一種旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥的內(nèi)部流場(chǎng)分析

丁 飛，范加利，王云翔，楊茂勝

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

液壓滑閥廣泛應(yīng)用于工程車輛、機(jī)床、飛機(jī)、船舶等現(xiàn)代化機(jī)械產(chǎn)品中，主要用于控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。鄭長(zhǎng)松等[1]研究了某型裝甲車輛綜合傳動(dòng)換擋滑閥的流場(chǎng)特性與穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力特性，郭舒[2]對(duì)全液壓壓裂車的大流量換向閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真，張銀濤[3]分析了濕式雙離合自動(dòng)變速器液壓控制系統(tǒng)滑閥的性能情況，以上不同應(yīng)用場(chǎng)景充分展現(xiàn)了液壓滑閥應(yīng)用廣泛，可靠性高的特點(diǎn)?；诖耍谀承滦蛪毫C(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)選用的大流量控制閥就是滑閥形式，用于控制壓力機(jī)慢速啟動(dòng)、快速運(yùn)行、慢速停止的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該液壓機(jī)的快速運(yùn)行段性能優(yōu)良，慢速段運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不佳，也就是說(shuō)，該滑閥式控制閥的大流量控制功能完善但小流量控制不夠穩(wěn)定。

課題組研制了一種旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥，通過(guò)閥芯的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的小流量控制和大流量控制[4-5]，與壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度曲線完美匹配，是一種理想的控制解決方案。筆者利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)，借助仿真軟件FlowSimulation計(jì)算分析了該控制閥在不同閥芯位置時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)的壓力、速度分布情況，得出了輸出流量曲線，驗(yàn)證了該解決方案的有效性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心部件主要有兩部分，分別是可旋轉(zhuǎn)的閥芯部分和固定的閥座部分。閥座上設(shè)置有進(jìn)出油口，是閥芯運(yùn)動(dòng)的基座；閥芯在閥座內(nèi)僅可轉(zhuǎn)動(dòng)，不能左右方向移動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)方式可以采用電機(jī)減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)或者采用油缸連桿推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥結(jié)構(gòu)

當(dāng)油液從閥座的進(jìn)油口流入內(nèi)部環(huán)形流道后，首先經(jīng)過(guò)閥芯的進(jìn)油流道進(jìn)入閥芯的內(nèi)部；當(dāng)閥芯處于開(kāi)啟位置時(shí)，油液流經(jīng)閥芯出油流道、閥座出油流道后通過(guò)環(huán)形流道匯集，最終從出油口流出。閥芯出油流道與閥座出油流道的分布情況如圖2所示。

圖2 閥座與閥芯油口設(shè)置

閥座出油流道設(shè)計(jì)為4個(gè)圓形流道，分為2個(gè)對(duì)稱布置的小規(guī)格流道和2個(gè)對(duì)稱布置的大規(guī)格流道，分別用于小流量控制和大流量控制，4個(gè)流道均與外部的環(huán)形流道相連通。閥芯出油流道設(shè)計(jì)為4個(gè)矩形流道，同樣分為小規(guī)格和大規(guī)格，對(duì)稱布置。

閥芯在初始位置時(shí)閥芯出油流道與閥座出油流道互不交聯(lián)，處于關(guān)閉狀態(tài)(見(jiàn)圖2(a))。當(dāng)閥芯以某一速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，小規(guī)格出油流道由小到大首先連通，若此時(shí)閥芯停止運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖2(b))，則該閥可提供一個(gè)穩(wěn)定的小流量輸出；閥芯繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在保持小規(guī)格出油流道連通的同時(shí)接通大規(guī)格出油流道(見(jiàn)圖2(c))，直至兩種出油流道均連通后停止閥芯運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖2(d))，此時(shí)該閥可輸出一個(gè)由閥座上4個(gè)出油流道決定的穩(wěn)定的大流量輸出。

閥芯從關(guān)閉狀態(tài)到小規(guī)格出油流道完全開(kāi)啟需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為15°，到大規(guī)格出油流道完全開(kāi)啟需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為45°。當(dāng)閥芯以同樣的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，首先關(guān)閉大規(guī)格出油流道的油路，此時(shí)閥芯停止運(yùn)動(dòng)可繼續(xù)保持穩(wěn)定的小流量輸出，閥芯繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方可完全關(guān)閉控制閥。這樣通過(guò)閥芯的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了該流量控制閥由關(guān)閉→小流量增加→穩(wěn)定小流量→疊加大流量增加→穩(wěn)定大流量→大流量減少→穩(wěn)定小流量→小流量減少→關(guān)閉這樣一個(gè)完整的流量控制過(guò)程。反應(yīng)到被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸上就體現(xiàn)為柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了快慢兩種速度控制。

2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

為了評(píng)估該流量控制閥的性能，本文采用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)方法在制作樣機(jī)之前對(duì)液壓閥內(nèi)部的流場(chǎng)情況進(jìn)行分析，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證并優(yōu)化閥的設(shè)計(jì)，可以大大減少研發(fā)時(shí)間[6-7]。為了方便分析計(jì)算，文中簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)閥的流道結(jié)構(gòu)，刪除進(jìn)油口部分油路，僅保留出油口部分的流體區(qū)域來(lái)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化后的流體區(qū)域如圖4所示。

圖3 壓力機(jī)柱塞運(yùn)動(dòng)速度曲線

該閥內(nèi)部的主要流道尺寸如圖5所示，其中旋轉(zhuǎn)閥芯直徑D=200 mm，出油口直徑D1=100 mm，兩個(gè)大流量流道孔的直徑D2=50 mm，兩個(gè)小流量流道孔的直徑D3=20 mm。

圖4 閥內(nèi)流體區(qū)域 圖5 閥內(nèi)主要流道尺寸

2.1 分析參數(shù)設(shè)置

文中的分析對(duì)象旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥的油液流向是：油液進(jìn)入到控制閥內(nèi)部后，首先充滿閥芯內(nèi)部，然后流經(jīng)閥芯與閥座的出油流道，在環(huán)形流道匯集后最終從出油口流出，所以文中的分析為內(nèi)部流場(chǎng)分析，假設(shè)該控制閥為理想閥，分析時(shí)不考慮泄露。流體介質(zhì)選用46號(hào)抗磨液壓油，密度為875 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.04 Pa·s。壁面熱條件選用絕熱壁面。邊界條件選擇入口壓力為20 MPa，出口壓力為10 MPa。在FlowSimulation仿真軟件中，可以設(shè)置分析目標(biāo)來(lái)明確分析的重點(diǎn)，以增強(qiáng)對(duì)這些變量的收斂性，在此選擇進(jìn)出油口設(shè)置表面目標(biāo)，具體參數(shù)為體積流量和速度[8]。

2.2 網(wǎng)格劃分

設(shè)置完成分析參數(shù)后我們來(lái)開(kāi)始對(duì)模型劃分網(wǎng)格，首先通過(guò)自動(dòng)劃分全局網(wǎng)格，初始網(wǎng)格的級(jí)別選擇3，我們得到流體部分的網(wǎng)格模型如圖6所示，網(wǎng)格總數(shù)43226。為了更清楚的得到閥芯油口和閥座油口接觸位置流體的流動(dòng)特性，我們?cè)诖宋恢迷黾泳植烤W(wǎng)格來(lái)細(xì)化該部位的網(wǎng)格密集程度，來(lái)提高分析的精度。增加局部網(wǎng)格后的網(wǎng)格模型如圖7所示，網(wǎng)格總數(shù)增加到176533。

圖6 流體部分網(wǎng)格劃 圖7 增加局部網(wǎng)格后流體部 分情況 分網(wǎng)格劃分情況

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 壓力分布分析

壓力分布情況可以直觀反應(yīng)閥體內(nèi)部的壓力變化情況和流動(dòng)情況。隨著閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥芯出油流道與閥座出油流道交接處的過(guò)流面積會(huì)發(fā)生改變，由圖8的截面靜壓力云圖分布情況可知，閥口開(kāi)度較小時(shí)，閥口節(jié)流作用較強(qiáng)，油液壓力下降很快，壓力的變化主要集中在此處。

圖8 不同閥芯轉(zhuǎn)角截面靜壓分布云圖

當(dāng)2個(gè)小規(guī)格出油流道完全開(kāi)啟(閥芯轉(zhuǎn)角15°)時(shí)，由于流通的油液體積較小，僅在小規(guī)格出油流道位置產(chǎn)生微小油液沖擊和壓降，整個(gè)出油口油腔內(nèi)的壓力基本維持穩(wěn)定，此時(shí)可以穩(wěn)定的輸出壓力。當(dāng)2個(gè)大規(guī)格出油流道開(kāi)始開(kāi)啟時(shí)，出油口交疊節(jié)流位置同樣產(chǎn)生低壓，流動(dòng)紊亂，對(duì)整個(gè)環(huán)形流道內(nèi)的壓力產(chǎn)生影響；當(dāng)2個(gè)大規(guī)格出油流道完全開(kāi)啟(閥芯轉(zhuǎn)角45°)時(shí)，此時(shí)4個(gè)出油流道同時(shí)供油，底部大規(guī)格流道出油對(duì)壁面產(chǎn)生油液沖擊的同時(shí)還對(duì)2個(gè)小規(guī)格出油流道出口處的油液流動(dòng)產(chǎn)生影響，但經(jīng)過(guò)環(huán)形流道的緩沖后可以保證總體出油口處壓力平穩(wěn)。

3.2 速度分布分析

速度分布可以反應(yīng)閥體內(nèi)部油液的流動(dòng)情況，由于流動(dòng)變化最大的位置在閥座的四個(gè)出油流道處，故我們從閥座4個(gè)出油流道的截面處來(lái)分析速度分布情況，如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉(zhuǎn)角截面速度分布云圖

隨著閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，小規(guī)格出油流道率先由小至大開(kāi)啟，液壓油從閥芯內(nèi)高速?zèng)_出，撞擊到環(huán)形壁面后往出油口方向匯集。小規(guī)格出油流道開(kāi)口尺寸小，通過(guò)流量小，對(duì)出油口處油液流速影響不明顯。閥芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)大規(guī)格出油流道開(kāi)始開(kāi)啟，總流量迅速增大，對(duì)出油口處流速影響明顯。所有出油流道均開(kāi)啟后可以發(fā)現(xiàn)在各閥口中心位置流速最大，整個(gè)流道內(nèi)油液流動(dòng)性好，對(duì)稱性好。由于分析條件設(shè)定的進(jìn)出口壓差恒定，最大流速基本穩(wěn)定在155 m/s范圍內(nèi)。

3.3 出口流量分析

在進(jìn)行出口流量分析時(shí)，我們按照實(shí)際使用工況來(lái)對(duì)旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥來(lái)進(jìn)行分析，其開(kāi)啟關(guān)閉規(guī)則如下：①該流量控制閥的閥芯順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟至15°也就是小規(guī)格出油流道完全打開(kāi)時(shí)，停止閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)并保持一定時(shí)間；②繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟閥芯至45°也就是4個(gè)出油流道都完全打開(kāi)時(shí)，停止閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)再保持一定時(shí)間；③逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)關(guān)閉閥芯至15°也就是僅小規(guī)格出油流道完全打開(kāi)時(shí)，停止閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)并保持一定時(shí)間；④繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)關(guān)閉閥芯至完全關(guān)閉出油流道。

根據(jù)閥芯按上述開(kāi)啟關(guān)閉規(guī)則測(cè)得的分析數(shù)據(jù)，我們將出口流量情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制了如圖10所示的流量曲線。

圖10 不同閥芯轉(zhuǎn)角出口流量曲線

從上圖看出，在僅開(kāi)啟小規(guī)格出油流道時(shí)可以保持一個(gè)穩(wěn)定的小流量輸出，對(duì)應(yīng)于圖3壓力機(jī)柱塞的低速運(yùn)動(dòng)段；然后大規(guī)格出油流道開(kāi)啟時(shí)可以快速提升輸出流量直至一個(gè)穩(wěn)定的大流量輸出，對(duì)應(yīng)壓力機(jī)柱塞的高速運(yùn)動(dòng)段，從而實(shí)現(xiàn)了柱塞啟動(dòng)和停止階段能夠?qū)崿F(xiàn)慢速運(yùn)動(dòng)、中間過(guò)程快速運(yùn)動(dòng)的控制要求。

4 結(jié) 論

(1) 文中所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥，閥內(nèi)通油口采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受力均衡，具有穩(wěn)定的兩種輸出流量，出口流量和閥芯旋轉(zhuǎn)角位移成正比，線性度好，便于控制。

(2) 隨著閥芯開(kāi)度的增大，閥體內(nèi)部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)均穩(wěn)定變化，僅在閥座出油流道口位置存在一定的射流現(xiàn)象，對(duì)出油口影響較小。

(3) 閥芯和閥座出油流道位置尖角對(duì)流動(dòng)影響大，壓力波動(dòng)大，后期設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)?shù)光g處理。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的閥芯旋轉(zhuǎn)式流量控制閥滿足使用需求，是一種更好的解決方案。