V形節(jié)流槽滑閥結(jié)構(gòu)仿真分析

董堰凱，傅連東

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

當(dāng)滑閥式換向閥的制動(dòng)閥口關(guān)閉時(shí)，流量會(huì)突然下降至接近于零，但是流體在慣性作用下還具有較大的沖量，對(duì)閥芯造成沖擊，而在閥芯臺(tái)肩上開(kāi)節(jié)流槽在一定程度上可以減小液動(dòng)力的消極作用。方桂花等[1]研究了不同參數(shù)對(duì)U形節(jié)流槽穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響，認(rèn)為U形槽的高度比寬度的影響程度更大。羅亞敏[2]分析了V形槽滑閥液動(dòng)力特性，指出在閥口開(kāi)度很小時(shí)液動(dòng)力較小，當(dāng)閥口開(kāi)度大于3.5 mm時(shí)液動(dòng)力明顯增大，閥口渦流劇烈。賈新穎[3]對(duì)滑閥入口節(jié)流出口無(wú)節(jié)流和入口無(wú)節(jié)流出口節(jié)流兩種流動(dòng)形式的液動(dòng)力特性差異進(jìn)行數(shù)值分析，并建立了液動(dòng)力補(bǔ)償參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)。葉儀等[4]探究了在同一特征量下球形、三角形、漸擴(kuò)U形節(jié)流槽的液動(dòng)力變化情況，發(fā)現(xiàn)球形槽的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力大但是響應(yīng)速度快，V形槽的節(jié)流剛性足，流量變化平穩(wěn)，漸變U形槽的靈敏度和平穩(wěn)性都較好。郭津津等[5]探究在閥芯上開(kāi)不同數(shù)量、不同深度的U形槽時(shí)，在進(jìn)、出油口雙節(jié)流情況下的滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，結(jié)果顯示，節(jié)流槽數(shù)量越多、深度越深，則液動(dòng)力越小。呂孟[6]通過(guò)流場(chǎng)仿真得到節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨流量和閥芯位移的變化規(guī)律。冀宏等[7]研究了非全周開(kāi)口滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，得出以下結(jié)論：滑閥采用出口節(jié)流形式時(shí)，液動(dòng)力方向總是趨于使閥口關(guān)閉，而采用入口節(jié)流形式時(shí)，在閥口開(kāi)度的中間區(qū)段，液動(dòng)力方向趨于使閥口打開(kāi)。鄧斌等[8]分析穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力對(duì)多路閥閥芯操縱力的影響，指出隨著閥芯行程的增大，閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力先增大后減小。袁冰[9]的研究表明，在滑閥閥口開(kāi)度較小時(shí)，閥口流體的噴射速度越大，滑閥越容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

本文通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)V形節(jié)流槽滑閥進(jìn)行三維建模，采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，探究滑閥閥芯出口臺(tái)肩處具有不同參數(shù)的V形節(jié)流槽對(duì)油液流動(dòng)特性的影響，得到油液的壓力分布、閥口流量特性以及閥芯受力等情況，從而為滑閥閥芯的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 V形節(jié)流槽滑閥結(jié)構(gòu)

本文研究典型的V形節(jié)流槽滑閥結(jié)構(gòu)，幾何模型的建立參照文獻(xiàn)[2]，由于滑閥內(nèi)部細(xì)節(jié)較為復(fù)雜，故進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由閥體和主閥芯組成，在閥芯出口臺(tái)肩處有兩個(gè)對(duì)稱的V形節(jié)流槽，油液流經(jīng)滑閥的形式為出口節(jié)流；V形槽用成形刀具加工而成，加工刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡半徑為r，刀具回轉(zhuǎn)中心至閥芯軸線垂直距離為b，刀具頭部夾角為2θ。換向閥閥芯移動(dòng)時(shí)，因V形節(jié)流槽的存在，出口流量不會(huì)突增或者突降為零，從而能改善油液的流動(dòng)特性。

(a)V形節(jié)流槽滑閥結(jié)構(gòu) (b)成形刀具加工 (c)V形節(jié)流槽軸側(cè)圖

2 計(jì)算模型的建立

2.1 物理模型

滑閥的主要幾何參數(shù)：閥口開(kāi)度為e，閥桿直徑D1=6 mm，閥芯臺(tái)肩直徑D2=14 mm，閥芯臺(tái)階間距N=30 mm，沉割槽高度c=5 mm，沉割槽寬度f(wàn)=10 mm，沉割槽間距g=16 mm，油口尺寸D3=6 mm，V形槽刀具加工軌跡半徑r=6 mm，V形槽刀具回轉(zhuǎn)中心與閥芯軸線的距離b=10 mm，V形槽夾角2θ=60°。利用SolidWorks軟件對(duì)V形節(jié)流槽滑閥進(jìn)行三維建模，其剖面如圖2所示。

圖2 V形節(jié)流槽滑閥三維模型剖面

2.2 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是流體對(duì)閥芯的作用力，所以其方向應(yīng)與流體自身動(dòng)量變化方向相反。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力可以分解為徑向分力和軸向分力，因?yàn)閺较蚍至μ幱趶较蚱胶鉅顟B(tài)，故主要考慮閥芯軸向分力[10]。

油液在流經(jīng)節(jié)流槽時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的局部壓力損失，同時(shí)油液方向改變，閥芯臺(tái)肩內(nèi)側(cè)受力面上的壓力會(huì)發(fā)生改變，如圖3所示。根據(jù)動(dòng)量定理，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力為

Ff=ρQv1cosθ1-ρQv2cosθ2

(1)

式中：ρ為油液密度；Q為流量；v1、v2分別為閥腔入口和出口處的流動(dòng)速度；θ1、θ2分別為閥腔入口和出口處的射流角。

Ff=-ρQv2cosθ2=-2cqcvAΔpcosθ2

(2)

式中：cq為流量系數(shù)，取0.62；cv為速度系數(shù)，取0.98；A為閥口過(guò)流面積；Δp為閥腔兩端壓差。

根據(jù)式(2)計(jì)算液動(dòng)力的關(guān)鍵是確定射流角θ2和過(guò)流面積A，文中射流角θ2用流場(chǎng)計(jì)算所得角度代入，過(guò)流面積近似用閥口等效面積代入，即忽略閥口流束擴(kuò)散引起的面積變化，由于閥口部位過(guò)流長(zhǎng)度較小，所以結(jié)果誤差并不大[7]。

圖3 油液流經(jīng)節(jié)流槽示意圖

3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件設(shè)置

假設(shè)流動(dòng)過(guò)程中流體完全對(duì)稱，不存在徑向差異，基于滑閥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及流道計(jì)算模型的軸對(duì)稱特性，可以對(duì)計(jì)算流體區(qū)域進(jìn)行二分之一建模，以平衡計(jì)算效率及精度。

為便于仿真分析，作如下假設(shè)：①閥芯和閥體配合無(wú)間隙；②油液為不可壓縮的理想介質(zhì)；③不考慮由液體黏性引起的閥桿上的剪切力；④忽略重力和油液溫度對(duì)液體的影響。

選取典型壓力閥壓降值1 MPa，設(shè)置進(jìn)口為壓力邊界，壓力為2.5 MPa，出口壓力為1.5 MPa，湍流強(qiáng)度為5%。選擇湍流計(jì)算模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在V形節(jié)流槽附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，采用四面體網(wǎng)格對(duì)節(jié)流閥閥口流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一共有391 866個(gè)單元和77 118個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小網(wǎng)格體積為0.0032 mm3，殘差小于0.001，流體區(qū)域網(wǎng)格模型如圖4所示，液壓油物理參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 V形節(jié)流槽滑閥的三維CFD網(wǎng)格模型

表1 液壓油物理參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 典型節(jié)流槽滑閥流動(dòng)特性對(duì)比

首先將V形節(jié)流槽滑閥與其他兩個(gè)典型結(jié)構(gòu)的節(jié)流槽滑閥(U形節(jié)流槽和三角形節(jié)流槽)進(jìn)行液動(dòng)力和流量特性對(duì)比分析，三種節(jié)流槽的幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。為突出結(jié)構(gòu)特征對(duì)滑閥靜態(tài)特性的影響，以V形節(jié)流槽夾角2θ為60°、刀具加工軌跡半徑r=6.5 mm、刀具回轉(zhuǎn)中心與閥芯軸線的距離b=10 mm為基準(zhǔn)，使三種節(jié)流槽的特征尺寸相等，即長(zhǎng)度L均為5.77 mm，深度H均為3.24 mm，寬度D均為1.94 mm。

圖6為三種節(jié)流槽滑閥的流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。從圖6(a)可以明顯看出，在特征尺寸相同的情況下，三角形節(jié)流槽滑閥的液動(dòng)力均值(10.28 N，負(fù)號(hào)代表液動(dòng)力的方向阻礙閥口打開(kāi))最大并且有較大的波動(dòng)，而U形槽和V形槽滑閥液動(dòng)力變化較平穩(wěn)；結(jié)合圖6(a)和圖6(b)可看出，當(dāng)閥口開(kāi)度大于5.6 mm時(shí)，由閥口越過(guò)臺(tái)肩出口的流量突增，此時(shí)三角形節(jié)流槽滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力急劇減小，而U形槽和V形槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力無(wú)明顯波動(dòng)。U形槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力在閥口開(kāi)度中期變化最為平穩(wěn)，但是其峰值(10.56 N)和均值(7.45 N)要明顯大于V形槽滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的峰值(10.23 N)和均值(6.24 N)，此結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中非全周開(kāi)口滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力仿真結(jié)果相一致。因此，在相同的特征尺寸下，V形節(jié)流槽要稍優(yōu)于U形節(jié)流槽并明顯優(yōu)于三角形節(jié)流槽。以下研究V形節(jié)流槽的特征量對(duì)滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力、流量特性和壓力分布等的影響，從而得到較優(yōu)的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(a)閥口開(kāi)度-穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力特性曲線

(b)閥口開(kāi)度-流量特性曲線

4.2 V形節(jié)流槽深度對(duì)液動(dòng)力的影響

為探究V形節(jié)流槽深度對(duì)閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響，在V形節(jié)流槽夾角2θ=60°、刀具旋轉(zhuǎn)軸線與閥芯軸線距離b=10 mm條件下，刀具旋轉(zhuǎn)半徑r分別取4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm，閥口開(kāi)度e為0.6～7.4 mm，閥芯移動(dòng)步長(zhǎng)為0.2 mm。通過(guò)仿真計(jì)算得到滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和流量變化曲線，如圖7所示。

(a)閥口開(kāi)度-穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力特性曲線

(b)閥口開(kāi)度-流量特性曲線

從圖7(a)可以看出，隨著閥口開(kāi)度的增加，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力先增大后減少，在閥口開(kāi)度較小時(shí)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力變化較小且變化較平穩(wěn)，當(dāng)閥口位移越過(guò)臺(tái)肩時(shí)流量急劇變大(見(jiàn)圖7(b))，閥內(nèi)壓降隨之迅速變大，從而使作用在閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力產(chǎn)生跳躍式增加，閥芯繼續(xù)向右移動(dòng)，流量及壓降達(dá)到最高時(shí)，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也達(dá)到峰值，隨后緩慢減小，最后閥芯繼續(xù)向右移動(dòng)，閥口完全打開(kāi)，出口流量保持不變。

由圖7(a)還可以看出，隨著刀具旋轉(zhuǎn)半徑r的增大，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力逐漸變大。當(dāng)r=4.5 mm時(shí)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的均值(2.46 N)最小但波動(dòng)最大;當(dāng)r≥6.5 mm時(shí)閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力無(wú)跳躍式波動(dòng)，但液動(dòng)力均值和峰值都隨著r的增大而增大。因此，若要閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力較小且保持其無(wú)明顯波動(dòng)，r=6.5 mm較為合適。

4.3 V形節(jié)流槽夾角對(duì)液動(dòng)力的影響

下面探究V形節(jié)流槽的夾角大小對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響。在刀具旋轉(zhuǎn)半徑r=6.0 mm、刀具旋轉(zhuǎn)軸線與閥芯軸線距離b=10 mm時(shí)，V形節(jié)流槽夾角2θ分別取50°、60°、70°、80°、90°，閥口開(kāi)度e為0.6～7.4 mm，閥芯移動(dòng)步長(zhǎng)為0.2 mm，仿真結(jié)果如圖8所示。

(a)閥口開(kāi)度-穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力特性曲線

(b)閥口開(kāi)度-流量特性曲線

由圖8可以看出：①當(dāng)閥口開(kāi)度e≤5.2 mm時(shí)，閥口未越過(guò)臺(tái)肩，隨著V形槽夾角2θ的增大，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力逐漸增大。②閥口開(kāi)度為5.4 mm時(shí)，在2θ<70°的情況下，閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力會(huì)出現(xiàn)小幅突增；在2θ為70°～80°的情況下未出現(xiàn)液動(dòng)力急劇變化的過(guò)程，這是因?yàn)殚y口未越過(guò)臺(tái)肩時(shí)進(jìn)出口壓降已經(jīng)達(dá)到最大，越過(guò)臺(tái)肩后壓降會(huì)緩慢減??；在2θ=90°的情況下，因V形槽開(kāi)口過(guò)大，壓降反而會(huì)出現(xiàn)小幅跳躍性減小。③當(dāng)閥口開(kāi)度e≥6.2 mm時(shí)，不同夾角的V形節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力大小幾乎相等，這是因?yàn)榇藭r(shí)閥口已經(jīng)完全打開(kāi)，V形槽夾角大小對(duì)液流影響很小，這一點(diǎn)與閥口開(kāi)啟前期不同。

由圖8(a)還可以看出，當(dāng)V形槽夾角為70°和80°時(shí)，在閥口越過(guò)臺(tái)肩階段，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力曲線變化都較為平滑，但2θ=70°時(shí)閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力更小，故在不改變節(jié)流槽深度時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)流槽夾角可以改善滑閥的液動(dòng)力特性。

圖9為閥口開(kāi)度為4.6 mm時(shí)不同夾角V形節(jié)流槽滑閥的壓力云圖，從云圖上可明顯看出，在閥口打開(kāi)的中期階段，V形節(jié)流槽的夾角越大，閥芯受力端面的壓差也越大。

(a)2θ=50° (b)2θ=60° (c)2θ=70°

(d)2θ=80° (e)2θ=90°

4.4 V形節(jié)流槽偏轉(zhuǎn)角對(duì)液動(dòng)力的影響

為探究低壓下閥芯的旋轉(zhuǎn)對(duì)滑閥液動(dòng)力特性的影響，將V形節(jié)流槽相對(duì)于閥體對(duì)稱面偏轉(zhuǎn)一定的角度α，如圖10所示。當(dāng)r=6 mm、b=10 mm、e=4.0 mm時(shí)，閥腔入口壓力分別設(shè)為2.5、3.0、3.5 MPa，此條件下閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與其偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如圖11所示。

圖10 閥芯偏轉(zhuǎn)角度示意圖

圖11 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與閥芯偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

從圖11可以看出，在閥芯偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，液動(dòng)力大小有所變化，偏轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力最小，閥芯偏轉(zhuǎn)90°時(shí)受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力要稍大于閥芯未偏轉(zhuǎn)時(shí)；同時(shí)，隨著閥腔入口壓力的增加，閥芯偏轉(zhuǎn)45°時(shí)的液動(dòng)力與未偏轉(zhuǎn)時(shí)的差值更大。由以上結(jié)果可知，閥芯偏轉(zhuǎn)45°有利于減小閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。然而，帶有節(jié)流槽的閥芯發(fā)生偏轉(zhuǎn)會(huì)引起出口流體不對(duì)稱，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，作用在閥芯上的旋轉(zhuǎn)扭矩大于摩擦力矩時(shí)，閥芯會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生一系列不利影響，例如會(huì)損壞滑閥端面、破壞定位彈簧等[9]，所以通過(guò)閥芯偏轉(zhuǎn)降低穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力只適用于低壓下閥芯上的旋轉(zhuǎn)扭矩不大于摩擦力矩的場(chǎng)合。

5 結(jié)論

(1)V形節(jié)流槽的深度減小，閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨之降低，這有利于閥芯的運(yùn)動(dòng)控制；隨著V形節(jié)流槽的深度增加，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力變化更為平穩(wěn)，有利于減少閥芯移動(dòng)過(guò)程的震動(dòng)；對(duì)于所研究的V形節(jié)流槽滑閥，節(jié)流槽加工刀具的旋轉(zhuǎn)半徑r=6.5 mm時(shí)滑閥液動(dòng)力特性最好。

(2)增大V形節(jié)流槽夾角雖然在一定程度上能減小閥芯移動(dòng)過(guò)程中液動(dòng)力的突變，但是也使閥芯移動(dòng)前期的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力增大；V形節(jié)流槽夾角為70°～80°時(shí)液動(dòng)力曲線較為平滑，其中節(jié)流槽夾角為70°時(shí)閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力更小。

(3)V形節(jié)流槽相對(duì)于閥體對(duì)稱面的偏轉(zhuǎn)對(duì)閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響較小，偏轉(zhuǎn)角度在45°附近時(shí)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有所降低。