伺服閥主閥芯的建模與仿真

黃 浩,崔潤哲,陳奎生

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢,430081)

電液伺服閥具有體積小、功率放大率高、直線性好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)以及能適應(yīng)模擬量和數(shù)字量調(diào)制等優(yōu)點(diǎn),在冶金、航空等行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

本文針對(duì)某型伺服閥,在主閥芯閥口開口大小一定、壓差不同的情況下,對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1 伺服閥主閥芯流場(chǎng)的模擬仿真

1.1 網(wǎng)格劃分

由于油液在伺服閥閥口的流動(dòng)情況非常復(fù)雜,閥口既是壓力變化最大的區(qū)域,又是結(jié)構(gòu)尺寸最小的區(qū)域。因此,根據(jù)閥內(nèi)部流道的幾何尺寸,應(yīng)對(duì)閥口區(qū)域和流道拐角的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。正常情況下,緊靠管道壁面區(qū)域流體的速度梯度很大,而管路中心的速度梯度相對(duì)較小,因此在網(wǎng)格劃分時(shí),應(yīng)在壁面附近加入一個(gè)細(xì)化網(wǎng)格的邊界層,以增大靠近壁面區(qū)域的網(wǎng)格密度,使速度梯度和壓力梯度能更清晰地顯示,流道中心的網(wǎng)格密度可以適當(dāng)降低。

某型伺服閥主閥芯直徑為30 mm,采用Gambit對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分[2],如圖1所示,圖1(a)上端為進(jìn)口P,下端為出口A;圖1(b)為圖1(a)中圓圈標(biāo)示的閥開口處局部放大網(wǎng)格圖。

圖1 伺服閥主閥芯閥口網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Main spool grid of servo valve

1.2 初始條件與邊界條件

在流場(chǎng)分析軟件中導(dǎo)入網(wǎng)格模型后,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)求解器作如下參數(shù)設(shè)定:采用非耦合方式、3D軸對(duì)稱、非定常流、導(dǎo)入能量方程,黏度模型為湍流,流體介質(zhì)選取32號(hào)液壓油,初始條件采用全流域初始化[3]。

仿真的邊界條件為:進(jìn)油口P為壓力入口邊界條件,出油口A為壓力出口邊界條件,出口壓力設(shè)定為1 M Pa,進(jìn)口壓力分別設(shè)定為1.1、1.5、2.0 M Pa。仿真計(jì)算中,流體和流動(dòng)狀態(tài)分別設(shè)定為單相流和紊流,流體接觸的邊界為靜止壁面。

2 仿真結(jié)果與分析

在閥開口為0.5 mm、壓差不同的情況下,對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。閥口處流體的壓力及速度仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。流場(chǎng)仿真的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 進(jìn)出口壓差為0.1 MPa時(shí)閥口流體的壓力和速度分布圖Fig.2 Pressure and velocity distribution at the pressure difference of 0.1 MPa

圖3 進(jìn)出口壓差為0.5 MPa時(shí)閥口流體的壓力和速度分布圖Fig.3 Pressure and velocity distribution at the pressure difference of 0.5 MPa

從圖2～圖4中可以看出,主閥芯進(jìn)口P處的壓力和流速分布都比較均勻;而出口A處壓力分布比較均勻,流速分布不均勻。整個(gè)P腔的壓力和流速分布也很均勻,靠近閥口時(shí),流速開始逐漸增大,壓力開始逐漸降低,流體的壓力水頭轉(zhuǎn)換成了速度水頭,符合流體運(yùn)動(dòng)的流量連續(xù)性定理和能量定理。

由于附面層對(duì)流速的影響,閥口靠近閥芯壁和閥套壁附近流層的流速非常小。閥口出口區(qū)域出現(xiàn)了射流,中心的流速最高。由于閥口的壓力損失,出口處的流體壓力明顯降低。在A腔里,靠近P口端的壓力比靠近A口端的壓力要高,這是由于油液要通過一個(gè)同心圓環(huán)狀的流動(dòng)到達(dá)A口端,由此造成的壓力損失所導(dǎo)致的。在閥口出口附近,形成了一個(gè)低壓區(qū)。從表1中可以看出,當(dāng)系統(tǒng)具有足夠背壓時(shí),靠近A口的這個(gè)低壓區(qū)的壓力也遠(yuǎn)高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,不會(huì)造成氣穴現(xiàn)象。從圖2～圖4中的流速仿真圖中可以看出,當(dāng)壓差增大時(shí),靠近A口端的流體經(jīng)過閥口會(huì)逐漸形成一個(gè)主液流,這也符合液體流動(dòng)的規(guī)律,即流體運(yùn)動(dòng)遵循最小流動(dòng)損失。閥口壓差為0.5 M Pa,閥開口為0.5 mm時(shí),閥口壓力局部放大仿真圖如圖5所示。由圖5中可以看出,閥口附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。

圖4 進(jìn)出口壓差為1 MPa時(shí)閥口流體的壓力和速度分布圖Fig.4 Pressure and velocity distribution at the pressure difference of 1 MPa

表1 壓差不同時(shí)閥口流場(chǎng)的仿真結(jié)果Table 1 Parameters of flow field simulation at different pressures

圖5 壓差為0.5M Pa時(shí)閥口處的壓力場(chǎng)局部放大仿真圖Fig.5 Simulation of pressure distribution of the local amplification at the pressure difference of 0.5 M Pa

3 仿真結(jié)果與理論計(jì)算值的比較

伺服閥主閥芯閥口的理論壓力-流量公式為[4]:

式中:Q為流過閥口的質(zhì)量流量,kg/s;Cd為流量系數(shù),一般取0.5～0.61;A為閥口面積,mm2;ΔP為閥口前后的壓差,Pa;ρ為介質(zhì)的密度,kg/m3。

對(duì)閥開口為0.5 mm、壓差分別為0.1～1.0 M Pa時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真,得出閥口流體的質(zhì)量流量仿真數(shù)據(jù),并與式(1)計(jì)算所得Cd分別為0.61、0.5時(shí)閥口流體的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6所示。由圖6中可見,仿真結(jié)果與理論計(jì)算值之間非常接近,表明仿真結(jié)果具有準(zhǔn)確性。

圖6 閥開口為0.5 mm時(shí)閥口流體的質(zhì)量流量Fig.6 Fluid mass flow of valve orifice for 0.5 mm aperture

4 結(jié)語

對(duì)某型伺服閥主閥芯流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析,仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值對(duì)比表明,運(yùn)用流場(chǎng)仿真軟件對(duì)主閥芯流場(chǎng)的仿真是正確的。通過仿真,可以清楚地觀察到閥腔內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化,可以迅速、可靠地分析具有復(fù)雜管道的伺服閥的特性,為分析和計(jì)算各種不同因素如直徑和長度、傾斜角度、壓力和流量等對(duì)閥的流場(chǎng)的影響提供依據(jù),以便對(duì)伺服閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 陳奎生.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2001.

[2] 黃浩,姚筆,金曉宏,等.動(dòng)圈式伺服閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(2):214-218.

[3] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[4] E·約翰芬納莫爾,約瑟夫·B·弗朗茲尼.流體力學(xué)及其工程應(yīng)用[M].錢翼稷,周玉文,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.