閥芯端面進、出口壓差Δp=p1-p2與閥芯端面出口壓力p2(如圖3所示)有關。若忽略不計閥芯端面出口“爪部倒角”處及其下游的壓力損失，則p2為大氣壓(約為0)，Δp=p1-p2≈p1。

將低壓安全閥實際結構設計參數(shù)代入式(3)計算，得出上述前提下的低壓安全閥全開流量QY=1.2 L/min，滿足設計指標要求QY≥0.8 L/min。但這與實際測試結果不一致，因此需進一步進行閥內(nèi)流場的仿真分析。

2.2 仿真計算與分析

利用CFD軟件對全開壓力下低壓安全閥內(nèi)部流場進行仿真計算[3]，仿真的基本模型如圖2所示。

CFD網(wǎng)格劃分[4-6]：

將低壓安全閥三維模型導入CFD軟件中進行流道的網(wǎng)格劃分。根據(jù)閥內(nèi)部流道結構特點，在復雜的流場處(如閥口和流道的拐角處)細化網(wǎng)格以達到精確快速求解的目的。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 低壓安全閥流道網(wǎng)格劃分模型

計算的邊界條件[7-9]：

(1) 閥內(nèi)的液壓油假設為不可壓縮流體，流動是單相流；

(2) 液壓油的流動為絕熱流動；

(3) 液壓油在流動過程中，導熱系數(shù)為常數(shù)；

(4) 閥進油孔取為壓力入口，閥出口取為壓力出口：入口為1.5 MPa，出口為大氣壓101325 Pa(約等于0.1 MPa)；

(5) 流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面；

(6) 流動狀態(tài)為湍流，采用標準k-ε兩方程湍流模型；

(7) 主要結構參數(shù)：閥芯開度0.244 mm；

(8) 計算所用的其他液壓油參數(shù)：密度ρ=860 kg/m3，動力黏度為μ=0.27 N·s·m-2。

通過對閥內(nèi)流場的仿真可得到閥內(nèi)壓力場的分布圖，結果以壓力云圖的形式給出。圖5為閥內(nèi)流場壓力云圖，圖6為壓力云圖的局部放大圖。

從仿真的壓力云圖結果可以看出，流道中閥芯爪部倒角處壓力p2遠大于閥出口大氣壓(約為0)，存在局部壓力損失。說明閥芯端面出口的爪部倒角處是明顯的節(jié)流結構，這就導致流道中p2升高，而閥芯端面進、出口的壓差Δp也因此降低。將此Δp仿真值代入式(3)計算，得到全開流量的仿真值小于理論計算值且不滿足要求值，與實測情況相符。因此，閥芯爪部倒角的大小直接影響其局部壓力損失大小，進而影響閥芯端面進、出口壓差和流量的大小。

圖5 閥內(nèi)流場壓力云圖

圖6 閥內(nèi)流場壓力云圖局部放大圖

圖7為閥芯結構三維模型，爪部倒角原結構設計參數(shù)如圖8所示。為進行對比研究[10]，調(diào)整爪部倒角參數(shù)再次進行閥內(nèi)流道的CFD仿真。倒角結構一般不超過45°，在45°之內(nèi)將模型中的閥芯爪部倒角增加為如圖9所示的0.6×30°。

圖7 閥芯結構三維模型示意圖

圖8 閥芯爪部倒角原結構尺寸示意圖

圖9 閥芯爪部倒角增大后的結構尺寸示意圖

圖10為閥芯倒角增大為0.6×30°后的閥內(nèi)流場壓力云圖，圖11為壓力云圖的局部放大圖。

圖10 閥芯爪部倒角增大后的閥內(nèi)流場壓力云圖

圖11 閥芯爪部倒角增大后的閥內(nèi)流場局部放大圖

由圖6和圖11放大圖可見，閥芯爪部倒角的增加明顯改善了流道內(nèi)油液的漩渦流動，油液過流更加通暢。這是因為液壓油流到閥芯爪部倒角處局部壓力損失和壓力p2降低，閥芯端面進、出口壓差變大，液壓油流動速度提高，從而流量也有所提高。因此，增加閥芯爪部倒角會使油液在低壓安全閥內(nèi)部流道的流動更加通暢，增加閥芯進、出口壓差，從而提高低壓安全閥的全開流量。

根據(jù)壓力云圖計算[3]可知，閥芯爪部倒角為30°的低壓安全閥比閥芯爪部倒角為15°的低壓安全閥閥芯端面進、出口壓差增加約33%.在閥芯開口相同的情況下，全開流量也相應增加約16%.根據(jù)仿真分析的對比結果，初步確定了低壓安全閥閥芯爪部倒角為30°的優(yōu)化改進[11-12]方案。

3 試驗驗證

為進一步驗證閥芯爪部倒角經(jīng)過改進增大后全開流量是否有所提高，并驗證內(nèi)部流場仿真的正確性及優(yōu)化改進的合理性，將15°爪部倒角和30°爪部倒角的2種閥芯分別裝配在不同的低壓安全閥中進行啟閉特性檢查。調(diào)定開啟壓力pc≥1.2 MPa時，固定好彈簧座。當流經(jīng)低壓安全閥的液壓油在出口處呈細線狀時，判斷為低壓安全閥開啟。復測開啟壓力，合格后測試全開壓力下的流量。將油壓升至全開壓力1.5 MPa，此時測試排油管流出的液壓油流量即為全開流量，如圖12所示。

圖12 低壓安全閥啟閉特性測試試驗

用2件不同的低壓安全閥(編號分別為C01017、C01015)分別裝配2種不同的閥芯進行啟閉特性測試，全開流量測試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

表1 低壓安全閥(編號：C01017)測試數(shù)據(jù)

表2 低壓安全閥(編號：C01015)測試數(shù)據(jù)

由表中測試數(shù)據(jù)可以看出，低壓安全閥在裝配0.6×30°爪部倒角閥芯時，全開流量較大，過流通暢，能夠滿足設計指標要求，測試結果和仿真結果趨勢相符。

因此，將低壓安全閥產(chǎn)品的閥芯爪部倒角結構優(yōu)化改進[11-12]為0.6×30°。經(jīng)驗證，采用優(yōu)化方案的低壓安全閥產(chǎn)品的全開流量調(diào)試合格率在90%以上，此結構已經(jīng)成功地應用在型號伺服液壓源產(chǎn)品上。

4 結論

(1) CFD軟件的流場仿真能夠對低壓安全閥內(nèi)液壓油的流動特性進行精確模擬，對于研究分析低壓安全閥全開流量偏低的原因具有重要作用，有利于產(chǎn)品的優(yōu)化改進；

(2) 節(jié)流結構“閥芯爪部倒角”的增大，改善了閥內(nèi)部流動，降低了此處的局部壓力損失和閥芯端面出口壓力，進而提高了閥芯端面進、出口壓差。而在閥芯過流面積已確定的前提下，最終提高了全開流量的大小。