基于Fluent的采棉頭舉升液壓閥塊設(shè)計(jì)與優(yōu)化?

高冬冬，木合塔爾·克力木

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

在原有采棉頭舉升液壓系統(tǒng)中，油路管道較復(fù)雜且振動(dòng)劇烈、存在較大的液壓油泄露等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)了舉升液壓集成塊，通過(guò)安裝不同的液壓閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.液壓閥塊作為采棉頭液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件，可有效地提高采棉機(jī)工作效率，其具有集成化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、泄露、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)[1?2].液壓集成塊能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失，由于流體質(zhì)點(diǎn)間存在粘性力以及分子間作用力，其阻礙流體流動(dòng).壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失[3].沿程壓力損失主要由流道的長(zhǎng)度、內(nèi)徑接觸表面的粗糙度以及流體流動(dòng)狀態(tài)與速度影響，而局部壓力損失主要由流道局部結(jié)構(gòu)（彎管、截面突變等）影響.由于集成塊需要連接不同的液壓閥，因此其管路較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮管道結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響和壓力損失，通過(guò)優(yōu)化集成塊內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)，減少壓力損失，降低能耗.

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立

如圖1所示，采棉頭舉升液壓系統(tǒng)由3個(gè)液壓缸、3個(gè)單向節(jié)流閥、3個(gè)電磁閥、3個(gè)液控單向閥、溢流閥、液壓泵及其他輔助液壓元件組成.液壓集成塊的設(shè)計(jì)過(guò)程是依據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)本身的油路結(jié)構(gòu)和空間大小，確定集成塊內(nèi)部的孔道結(jié)構(gòu)（圖2）和液壓元件安裝位置，從而使該舉升液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)省大量空間、便于安裝維護(hù).其中液壓泵和三個(gè)液壓缸通過(guò)集成塊上的管接頭用油管連接，進(jìn)行傳遞動(dòng)力，完成作業(yè).

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖Fig 1 Hydraulic system schematic

圖2 液壓閥塊三維模型Fig 2 Hydraulic valve block 3D model

1.2 基本控制方程

液壓集成塊內(nèi)部液流流動(dòng)比較復(fù)雜，其流體的流動(dòng)認(rèn)為粘性不可壓縮、非定常湍流流動(dòng).湍流采用兩方程模型中的k-ε湍流模型，另外還有連續(xù)方程和Navier-Stokes方程來(lái)計(jì)算求解管道內(nèi)液壓油流動(dòng)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

連續(xù)方程為

式中，ρ為密度，t為時(shí)間，vx,vy,vz分別為x,y,z三個(gè)方向的速度分量.

Navier - Stokes方程為

其中，V為速度矢量，f為質(zhì)量力，p為壓強(qiáng)力，τij為黏性力張量.

k-ε方程[4?6]為

式中，τ1ε=1.44，τ2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3.

2 內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的分析

集成塊內(nèi)部流場(chǎng)受內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的影響，從而產(chǎn)生能量損失，降低系統(tǒng)工作效率.該集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)主要由直角彎管結(jié)構(gòu)，Z型孔道結(jié)構(gòu)、T型孔道結(jié)構(gòu)等組成，利用Fluent軟件對(duì)這些孔道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析這些流道對(duì)于流體在集成塊內(nèi)的速度、壓力分布規(guī)律，研究集成塊內(nèi)部產(chǎn)生壓力損失的原因，為閥塊流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ).

2.1 直角彎管

液壓集成塊中的直角轉(zhuǎn)彎孔道一般通過(guò)鉆孔、擴(kuò)孔和鉸孔等方法[6]加工孔道，實(shí)際加工過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的刀尖角容腔.直角彎管相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：進(jìn)油口直徑D1=16 mm，長(zhǎng)度L1=30 mm，刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度&=0.5，直徑D1=8 mm，回油口直徑D2=16 mm，L2=25 mm.仿真時(shí)液壓油為35#抗磨液壓油，其密度取ρ=850 kg/m3，進(jìn)油口速度為v=6 m/s，出口壓力為0.35 MPa.經(jīng)過(guò)Fluent分析得出直角轉(zhuǎn)彎流道壓力云圖和速度矢量分布圖，見(jiàn)圖4.

圖3 直角彎管結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Right angle bend structure diagram

圖4 直角彎管結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分布Fig 4 Flow field distribution of right angle elbow structure

液壓油在進(jìn)油孔、出油孔沿著孔道流動(dòng)主要表現(xiàn)為擴(kuò)散和附壁，壓力損失較??；而在轉(zhuǎn)彎處由于液流的速度方向突然發(fā)生突變，在刀尖角和流道內(nèi)壁側(cè)產(chǎn)生了旋渦[7]，而維持旋渦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將消耗較大的能量，從而產(chǎn)生了較大的壓力損失，不利于系統(tǒng)能源的有效利用.這也是集成塊產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲和能量損失的主要原因.因此，本文根據(jù)表1刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度&的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析得到了各參數(shù)下壓力損失.由表1可知，當(dāng)&=0.45D1時(shí)壓力損失最小為0.05 MPa；在長(zhǎng)度為0.3D1時(shí),壓力損失為0.098 MPa；在0.45D1之后壓力損失開(kāi)始增大，可見(jiàn)在具體集成塊加工設(shè)計(jì)時(shí)刀尖角區(qū)域長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，這樣可以使得壓力損失相對(duì)較小，可在一定程度上減小壓力損失提高能源的利用率.

表1 不同參數(shù)下壓力損失Tab 1 Pressure loss under different parameters

2.2 Z型孔道

在液壓集成塊設(shè)計(jì)中，由于集成塊結(jié)構(gòu)尺寸的限制，使得液壓閥塊不同表面的液壓元件不能夠直接相連，基于此種情況，需要利用不同的孔道連接，孔道之間的連接需要工藝孔，Z型孔道結(jié)構(gòu)可以使得閥塊不同表面的液壓元件實(shí)現(xiàn)連接，在一定程度上減少了空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)液壓元件的連接.如圖5所示為Z型孔道模型.具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：進(jìn)油口直徑D3=10 mm，孔道深度L3=40 mm，工藝孔直徑D2=8 mm，深度L2=40 mm，出油口直徑D1=10 mm，孔道深度L1=30 mm.仿真時(shí)的邊界條件為：進(jìn)油口速度為v=6 m/s，出口壓力為0.3 MPa，液壓油密度ρ=850 kg/m3.

圖5 Z型孔道結(jié)構(gòu)示意圖Fig 5 Z-shaped channel structure diagram

圖6 Z型結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分布Fig 6 Z-shaped structure flow field distribution

由速度矢量云圖6a可以看出，在進(jìn)油口孔道結(jié)構(gòu)直角轉(zhuǎn)彎處，由于結(jié)構(gòu)突然的改變，使得液流流動(dòng)方向發(fā)生改變，一部分流體質(zhì)點(diǎn)速度發(fā)生改變，主流和固體壁面發(fā)生邊界脫離，在主流與邊界層有渦之間形成漩渦負(fù)壓區(qū)，漩渦負(fù)壓區(qū)內(nèi)不斷有渦體產(chǎn)生，又不斷被主流帶走，渦體不斷與主流產(chǎn)生動(dòng)量或質(zhì)量的交換，相互碰撞加劇，旋渦的運(yùn)動(dòng)維持將消耗較大的能量，因此在此處壓力損失較大為0.066 9 MPa.為了降低Z型結(jié)構(gòu)的壓力損失，本文研究了工藝孔長(zhǎng)度對(duì)壓力損失的影響.

按照表2對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的工藝孔長(zhǎng)度進(jìn)行模擬仿真分析.由圖7a所示，當(dāng)工藝孔長(zhǎng)度取3倍的進(jìn)油口直徑時(shí)，均布?jí)毫p失最大為0.138 37 MPa，隨著工藝孔長(zhǎng)度的增加，壓力損失在逐漸減小，最后穩(wěn)定在0.07 MPa附近.在集成塊設(shè)計(jì)時(shí)，在合理的范圍內(nèi)，工藝孔長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能長(zhǎng)一些，從而減少壓力損失.

表2 不同參數(shù)下壓力損失Tab 2 Pressure loss under different parameters

圖7 不同工藝孔長(zhǎng)度壓力分布云圖Fig 7 Pressure distribution cloud map of different process hole lengths

2.3 T型孔道

集成塊中存在著較多的T型流道，應(yīng)用比較廣泛，對(duì)于該結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的分析具有重要意義.流道中液流的流動(dòng)狀態(tài)分為合流和分流，本文所涉及的T型流道中液流狀態(tài)為分流.圖9所示為T型孔道模型，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：進(jìn)油口直徑D2=10 mm，孔道深度L2=30 mm，出油口直徑D1=10 mm，孔道深度L1=40 mm.仿真時(shí)邊界條件進(jìn)油口速度為v=6 m/s，出口壓力為0.5 MPa，液壓油密度ρ=850 kg/m3.從圖8中壓力云圖可以看出，閥塊T型結(jié)構(gòu)中液流沿著流道擴(kuò)散產(chǎn)生了沿程損失，在到尖角區(qū)域壓力變化較大，可以抵消液流在分流處突然擴(kuò)散造成的沖擊.從速度矢量云圖發(fā)現(xiàn)，液流在分流時(shí)速度方向發(fā)生改變，產(chǎn)生了壓力損失.

圖8 T型結(jié)構(gòu)流場(chǎng)分布Fig 8 T-shaped structure flow field distribution

為了降低T型結(jié)構(gòu)壓力損失，本文研究了不同進(jìn)油口直徑對(duì)其壓力損失的影響.

按照表3對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的進(jìn)油口直徑進(jìn)行模擬仿真分析.可以看出，當(dāng)進(jìn)油口直徑取小于出油口直徑時(shí)，隨著直徑的增加，壓力損失在減??；當(dāng)進(jìn)油口直徑大于出油口直徑時(shí)，隨著直徑的增加，壓力損失在增大.仿真結(jié)果壓力損失較小值為0.058 56 MPa，此時(shí)進(jìn)油口直徑D1=0.95D2.在設(shè)計(jì)閥塊時(shí)，進(jìn)油口和出油口直徑盡量相等.

圖9 T型孔道結(jié)構(gòu)示意圖Fig 9 T-shaped channel structure diagram

表3 不同參數(shù)下壓力損失Tab 3 Pressure loss under different parameters

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)液壓閥塊內(nèi)部孔道流場(chǎng)分析和優(yōu)化，根據(jù)仿真的優(yōu)化結(jié)果加工出液壓閥塊如圖10所示，并且利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證閥塊的工作性能與測(cè)量壓力損失如圖11所示.

圖10 液壓閥塊實(shí)物圖Fig 10 Hydraulic valve block physical map

圖11 液壓閥塊實(shí)驗(yàn)Fig 11 Hydraulic valve block experiment

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電液比例測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集安置于閥塊進(jìn)出油口的壓力傳感器信號(hào)，將壓力傳感器安放在閥塊上測(cè)壓點(diǎn)測(cè)得了直角彎管、Z型結(jié)構(gòu)和T型結(jié)構(gòu)的進(jìn)出油口壓力損失，如表4所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，閥塊可以滿足采棉頭升降功能要求，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明對(duì)閥塊內(nèi)部流場(chǎng)的分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化這種方法是可行的，為液壓閥塊優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

表4 壓力損失對(duì)比Tab 4 Pressure loss comparison

5 結(jié)論

(1)液壓閥塊的設(shè)計(jì)可以提高采棉頭舉升系統(tǒng)工作，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，減少振動(dòng)及泄露，簡(jiǎn)化統(tǒng)油路，節(jié)約成本.

(2)通過(guò)對(duì)液壓閥塊仿真分析，深入了解閥塊流道內(nèi)液流流動(dòng)特性，根據(jù)閥塊中孔道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少流道的壓力損失，提高能量利用效率.

(3)根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果，加工制造了閥塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：閥塊可以滿足采棉頭作業(yè)使用要求.測(cè)得的各個(gè)結(jié)構(gòu)壓力損失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本符合，說(shuō)明結(jié)構(gòu)優(yōu)化這種方法是可行的，為閥塊優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).