基于動網(wǎng)格技術(shù)的滑閥液動力分析

袁俊 蔡佳敏

摘? ?要：文章以某三級電液伺服閥為研究對象，在0～3 mm的閥開口量范圍內(nèi)，研究其主閥在不同時刻的動態(tài)壓力特性。文章基于CFD動網(wǎng)格仿真技術(shù)，根據(jù)已有結(jié)構(gòu)尺寸，利用ICEM建立了主閥的二維仿真模型，得到主閥在不同時刻所受的力，分析在不同工作壓力下閥的受力影響，為功率級滑閥的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：動網(wǎng)格;瞬態(tài)液壓力;Fluent平臺

電液伺服閥是連接液壓部分和電氣部分的橋梁，集機械、電氣、液壓及控制技術(shù)于一體，能將輸入的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤盒盘?，?qū)動執(zhí)行元件作為液壓伺服系統(tǒng)的核心元件。其性能的好壞對整個伺服控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣有重要的影響。然而，對于實際三級電液伺服閥滑閥而言，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，尺寸千差萬別，再加上難以觀察到液流流過滑閥閥口的流動狀態(tài)，通過實驗來分析影響液流流態(tài)的各種因素十分困難。

仿真技術(shù)是解決該類問題的一個重要研究途徑。Fluent軟件中的動網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地解決計算域內(nèi)物體運動的問題，主要使求解過程中的網(wǎng)格發(fā)生運動和不斷更新、變化，從而解決瞬態(tài)仿真問題。運用動網(wǎng)格技術(shù)解決瞬態(tài)問題，可以極大地減少建模時重復(fù)的工作量，且仿真結(jié)果更直觀、更接近實際情況。因此，本文使用Fluent軟件對三級電液伺服閥功率級主閥在開啟時所受的力進行數(shù)值仿真研究，為三級電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1? ? 滑閥ICEM模型及計算條件

1.1? 模型設(shè)置

本文研究的三級電液伺服閥額定流量為1 000 L/min，閥芯行程為3.0 mm，閥芯和閥套的控制節(jié)流邊按全周節(jié)流邊設(shè)計。三級電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。該閥有左右對稱的兩個主閥腔，每個閥腔為對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算量，取單個閥腔的1/2建立二維模型，并進行網(wǎng)格劃分。模型整體的尺寸為20×50 mm，閥口最小開口量只有幾百微米，而且本模型不是規(guī)則的幾何模型，在仿真過程中，采用整體劃分網(wǎng)格的話會發(fā)生網(wǎng)格畸變，因此，采用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分[1]。

理想網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置如圖2所示，是閥開口量為3 mm時閥芯閥套之間的過流空間。油液由P口流入，從A口流出，P口和A口的邊界條件分別為壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件。

實際網(wǎng)格劃分如圖3所示。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為0.3 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，左右兩個網(wǎng)格區(qū)域分兩次畫出。

1.2? 仿真條件與參數(shù)選取

本文中功率級滑閥閥芯直徑d1=30 mm，閥桿直徑d2=18 mm，閥芯最大位移xmax=3 mm。針對此模型的仿真在分析問題允許的誤差范圍內(nèi)，若僅考慮對結(jié)果影響較大的主要因素，忽略次要因素，則對計算模型的仿真研究提供了如下假設(shè)。

（1）假設(shè)伺服閥用滑閥為理想滑閥結(jié)構(gòu)，即認為滑閥所有的節(jié)流邊為直角形狀且具有尖銳的棱邊，閥芯與閥體之間配合完美，無配合間隙，不可能發(fā)生泄漏。

（2）仿真中所用流體為牛頓流體，流體在壓力作用下不可壓縮。

（3）不考慮配合件之間的摩擦及摩擦與節(jié)流升溫對伺服閥用滑閥內(nèi)流場的影響。

本文以壓力入口和壓力出口為邊界條件，根據(jù)所選閥空載時壓力參數(shù)設(shè)定計算參考值分別為Pin=7 MPa，Pout=3.5 MPa。通過選定的閥的頻率特性曲線，根據(jù)時間步長設(shè)置，初步設(shè)定滑閥運動速度V=1 mm/s為計算的初始條件。為了使仿真更加準確和便于計算，選定水作為內(nèi)部流體，其密度ρ=916.8 kg/m3，運動粘度μ=0.002 98 Pa·s，熱傳導(dǎo)系數(shù)k=0.62 W/m·K。

2? ? 動網(wǎng)格及相關(guān)程序設(shè)置

2.1? 動網(wǎng)格設(shè)置

動網(wǎng)格技術(shù)被應(yīng)用于計算運動邊界問題。通過預(yù)先指定線速度或角速度來實現(xiàn)邊界的運動，通過迭代前一步的計算結(jié)果實現(xiàn)運動。在計算前，必須先定義網(wǎng)格的初始狀態(tài)，在邊界運動后，其流域的網(wǎng)格更新遵循用戶選擇的更新方式在Fluent內(nèi)自動完成。

本文研究滑閥在運動時所受的力，仿真內(nèi)部計算域是隨著時間發(fā)生變化的，屬于非穩(wěn)態(tài)問題。因此，本文決定利用動網(wǎng)格仿真技術(shù)，通過用戶自定義函數(shù)來定義邊界的運動規(guī)律，最終模擬仿真。對比動網(wǎng)格的幾種更新方式，結(jié)合所建立的網(wǎng)格模型，采用動態(tài)層更新法[2]來實現(xiàn)動網(wǎng)格更新，并選用常值比例法進行網(wǎng)格的切割，采用默認設(shè)置即可，即分裂因子為0.40，收縮因子為0.04。

2.2? 用戶自定義函數(shù)與程序編寫

UDF是Fluent軟件提供的一個用戶接口，必須在C語言編譯器內(nèi)編寫，然后導(dǎo)入到Fluent軟件中編譯并加載，UDF的基本功能有指定邊界條件、定義材料屬性、修改源項、定義網(wǎng)格運動等。

本文采用DEFINE_CG_MOTION宏函數(shù)，可以實現(xiàn)對特殊動態(tài)域移動的定義。本文主要是給定其中一條邊一個速度，達到開口增大的目的。UDF程序如下。

#include

#include”udf.h”

DEFINE_CG_MOTION（valve，dt，cg_vel，cg_omega，time，dtime）

{

if（time<=3）

cg_vel[0]=1.0;

else

cg_vel[0]=0.0;

}

該宏中cg_vel指平動速度，cg_omega指轉(zhuǎn)動速度，二者都是矢量，cg_vel[0]就是cg_vel的x方向的分量。以此類推，可以知道，cg_vel[1]和cg_vel[2]分別是cg_vel的y和z方向的分量，若是速度值定義為負的，則速度方向沿軸的負方向。cg_omega的分量也可以按照相同的方法定義。在程序中，time指運動時間，當(dāng)運動時間小于3 s時，所定義邊的x方向的運動速度為1 m/s，若是超過該時間，則速度變?yōu)?。

2.3? 仿真計算中殘差及時間步長設(shè)置

（1）殘差值的設(shè)置。將閥內(nèi)流場中速度、湍流動能、湍流散耗率的殘差精度均設(shè)置為0.001。當(dāng)以上參數(shù)的殘差精度都達到0.001時，即可認為計算達到收斂要求，本文是瞬態(tài)問題，只要當(dāng)開口到達3 mm，即停止仿真，默認為達到收斂。

（2）時間步長的設(shè)置。在仿真過程中，避免網(wǎng)格負體積的產(chǎn)生是需要注意的問題，負體積的產(chǎn)生與許多因素有關(guān)[3]，如網(wǎng)格的劃分、塊的劃分和時間步長設(shè)置。時間步長的設(shè)定是根據(jù)用戶的計算需要，先粗略算出特征長度除以特征速度的值，一般來說，比計算的值小2～3個數(shù)量級即可作為時間步長。本文特征長度/特征速度為3 s，通過仿真，結(jié)合迭代次數(shù)，設(shè)定總迭代100次，時間步長設(shè)定0.03 s。

3? ?仿真結(jié)果分析

3.1? 滑閥不同時刻所受力的分析

按照上文建立模型并設(shè)置好參數(shù)后，運行仿真模型，即可得到仿真模型中每個邊受到的力，可得出閥芯在不同時刻所受液動力的大小。在油溫為27 ℃、工作壓力為7.0 MPa（出口壓力為3.5 MPa）的環(huán)境下進行仿真。

根據(jù)仿真結(jié)果，繪制出液動力與時間即開口量之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。在繪制時考慮了液動力的符號。實際上，整個仿真過程都是以閥芯的右移為正方向的，仿真結(jié)果為負值時，表明液動力方向向左，為正值時方向向右。

由圖4可知，滑閥所受的液動力與時間（開口量）呈非線性關(guān)系。在時間為0.03～0.45 s，即開口量為0.60（初始開口量設(shè)定為0.60 mm）～1.05 mm區(qū)域內(nèi)滑閥受的液壓力隨著開口量的增加而減小。這是因為在此區(qū)域液流狀態(tài)完成了從附壁流到自由流的轉(zhuǎn)變，由于附壁流的流量系數(shù)大于自由流的流量系數(shù)，流量系數(shù)減小剛好抵消了閥開口量增加的影響。當(dāng)時間為0.45～1.35 s時，受力增加，因為隨著開口量的增加，流量會逐漸增多，導(dǎo)致滑閥受力增加。在時間為1.35～3.00 s時，所受力開始減少此時滑閥的另一臺肩開始受到流體的沖擊，受到與初始臺肩相反的力，使得滑閥受到的合力減小，最終使得滑閥受到相左的合力。仿真結(jié)果表明：滑閥所受的液動力很大，最大時壓強能到1.2 MPa。

3.2? 不同工作壓力對液動力的影響

實際上，電液伺服閥的使用場合和工作的環(huán)境多種多樣，需要改變環(huán)境變量，探究不同工況下滑閥所受的液壓力。

保持滑閥閥口的壓降不變，液壓油的溫度27 ℃不變，只改變進口處的壓力值，分別取工作壓力為5、7、9 MPa。根據(jù)仿真結(jié)果即可繪制出相同油液溫度和閥口壓降情況下不同工作壓力對穩(wěn)態(tài)液動力影響的曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在允許的工作壓力范圍內(nèi)，在油液工作溫度和閥口壓降相同的情況下，不同工作壓力對其所受液動力有著很大的影響。當(dāng)工作壓力增大時，閥芯所受最大液動力也會增大，而且最大液動力和最小液動力之差會顯著增大，使得閥芯受到震動，縮短閥芯的使用壽命。當(dāng)工作壓力很小時，若開口量增大，閥芯則較為平穩(wěn)。

4? ? 結(jié)語

對三級電液伺服閥功率級所受瞬時液動力進行仿真分析，得到的結(jié)果如下。

（1）在滑閥向右運動的過程中，滑閥所受的力并非線性增加，而是與開口量有關(guān)系，開口量較少時，流態(tài)切換液動力減少。當(dāng)流態(tài)切換完成后，隨著開口量增大，液動力逐漸增大。當(dāng)兩臺肩都受到液動力時，滑閥所受合力又開始減少，最終受到與運動方向相反的合力。

（2）滑閥所受液動力會隨著工作壓力的改變而改變。當(dāng)工作壓力增加時，滑閥所受的最大壓力和壓力極差會增加，會引起閥芯產(chǎn)生震動。

[參考文獻]

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