基于Fluent 的插裝閥閥芯卡緊力分析

柳 淵

（山西昆明煙草有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

引言

液壓系統(tǒng)由于其輸出功率大、力矩慣性大、結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)極調(diào)速、靈活布置的特點(diǎn)被應(yīng)用于各行各業(yè)中，其中就包括煙草行業(yè)[1-2]。在液壓系統(tǒng)中插裝閥因其閥芯質(zhì)量小、行程短、動(dòng)作迅速、響應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)液路的通斷，與普通液壓控制閥組合使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)油液方向、壓力、流量的控制[3]。由于其工作環(huán)境及加工的影響，閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)受到卡緊力的作用，導(dǎo)致閥芯動(dòng)作頻率降低，而通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可達(dá)到減輕卡緊的效果。

液壓閥芯的卡緊是影響閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要問(wèn)題之一。目前，已有較多的科研工作者結(jié)合實(shí)際工作情況進(jìn)行了研究。劉新強(qiáng)等[4]人分析了滑閥工作過(guò)程中由溫度變化引起結(jié)構(gòu)熱變形而使閥芯卡死的現(xiàn)象。除此之外，側(cè)向不平衡力也是造成液壓卡緊的重要因素之一。在實(shí)際應(yīng)用中多采用開(kāi)均壓槽的方式減小側(cè)向力。在研究卡緊力的文獻(xiàn)中，主要采用仿真的方法關(guān)注徑向不平衡力的變化。牛曉陽(yáng)等[5]研究了不同形狀、數(shù)量均壓槽的效果。張俊俊等[6]利用仿真軟件研究了液壓滑閥閥芯均壓槽的位置和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)卡緊力的影響。

本文以閥芯與閥套間隙流體為研究對(duì)象，基于雷諾方程、伯努利方程建立了新型閥芯結(jié)構(gòu)間隙流場(chǎng)中所受卡緊力的理論公式，利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)典型插裝閥閥芯與導(dǎo)流槽式插裝閥閥芯流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，對(duì)比分析了兩者的卡緊力特性，為插裝閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 理論模型

1.1 幾何模型

如圖1 所示，在均壓槽中間部分開(kāi)設(shè)導(dǎo)流槽將均壓槽部分相連通并且在臺(tái)肩部分開(kāi)設(shè)導(dǎo)流槽，使流體沿周向均勻分布。導(dǎo)流槽將均壓槽連接，由于閥套和閥芯的中心不可能完全重合，同時(shí)由于加工條件限制，必然存在一定的幾何形狀誤差，閥芯工作時(shí)液壓油會(huì)從入口進(jìn)入間隙形成偏心錐形間隙流動(dòng)。本文主要對(duì)閥芯與閥套形成間隙流場(chǎng)部分進(jìn)行研究，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.2 數(shù)學(xué)模型

如圖2 所示，間隙流場(chǎng)兩端存在壓差，并且閥芯與閥套具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成Couette 流動(dòng)[7]。考慮到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)影響壓力分布，將分三段對(duì)間隙流場(chǎng)進(jìn)行分析。假設(shè)介質(zhì)為不可壓縮流體，忽略流體慣性的影響，對(duì)N-S 方程[8]描述如下：

圖2 有錐度的偏心環(huán)縫簡(jiǎn)圖

式中：U 為閥芯運(yùn)動(dòng)速度；ρ 為液壓油密度；g 為重力加速度；p 為壓力。

由于閥芯間隙沿周邊（z 方向）是恒定的，因此進(jìn)一步將流場(chǎng)還原成僅有x 方向的變量，可得傾斜壁面縫隙內(nèi)流場(chǎng)的速度u 分布為：

式中：μ 為動(dòng)力黏度。

則閥芯間隙流量Q 為：

式中：A 為縫隙截面面積。

壓力分布為：

其中：h 為閥芯閥套間的間隙，h1為x=0 時(shí)的間隙，h2為x=l 時(shí)的間隙，p1為進(jìn)口壓力。

所受液壓徑向力Fz為：

式中：r 為閥芯半徑，θ 為圓周角。

由于閥芯的特殊結(jié)構(gòu)，隨著軸向距離的不同壓力的分布規(guī)律并不相同，因此采用分三段方法進(jìn)行計(jì)算，l=∑li，Δp=∑Δpi，可得

徑向力F 為

式中：負(fù)號(hào)表示卡緊力方向向下；d 為閥芯直徑；e 為偏心距；δm為平均間隙；Δδ 為任意位置的平均間隙。

由上式可知，第一項(xiàng)為兩端壓差引起的卡緊力，第二項(xiàng)為閥芯速度產(chǎn)生的附加力，其方向與卡緊力方向相反。由于導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的影響，第二段的壓降明顯降低使第一項(xiàng)極大降低，且經(jīng)過(guò)數(shù)值分析計(jì)算可知∑Δpili≤Δpl，所以卡緊力明顯降低。第二項(xiàng)中閥芯的速度越大產(chǎn)生的力越大，徑向力越小，卡緊力隨之降低。綜上所述，閥芯的徑向不平衡力明顯降低，有效防止了液壓卡緊的發(fā)生。

2 CFD 模型

以下選取40 mm 通徑插裝閥芯為例，關(guān)于典型插裝閥芯和導(dǎo)流槽式插裝閥芯進(jìn)行建模仿真分析,兩種模型間隙距離均為0.04mm，偏心量均為0.01mm。

2.1 邊界條件

假設(shè)流體為不可壓縮牛頓流體，不計(jì)各壁面與外界環(huán)境以及流動(dòng)介質(zhì)之間的熱量交換，且忽略流體重力影響。在Fluent 中進(jìn)行流場(chǎng)分析，設(shè)置單相層流模型，入口的邊界條件為入口壓力等于27 MPa，出口的邊界條件為出口壓力等于10 MPa，閥套為靜邊界—無(wú)滑移邊界，閥芯沿軸向運(yùn)動(dòng)速度為u，在出口設(shè)置體積流量監(jiān)視器。計(jì)算域工作介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 流體介質(zhì)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)間隙流場(chǎng)的幾何對(duì)稱(chēng)性，為降低計(jì)算量，取1/2 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并分析。在ICEM 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。為使計(jì)算結(jié)果更加精確，在油膜厚度方向上至少劃分5 層網(wǎng)格。

圖3 間隙流動(dòng)計(jì)算區(qū)域和局部網(wǎng)格分布

3 結(jié)果與分析

對(duì)閥芯改進(jìn)前后間隙流場(chǎng)的速度和壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)流槽閥芯結(jié)構(gòu)在消除液壓卡緊方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，合理的設(shè)計(jì)可降低液壓卡緊力。

如圖4 所示為典型結(jié)構(gòu)間隙流場(chǎng)靜壓分布云圖，壓力隨著軸向位置逐漸降低，在均壓槽位置壓力不發(fā)生變化，閥芯與閥套所接觸的每一段部分兩端形成壓降。入口處為高壓端，第一段接觸部分壓差大，壓力等值曲線(xiàn)較密。由于上表面壓力下降比下表面略慢，壓力梯度較小，因此在同一位置上表面所承受的壓力較大。

圖4 典型結(jié)構(gòu)間隙流體靜壓分布云圖

如圖5 所示，油液壓力在間隙內(nèi)呈減小的趨勢(shì)，（入口處為高壓油）因此在第一段急劇下降，壓力梯度較大，第二段壓力基本保持不變，這是由于平衡槽的存在使得上下表面壓力相等。導(dǎo)流槽又將平衡槽相連接使得油液在第二段保持很好的流動(dòng)狀態(tài)，在第三段上又產(chǎn)生了明顯的壓降，壓力等值線(xiàn)與第一段相比相對(duì)稀疏，梯度較小。

圖5 導(dǎo)流槽式間隙流體靜壓分布云圖

如圖6 所示的兩類(lèi)閥芯間隙流場(chǎng)的靜壓分布曲線(xiàn)圖。與云圖一致，對(duì)于典型插裝閥芯來(lái)說(shuō)，由于平衡槽的存在，圖中壓力分布曲線(xiàn)被分成了五段，均壓槽 部 分12～18.8 mm、22～28.8 mm、32～38.8 mm 和42～48.8 mm 處壓力保持不變，其余部分段產(chǎn)生壓降。而對(duì)于導(dǎo)流槽式插裝閥芯對(duì)稱(chēng)面壓力曲線(xiàn)，沿軸向方向0～12 mm 內(nèi)，上下表面壓力均呈曲線(xiàn)分布下降趨勢(shì)。在12～48.8 mm 內(nèi)，壓力保持不變且基本重合，48.8～56 mm 內(nèi)，壓力呈曲線(xiàn)分布。由于偏心的存在，使得兩類(lèi)閥芯形成的間隙流場(chǎng)不均，上下表面的壓力大小不等，上表面高于下表面，上下表面曲線(xiàn)所圍成的面積代表卡緊力的大小，方向與偏心方向相一致。

圖6 間隙流體靜壓分布曲線(xiàn)

通過(guò)report 得到徑向力和流量數(shù)據(jù)，如圖7 所示，隨著閥芯速度的增大，導(dǎo)流槽式相對(duì)典型槽式閥芯徑向不平衡力減小幅度增大，可達(dá)到12%，徑向力降低效果顯著。同時(shí)，導(dǎo)流槽的設(shè)置使泄漏量在一定程度上有所增加，但其增加趨勢(shì)明顯降低。由報(bào)告結(jié)果可知，雖泄漏量略有增加，但數(shù)值較小，保持在1 mL/min 左右，有導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)泄漏量仍屬于允許范圍內(nèi)。閥芯速度越快，徑向不平衡力減弱效果越明顯，降低效果反作用于閥芯，使得其響應(yīng)速度更快。當(dāng)發(fā)生卡緊時(shí)，閥芯與閥套接觸摩擦，形成較大卡緊力。而導(dǎo)流槽式插裝閥芯在閥芯高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，降低其徑向不平衡力，可減小偏心率，避免閥芯閥套直接接觸，減小摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低摩擦阻力，提高響應(yīng)頻率。

圖7 閥芯徑向不平衡力和泄露量變化率曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）考慮到傳統(tǒng)插裝閥芯易出現(xiàn)卡緊的問(wèn)題，本文提出了一種具有導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的新型插裝閥芯，導(dǎo)流槽式閥芯相對(duì)于螺旋槽式閥芯易于成型加工。

2）基于納維斯托克方程的理論分析，通過(guò)分段計(jì)算建立了新型結(jié)構(gòu)的徑向力分布數(shù)學(xué)模型。

3）在Fluent 中對(duì)有無(wú)導(dǎo)流槽間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，可知導(dǎo)流槽有利于減小閥芯表面受到的徑向不平衡力，避免閥芯發(fā)生卡緊現(xiàn)象，同時(shí)可有效增強(qiáng)插裝閥動(dòng)態(tài)特性，提高插裝閥的響應(yīng)頻率，進(jìn)而提高整個(gè)煙機(jī)設(shè)備液壓系統(tǒng)的使用性能。