基于CFD的液壓滑閥閥芯表面熱效應(yīng)分析

晏靜江，周大海

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

在中高壓系統(tǒng)使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)液壓閥的熱卡緊現(xiàn)象，這是由于節(jié)流槽口附近油液流動(dòng)的速度很高，液壓閥黏性加熱現(xiàn)象顯著，槽口來(lái)不及將熱量傳遞出去而造成局部溫度升高。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)對(duì)液壓閥的工作性能產(chǎn)生很大影響:輕度時(shí)會(huì)使液壓元件內(nèi)的相對(duì)移動(dòng)件如閥芯、葉片、柱塞、活塞等運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力增加，造成動(dòng)作遲緩;嚴(yán)重時(shí)會(huì)使液壓元件內(nèi)的移動(dòng)件卡住，造成不能動(dòng)作，手柄的操作力增大，如換向閥不能換向，柱塞泵柱塞不能運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)吸油和壓油等，同時(shí)還增加了閥件的磨損，降低使用壽命，并且可能導(dǎo)致動(dòng)作滯后失效等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)閥芯溫度場(chǎng)的模擬和分析是十分重要的。作者采用CFD 流固耦合的方法，研究了不同開(kāi)口度和不同工作壓力對(duì)節(jié)流閥油流溫升和應(yīng)力應(yīng)變的影響。

1 控制方程

雖然流體流動(dòng)和傳熱的現(xiàn)象十分復(fù)雜，但都受最基本的3個(gè)物理規(guī)律的支配，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。在數(shù)值仿真計(jì)算中，湍流模型采用時(shí)均形式的微分方程[1]。

質(zhì)量守恒方程:

其矢量形式為:

動(dòng)量守恒方程:

式中:φ為通用變量，可以用來(lái)表示速度、壓力等待求變量。等號(hào)左邊為對(duì)流項(xiàng)，右邊第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，Γφ是擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為源項(xiàng)。

能量守恒方程:

其中:cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的黏性耗散項(xiàng)。

熱流耦合分析選取了溫度場(chǎng)的第三類邊界條件和熱流耦合特有的邊界條件。第一類邊界條件為已知溫度均勻且保持常數(shù)，即:TW=常數(shù);第三類邊界條件為固體與流體因溫度差而發(fā)生了對(duì)流換熱，此時(shí)固體表面的熱流密度與溫度差成正比，即:

式中:n為換熱表面的外法線;

h為換熱系數(shù)，W/(m2·℃);

TW為邊界面溫度，℃;

Tf為流體溫度，℃。

熱流耦合特有的邊界條件包括流體進(jìn)出口壓力、流體溫度和壁面邊界。由于流體和固體遵循不同的控制方程，所以固體和流體交換壁面上溫度和熱流密度必須滿足連續(xù)性邊界條件[2]，即:

2 有限元模型

建立液壓滑閥流體與閥芯的流固耦合三維模型如圖1所示。并以此模型為算例計(jì)算了耦合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與傳熱。

圖1 液壓滑閥流體與固體三維網(wǎng)格模型

算例中流體與固體的材料特性參數(shù)分別如表1和表2所示[3]。

表1 40#液壓油50℃時(shí)的計(jì)算參數(shù)

表2 普通鋼材料屬性

在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析時(shí)，對(duì)流體做了如下假設(shè)[4]:流體為不可壓縮恒定流動(dòng)的牛頓流體，在模型中的流動(dòng)狀態(tài)主要為紊流，采用k－ε 紊流模型。

所計(jì)算的滑閥閥芯與流體的流固耦合模型包括了流體與固體之間的耦合傳熱，同時(shí)也包括了固體的熱應(yīng)變分析。

3 仿真分析

將流體和固體的材料特性和邊界條件施加到有限元模型上，計(jì)算收斂后分別得到流體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，然后再將流場(chǎng)的溫度耦合到固體上，得到固體溫度場(chǎng)，最后計(jì)算出固體的熱應(yīng)變。

圖2為不同開(kāi)口度和不同壓差下的液壓流體速度場(chǎng)分布示意圖，流體流出閥口，流出的地方叫槽口后方，流入閥口的地方叫槽口前方。從圖中可以看出:高速射流區(qū)域面積隨著開(kāi)口度的增大而增大;高速射流區(qū)域的位置隨著開(kāi)口度的增大逐漸從槽口后方向槽口前方移動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閁型節(jié)流槽的閥口遷移現(xiàn)象引起的。U型節(jié)流槽存在一個(gè)特殊的閥口開(kāi)度，當(dāng)閥口開(kāi)度小于這個(gè)特殊的開(kāi)口度時(shí)，最小過(guò)流面積是隨著閥口開(kāi)度的變化而變化的;而當(dāng)閥口開(kāi)度大于這個(gè)特殊閥口開(kāi)度時(shí)，閥口的最小過(guò)流面積為一個(gè)常數(shù)。同時(shí)，隨著開(kāi)口度的不斷增大，液壓油流出閥口的射流角也不斷增大，不同的出射角，對(duì)射流后部流場(chǎng)的影響也不同。當(dāng)閥口開(kāi)度由小變大時(shí)，進(jìn)入閥口后方區(qū)域的液壓油開(kāi)始沖擊到閥芯窄頸段的表面上，產(chǎn)生了回流現(xiàn)象，隨著閥口的開(kāi)度進(jìn)一步增大，液壓油沖擊在閥芯窄頸段的表面上的液壓油更多，回流區(qū)也更大。

圖2還給出了液壓滑閥流體在壓差分別為10 MPa，15 MPa，20 MPa時(shí)的速度場(chǎng)分布，由圖中可以看到:節(jié)流口附近的流體速度和流體高速區(qū)域隨著壓差的增大而增大，并且節(jié)流槽口及下游區(qū)域的渦強(qiáng)度隨著壓差的增大而增強(qiáng)，這也是產(chǎn)生溫升現(xiàn)象的主要原因。

圖3為閥芯溫度場(chǎng)分布示意圖，從圖中可以看出，閥芯中間段及槽口附近是明顯高溫區(qū)，閥芯兩端是低溫區(qū)，的右邊的低溫區(qū)明顯比左邊的低溫區(qū)大，這是因?yàn)橛疫吺怯鸵荷狭?，溫度較低，而左邊是油液下流，油液經(jīng)過(guò)槽口，速度增大，黏性加熱顯著，產(chǎn)生大量熱量。熱量一部分隨著油液流向出口，一部分則通過(guò)槽口表面?zhèn)飨蜷y芯。同時(shí)，在槽口內(nèi)部存在一個(gè)相對(duì)低溫區(qū)，如圖3所示。

圖2 液壓滑閥流場(chǎng)分布示意圖

圖3 閥芯溫度場(chǎng)示意圖

為了更好地了解閥芯表面溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)，圖4列出了閥芯在不同開(kāi)口度和不同壓差下的閥芯表面的溫度分布云圖。從圖中可以看出，閥芯的局部高溫分布在槽口的輪廓線附近。開(kāi)口度不同的閥芯整體的溫度分布趨勢(shì)基本相似，都是閥芯兩端為低溫區(qū)，以槽口表面為溫度集中區(qū)，也就是高溫區(qū)，向四周傳熱。閥芯表面溫度有隨著離槽口距離的增大而逐步減小的趨勢(shì)。

圖4 不同開(kāi)口度下的閥芯表面溫度分布示意圖

對(duì)照?qǐng)D2和圖4容易看出，槽口表面的溫度和附近油液的速度分布緊密相關(guān)。圖4中，當(dāng)K=1 mm時(shí)的最高溫度明顯低于其他開(kāi)口度時(shí)的最高溫度，這是因?yàn)镵=1 mm時(shí)的槽口表面的高速射流區(qū)域最小;而槽口表面的高溫區(qū)隨著開(kāi)口度的增大，逐漸往槽口方向移動(dòng)，這是因?yàn)楦咚偕淞鲄^(qū)域隨著開(kāi)口度的增大逐漸往槽口方向移動(dòng)，如圖2所示。

圖5對(duì)比了不同開(kāi)口度和不同壓差下的閥芯變形，從圖中知道，閥芯的變形趨勢(shì)基本一致，閥芯的總體變形發(fā)生在槽口附近;槽口徑向變形發(fā)生在槽口半圓弧形處，向上拱起;而軸向變形則是閥芯表面受到擠壓向外延伸。最大變形都出現(xiàn)在槽口附近，根據(jù)圖4和圖5，不難看出節(jié)流槽最大徑向變形位置與槽口表面的局部高溫位置相對(duì)應(yīng)，除了K=1 mm時(shí)出現(xiàn)在半圓壁面上，其他位置都出現(xiàn)在槽口兩側(cè)的壁面上。

在表3中，最高溫度Tmax出現(xiàn)在開(kāi)口度為3 mm和4 mm 附近，而最大變形量Dmax出現(xiàn)在開(kāi)口度為2 mm時(shí)，說(shuō)明最大變形量并不是隨著最高溫度的增大而增大的，這是因?yàn)樽畲笞冃瘟亢妥罡邷囟瘸霈F(xiàn)的位置有關(guān);當(dāng)最高溫度出現(xiàn)在槽口半圓處時(shí)，也就是說(shuō)離槽口入口處越遠(yuǎn)的地方，引起的軸向擠壓較大，徑向變形就較大;離槽口入口較近時(shí)，引起的軸向變形擠壓較小，因此徑向變形也就較小。

圖5 不同開(kāi)口度下的閥芯變形

表3 不同開(kāi)口度和壓差下的最高溫度和最大變形量

4 結(jié)論

(1)在考慮了黏性加熱所產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)象后，建立了液壓滑閥閥芯的有限元模型，分析了液壓滑閥閥芯在實(shí)際工作中會(huì)受到磨損、甚至卡死情況的原因。

(2)在Fluent 中進(jìn)行了流體仿真分析，計(jì)算出液壓滑閥流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的大小和位置的變化情況，得到了流場(chǎng)的最高溫度是隨著開(kāi)口度的增大而增大，閥芯的最高溫度是隨著最大流速增大而增大。

(3)在有限元分析中把流場(chǎng)計(jì)算出的溫度加載到液壓閥芯表面上，計(jì)算出閥芯受到黏性熱效應(yīng)影響之后的變形，得出閥芯的最大變形量是隨著開(kāi)口度的增大而先增大后減小，這是因?yàn)殚y芯的最大變形不僅和最高溫度值有關(guān)，還和最高溫度出現(xiàn)的位置有關(guān)。

因此，考慮由黏性熱引起的閥芯變形是有必要的，尤其在液壓滑閥閥芯閥套配合間隙較小時(shí)甚為重要。同時(shí)可以對(duì)閥芯、閥套甚至對(duì)整個(gè)液壓泵系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，從而為盡量避免或者減少由于油液溫升閥芯膨脹引起的液壓元件的磨損，甚至液壓卡緊現(xiàn)象，以提高液壓系統(tǒng)元件的使用壽命。

【1】金朝銘.液壓流體力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1994:154－155.

【2】陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安:西安交通大學(xué)出版社，2004.

【3】尚仁操，喬渭陽(yáng)，徐開(kāi)福.汽輪渦輪葉片氣熱耦合數(shù)值模擬研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(2):11－13.

【4】柯堅(jiān).現(xiàn)代水壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

【5】冀宏.液壓閥芯節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2005.