節(jié)流閥雙U閥槽二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化后特性分析*

周知進,李松波,羅先聰

(1.貴州理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003;2.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引 言

節(jié)流閥作為液壓傳動和控制技術(shù)中的基礎(chǔ)元件之一,具有密封性能好、過流能力強、響應(yīng)速度快等眾多優(yōu)點[1],在人類工業(yè)生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用。

節(jié)流閥通過改變節(jié)流口的液阻大小來控制節(jié)流口的流量。節(jié)流槽是節(jié)流閥的關(guān)鍵部位,節(jié)流口的形狀在很大程度上決定著節(jié)流閥的節(jié)流性能[2]。節(jié)流閥閥槽在工作過程中影響流場變化與結(jié)構(gòu)變形,進而影響閥芯卡滯。

易迪升等人[3]對系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能受三角槽形節(jié)流閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響情況進行了分析研究,通過對不同節(jié)流槽進行優(yōu)化,驗證了所研發(fā)的節(jié)流槽優(yōu)化設(shè)計軟件的有效性。王安麟等人[4]針對多路換向閥換向過程中的多閥口節(jié)流耦合作用問題,提出了一種多路換向閥耦合節(jié)流槽結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,該方法以圓型、U型以及半圓型3種基本節(jié)流拓撲結(jié)構(gòu)的參數(shù)作為設(shè)計變量。李維嘉等人[5]利用粒子群優(yōu)化了算法,得到了滿足定壓差條件下閥口開度流量特性要求的節(jié)流槽優(yōu)化尺寸,并通過實例驗證了其優(yōu)化結(jié)果。畢長飛[6]采用AMESim軟件對節(jié)流閥口形狀改變時系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了研究,并為液壓自動制動系統(tǒng)流控閥節(jié)流閥口選取了三角槽形,根據(jù)分析結(jié)果得出了結(jié)論,即系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性受節(jié)流閥口三角槽的深度和寬度影響較小,且隨節(jié)流閥口三角槽長度的增加,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能得到了明顯改善。張鑫等人[7]研究了節(jié)流槽數(shù)量、閥口壓差對閥腔內(nèi)流體速度場、閥芯溫度場及閥芯應(yīng)變場動態(tài)特性的影響,并得出了結(jié)論,即隨著閥口壓差的增加,流體的最大流速以及閥芯的最高溫度和最大變形增大。張健等人[8]基于ADINA軟件的流固耦合模塊,對3種閥芯情況下,閥體內(nèi)流道的壓力分布和流場情況進行了仿真研究,并得出了結(jié)論,即節(jié)流閥的內(nèi)流道壓力在經(jīng)過閥口后迅速降低,在閥口的邊緣位置有內(nèi)流道中的最小值。謝海波等人[9]對閥芯所受液動力進行了數(shù)值求解,并對液壓閥的壓降曲線進行了比較,為液壓閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。張俊俊等人[10]對液壓滑閥閥芯卡緊力進行了數(shù)值模擬研究,并根據(jù)研究結(jié)果,得到了均壓槽合理的結(jié)構(gòu)尺寸。晏靜江等人[11]計算了U型節(jié)流閥在不同工作壓力下,不同節(jié)流槽口的寬度和深度,以及不同開度的速度場和閥芯表面溫度場。晏靜江等人[12]對U形節(jié)流閥的速度場以及油液黏性熱效應(yīng)進行了計算流體力學(xué)解析,得出了閥芯的溫度場分布。袁王博等人[13]研究了U形節(jié)流槽的滑閥閥芯熱變形,該研究結(jié)果可以為閥芯的熱變形研究提供借鑒。CHEN Qi等人[14]基于MATLAB-AMESim-FLUENT聯(lián)合仿真方法,對滑閥的流量進行了研究,對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。YANG Ye等人[15]采用計算流體動力學(xué)(CFD)和實驗研究的方法,闡明了凹槽形狀對流動特性的影響;并采用RNG k-ε湍流模型,模擬了3個槽口及其典型結(jié)構(gòu)槽內(nèi)流場的壓力分布,分析了限制位置隨開口的變化規(guī)律,進而計算出了槽口的流場面積;通過將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較,證明了所采用模型的準確性。YOON W等人[16]研究了可調(diào)面積節(jié)流閥的流量測量與儀表流量控制的特性。孫后環(huán)等人[17]采用CFD軟件對V-U及U-U型節(jié)流槽及其閥內(nèi)流動進行了仿真分析,并通過實驗獲得了可以反映節(jié)流槽閥口阻尼特性的流量系數(shù),及其隨閥口開度變化的規(guī)律。HUANG Jia-wu等人[18]使用CFD分析了閥門節(jié)流槽口的流動特性,模擬了不同工況下的流量、流量系數(shù)、流出角、流動力的流動特性,并分析了槽口形狀和數(shù)量對其的影響。

以上學(xué)者針對多種節(jié)流閥閥口結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,得出了閥口在不同開度、壓差等工況下,流場特性、溫度場特性及閥芯應(yīng)變場的特性,研究了閥口參數(shù)對閥芯處溫度與應(yīng)力變形的影響。但是,上述研究并沒有對雙節(jié)節(jié)流閥槽結(jié)構(gòu)分開進行研究,且針對的研究對象是閥槽接合面呈線性接觸的結(jié)構(gòu),從而體現(xiàn)不出第一節(jié)槽與第二節(jié)槽在閥芯最高溫度與最大變形的差異性。

在工作過程中,節(jié)流閥閥槽不同形狀影響流場特性與變形,進而影響閥芯卡滯。因此,通過對閥芯節(jié)流槽處結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,來降低閥芯上的最高溫度和最大變形量具有十分重要意義。

為此,筆者將呈線性接觸的閥槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化成小圓角接觸的閥槽結(jié)構(gòu),并對優(yōu)化后閥槽處最高溫度與最大變形進行研究。

1 節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

油液流動方向通常以節(jié)流槽為判斷標(biāo)準,即油液從節(jié)流槽流入閥腔為流入方向,從閥腔流入節(jié)流槽為流出方向。

雙U型節(jié)流槽結(jié)構(gòu)示意圖與流入流出方向如圖1所示。

圖1 節(jié)流槽結(jié)構(gòu)與流動方向

此處,筆者采用圖1(b)所示流向,油液通過閥腔從U型節(jié)流槽流出,經(jīng)過B1、B2-A2、A1過程。其過流面有2個:第一節(jié)U型槽過流面A1與B1,第二節(jié)U型槽過流面為A2與B2。

節(jié)流閥的雙U型節(jié)流槽的節(jié)流原理如圖2所示。

圖2 雙U型節(jié)流槽的節(jié)流原理

從圖2可以看出:A1與B1串聯(lián)等效得AU1,AU1與A2并聯(lián)后再與B2串聯(lián),等效得到二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口面積AUU。

其等效計算公式為:

(1)

(2)

雙U形節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 雙U型節(jié)流槽結(jié)構(gòu)簡圖x—閥口開度;Rs—閥心半徑;r1—第一節(jié)矩形槽半徑;D1—第一節(jié)U形槽深度;L1—第一節(jié)矩形槽長度;r2—第二節(jié)矩形槽半徑;D2—第二節(jié)矩形槽深度;L2—第二節(jié)矩形槽長度

2 節(jié)流槽結(jié)構(gòu)二次優(yōu)化

筆者采用雙向熱流固耦合方法,對閥芯溫度場與變形場進行研究,結(jié)果可知:在不同閥口開度與閥口壓差下,雙U型節(jié)流閥的節(jié)流槽處溫度較高,且有明顯的變形,這就會導(dǎo)致閥芯在工作時出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象。因此,需要通過對閥芯節(jié)流槽處結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化,以降低閥芯處的最高溫度與最大變形量。

經(jīng)過第一次結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,結(jié)果可知:閥口開度在0.5 mm～4 mm,最大變形主要集中在第一節(jié)U型槽棱角地方;閥口開度在5 mm～6 mm,最大變形量則轉(zhuǎn)移至第二節(jié)U型槽棱角。

為有效減小節(jié)流槽棱角區(qū)域的變形,筆者將兩節(jié)節(jié)流槽都優(yōu)化成漸擴型節(jié)流槽結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 第一次優(yōu)化前后閥芯節(jié)流槽處的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中,節(jié)流槽通過了第一次優(yōu)化,即將原有節(jié)流槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化成漸擴型,大大降低了第一節(jié)節(jié)流槽處最高溫度與最大變形量;但是第二節(jié)節(jié)流槽最高溫度與最大變形量仍較大,顯示其優(yōu)化效果仍然不好。

因此,筆者對閥芯節(jié)流槽處結(jié)構(gòu)做進一步優(yōu)化,即將其棱邊進行圓角化處理,其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 第二次優(yōu)化閥芯節(jié)流槽處結(jié)構(gòu)示意圖

筆者通過對雙U型節(jié)流閥槽形狀進行二次優(yōu)化,改成小圓角過渡后,利用Workbench建立其實體模型,進而建立流固耦合模型中的流體域和固體域,并對其進行網(wǎng)格劃分。

綜合考慮節(jié)流閥所處的工況,筆者完成了仿真過程中相關(guān)邊界條件和求解參數(shù)的設(shè)置。

3 優(yōu)化后結(jié)果分析

3.1 圓角半徑對溫度與變形的影響

第一次節(jié)流槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,閥槽處最高溫度為656.23 K,最大變形量為14.616 μm。

通過與優(yōu)化前的數(shù)值對比可知:其最高溫度降低了82.24 K,最大變形量降低了1.027 μm。從中可以看出,閥槽處的優(yōu)化雖然對最高溫度與最大變形有效果,但最大變形的優(yōu)化效果仍然不夠理想。

第二次閥芯節(jié)流槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化成圓角,初步分析后可知,閥槽處最高溫度與最大變形量均有降低,但是哪個圓角值效果最優(yōu),還需要進一步研究。

為此,筆者分別取圓角半徑r為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,保持閥口開度與閥口壓差工況不變,進而對不同圓角下最高溫度與最大變形量進行分析。

不同圓角半徑節(jié)流槽處的最高溫度與最大變形量,如圖6所示。

圖6 不同圓角半徑節(jié)流槽處最高溫度與最大變形量

由圖6可知:圓角半徑2 mm,閥芯上最高溫度值與最大變形量出現(xiàn)第一個極小值;圓角半徑5 mm,出現(xiàn)第二個極小值。

但圓角半徑r=2 mm效果更好。

當(dāng)閥口開度6 mm、圓角半徑2 mm時,閥芯溫度場與變形場分布云圖,如圖7所示。

圖7 第二次優(yōu)化后閥芯的溫度場和變形場分布云圖

由圖7可知:第二次優(yōu)化后,在圓角半徑在1 mm～6 mm范圍內(nèi),節(jié)流槽處的最佳結(jié)果為r=2 mm的最高溫度574.26 K,最大變形量為11.606 μm;

通過第一次優(yōu)化最優(yōu)數(shù)據(jù)進行對比可知,其最高溫度降低81.97 K,最大變形量降低3.01 μm。

3.2 閥口開度為4 mm時壓差對溫度與變形量影響

為了探明第二次優(yōu)化后,節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對閥槽處最高溫度與最大變形量有較好的效果,筆者在閥口開度為4 mm,壓差取值4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa情況下分別對其進行模擬。

閥口開度為4 mm時閥芯最高溫度與最大變形量,如圖8所示。

圖8 閥口開度為4 mm時閥芯最高溫度與最大變形量

由圖8可知:經(jīng)過第二次優(yōu)化后,節(jié)流槽結(jié)構(gòu)閥芯上最高溫度與最大變形量均有減小,其中,溫度最高減小127.27 k,最大變形量減小2.82 μm[19，20]。

3.3 閥口開度為6 mm時壓差對溫度與變形量影響

閥口開度為6 mm,壓差取值4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 Ma,筆者對其進行模擬分析,得到不同壓差下開度為6 mm優(yōu)化前后結(jié)果,如圖9所示。

圖9 不同壓差下開度為6 mm優(yōu)化前后結(jié)果

由圖9可知:第二次優(yōu)化后,閥槽處最高溫度與最大變形量都有降低,且隨著壓差的增大,其優(yōu)化效果越明顯;閥槽處最高溫度的最大降幅為95.6 K,最大變形量降幅為3.28 μm。

上述結(jié)果進一步證明,圓角優(yōu)化方法對降低第二節(jié)節(jié)流槽棱角區(qū)域最高溫度與最大變形量具有顯著的效果。

4 結(jié)束語

筆者對雙U型節(jié)流閥槽形狀進行了二次優(yōu)化,將其改成小圓角過渡后,利用Workbench建立了節(jié)流閥的實體模型,用流體仿真軟件建立了流固耦合模型中的流體域和固體域,并對其進行了網(wǎng)格劃分;綜合考慮了節(jié)流閥不同工況,完成了對仿真過程中相關(guān)邊界條件和求解參數(shù)的設(shè)置;重點研究了在閥口開度為4 mm、6 mm兩種工況條件時,節(jié)流槽處最高溫度與最大變形量的變化規(guī)律。

研究結(jié)論如下:

(1)當(dāng)優(yōu)化圓角半徑r為2 mm,其閥芯上最高溫度值與最大變形量處于最小值,且其最高溫度降低81.97 K,最大變形量降低3.01 μm;

(2)當(dāng)閥口開度為4 mm時,經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,節(jié)流槽閥芯上最高溫度與最大變形量均有減小;其中,溫度最高減小127.27 k,最大變形量減小2.82 μm;

(3)當(dāng)閥口開度為6 mm時,優(yōu)化后閥槽處最高溫度與最大變形量也都有降低,其中,最高溫度降幅達95.6 K,最大變形量降幅為3.28 μm;且隨著壓差不斷增大,其優(yōu)化效果越明顯;

(4)節(jié)流閥閥槽圓角優(yōu)化后,對降低第二節(jié)節(jié)流槽棱角區(qū)域最高溫度與最大變形量均具有了較好的效果。

在接下來的工作中,筆者將研究當(dāng)含有污染顆粒的液壓油流經(jīng)優(yōu)化后的節(jié)流閥閥槽時,污染顆粒粒徑、濃度對閥芯最高溫度與最大變形量的影響。