液壓多路閥CFD仿真分析與試驗(yàn)研究

羅春雷

摘要：針對三一汽車起重機(jī)械公司某型號多路閥閥腔內(nèi)的復(fù)雜流動情況，通過對其進(jìn)行CFD模擬仿真，分析內(nèi)部的流動特性，并探究不同工況下的閥芯受力情況。考慮開口度大小、閥芯旋轉(zhuǎn)角度、附面層厚度等因素，借助CFD軟件STAR CCM+進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，油液在節(jié)流口的節(jié)流特性是造成進(jìn)出口壓力損失、速度變化的主要原因;閥芯受到的液動力大小與流量、開口度大小相關(guān)（流量、開口度等都是影響液動力大小的重要因素）。在專門的起重機(jī)主閥性能試驗(yàn)臺對多路閥進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真的結(jié)果較為接近，在誤差允許范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：多路閥;Star CCM+;流場特性;穩(wěn)態(tài)液動力

0 ?引言

多路閥作為液壓系統(tǒng)中的控制元件，通過閥芯在閥腔內(nèi)的軸向移動實(shí)現(xiàn)對流體流量大小、方向等的控制，但由于多路閥自身特性的影響，不可避免的帶來噪聲以及能量損失等問題。因此，多路閥性能的好壞，影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的可靠性[1]。

1 ?CFD模型及解析假定

1.1 液壓多路閥的三維模型

通過建立液壓閥的幾何模型，來對其內(nèi)部流場進(jìn)行分析，需要對模型做一定的簡化處理[2]。在仿真時(shí)，僅考慮與液壓油直接接觸的油道表面，將其余面刪除;CFD計(jì)算需要模型保持良好的水密性，故對進(jìn)出口進(jìn)行封閉處理。簡化后的模型如圖1所示。

1.2 解析假定

在STAR CCM+軟件中對多路閥進(jìn)行仿真時(shí)，假定仿真模型滿足以下條件：①該多路閥為理想多路閥，不存在制造及裝配誤差，及不存在任何縫隙和瑕疵;②流體為牛頓流體，不能夠被壓縮;③對于閥腔內(nèi)流體重力和傳熱的影響不予考慮;④流場中不包含其他介質(zhì)，為單相流不存在流固耦合;⑤采用46號液壓油，并且工作時(shí)的溫度保持在50°左右。按照油液的粘-溫特性選定液壓油的粘度，采用密度為870.0kg/m3的液壓油，動力粘度為0.0261Pa-s。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

1.3.1 網(wǎng)格劃分

對于試驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)格的劃分，借助STAR CCM+內(nèi)置的網(wǎng)格技術(shù)，可以快捷全面的對模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，本課題因?yàn)橛?jì)算模型相對復(fù)雜，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不能滿足，所以選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。并且STAR CCM+提供的多面體網(wǎng)格也非常適合復(fù)雜的幾何模型。

由于閥芯的結(jié)構(gòu)相對微小，針對于整個(gè)多路閥設(shè)置的網(wǎng)格參數(shù)，對于閥芯來說相對偏大，所以需要對閥芯進(jìn)行局部細(xì)化，以保證在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，不會出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。

1.3.2 邊界條件

本文的邊界條件設(shè)置如下：①工作流體入口（Inlet）：本文采用的是質(zhì)量流量入口，進(jìn)油口就是質(zhì)量流量入口。②工作流體出口（Outlet）：本文采用的是壓力出口，出油口就是壓力出口。③對于本文模型，閥道壁面很明顯是靜止的、無滑移的，因此在將閥道壁面定義為絕熱且不發(fā)生滑移。

2 ?仿真結(jié)果與分析

2.1 多路閥不同開度時(shí)的流場分析

為了解多路閥在不同開度下的閥腔內(nèi)流場特性和閥芯受力情況，針對閥芯在不同開度、不同流量進(jìn)行仿真計(jì)算[3]。在此不一一列舉，僅以閥口開度為10.5mm，流量為120L/min的仿真結(jié)果加以分析，通過分析壓力、速度、液動力來為多路閥的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

①壓力分布。由圖2的截面靜壓力云圖分布情況可知，高壓油從入口進(jìn)入多路閥，當(dāng)油液流經(jīng)多路閥主節(jié)流口時(shí)，油壓迅速下降，壓力變化主要發(fā)生在此處，主要是由于過流面積變小，導(dǎo)致流速增大，從而引起壓強(qiáng)變小，并且在節(jié)流口的拐角處形成局部低壓區(qū)。油液通過其余次節(jié)流口，油壓下降緩慢，漸漸趨于平穩(wěn)，最后經(jīng)出口處流出。通過與其他靜壓比較，發(fā)現(xiàn)閥口開度為8.5mm時(shí)的進(jìn)口壓力高于開口度9.5mm和10.5mm時(shí)的進(jìn)口壓力。并與其他各閥口開度的模擬結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)開度越小，且閥腔內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力都隨著進(jìn)口壓力的增大而增大。通過比較各閥口開度的局部低壓區(qū)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口流量相同時(shí)，局部低壓區(qū)的壓力隨閥口的減小而減小。當(dāng)開度保持不變和針對不同流量大小的情況，發(fā)現(xiàn)流量越小，閥芯拐角處低壓區(qū)的壓力越大。

②速度分布。由圖3的截面流線云圖分布情況可知，速度的變化趨勢是不受閥口開度的影響的，不同開度的液壓閥的流速變化的趨勢基本相同， 入口流速保持平穩(wěn)，到達(dá)節(jié)流口處時(shí)，由于節(jié)流口閥芯節(jié)流槽的存在，使得過流截面的面積發(fā)生改變，所以流速、壓力都會發(fā)生變化，根據(jù)伯努利方程可以知道，如果過流截面面積變小，必然導(dǎo)致壓力的迅速降低，進(jìn)而引起流速的減小，這與圖3中壓力在節(jié)流口處突然降低相符合。從圖3中，我們還可以看出，在閥腔和閥座的拐并在節(jié)流口處產(chǎn)生射流的現(xiàn)象，同時(shí)由于流動通道尺寸突然變小，在流束與壁面之間還將形成漩渦。通過與其他截面流線比較，發(fā)現(xiàn)閥口開度為8.5mm時(shí)節(jié)流口處的流速要大于閥口開度為9.5mm和10.5mm時(shí)的流速。比較相同流量和不同閥門開度的速度云圖，并且當(dāng)閥門開度較小，閥腔內(nèi)的壓力會增加，閥腔內(nèi)的渦流也將減小。

2.2 試驗(yàn)與結(jié)果

將某型號多路閥作為研究對象，對該試驗(yàn)驗(yàn)證閥進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在專門的起重機(jī)主閥性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行，將壓力傳感器安裝在閥體上，測量閥腔內(nèi)6個(gè)點(diǎn)的壓力，并用微型軸向拉壓力傳感器測量閥芯所受液動力的大小，將微型軸向拉壓力傳感器一端固定，另一端與閥芯接觸。拉壓傳感器安裝位置如圖4所示。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

3 ?結(jié)論

對多路閥壓力、速度、液動力進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的云圖、數(shù)據(jù)和曲線，對比仿真及試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

①油液經(jīng)多路閥主節(jié)流口時(shí)，由于節(jié)流槽的存在，過流截面面積減小，壓力也會隨之降低，根據(jù)伯努利方程，速度也迅速上升;

②流量相同時(shí)，開度越小，入口壓力越大，閥腔內(nèi)各點(diǎn)的壓力越大;節(jié)流口處的流速也越大。

參考文獻(xiàn)：

[1]高俊庭，殷晨波，葉儀，李萍，周玲君.非全周開口的液壓滑閥內(nèi)部流場的CFD解析[J].液壓與氣動，2013（05）：58-61.

[2]LIU Jianmin.Radar handbook[M]. New York： McGraw- Hill，1990：3-10.

[3]曹飛梅.基于CFD對不同結(jié)構(gòu)形狀的滑閥閥芯流場可視化分析與研究[D].太原理工大學(xué)，2018.

[4]房小立.基于CFD有限元法的滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究[D].武漢科技大學(xué)，2012.

[5]工程流體力學(xué)[M].上海交通大學(xué)出版社，2006，1.