斜坡形非全周滑閥的特性研究

張友杰，倪受春

斜坡形非全周滑閥的特性研究

張友杰，倪受春

針對斜坡形非全周滑閥，推導出閥口的過流面積計算公式，并對過流面積的變化特點進行分析；利用流場仿真的方法得到了不同流動方向下的閥芯穩(wěn)態(tài)液動力，結(jié)果表明油液在閥口內(nèi)的流動方向不同，閥芯穩(wěn)態(tài)液動力有明顯差距。在流入方向，穩(wěn)態(tài)液動力值很小，幾乎可以忽略。

斜坡形非全周滑閥；過流面積；穩(wěn)態(tài)液動力

非全周開口滑閥由于具有水力半徑大、抗阻塞性能好、閥口面積梯度易調(diào)節(jié)、流量控制范圍寬等優(yōu)點[1-2], 因此在工程機械多路閥主控制閥芯等液壓閥中得到了廣泛應用[3]。

液壓控制閥的流量控制特性本質(zhì)上取決于其閥口過流面積和流量系數(shù)，節(jié)流槽滑閥閥口面積特性較傳統(tǒng)滑閥豐富，但其計算要比傳統(tǒng)滑閥復雜的多。冀宏等人在推導節(jié)流槽閥口過流面積上作了大量研究[4]，但由于節(jié)流槽形式的多樣性，多數(shù)節(jié)流槽的閥口面積還未有現(xiàn)成的公式[5]，包括本文提出的斜坡形節(jié)流槽。

滑閥液動力除對操縱力有影響外，還對閥的動態(tài)響應特性有影響[6]。且近年來對于節(jié)流槽形式滑閥液動力的研究成果已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)的認識，如冀宏等[7]利用流場計算研究了非全周開口滑閥U型和V型節(jié)流槽穩(wěn)態(tài)液動力,發(fā)現(xiàn)在特定的閥口開度范圍內(nèi)，液動力會使閥口趨于開大；方文敏[8]等通過試驗測試和流場仿真相結(jié)合的方法,分析帶U形節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力,結(jié)果表明不論是在單向流出流入情況還是在雙向進出油情況下,帶U形節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力會出現(xiàn)負值,使閥口趨于打開。

本文根據(jù)節(jié)流槽閥腔內(nèi)的壓力分布，確定了斜坡形非全周閥口過流面積的計算方法，并準確推導了該形式閥口過流面積的計算公式；利用CFD技術(shù)仿真得到了流體在流出和流入閥口時閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力。

1 閥口過流面積的計算方法和公式推導

1.1 閥口過流面積的計算方法

本文所研究的斜坡形閥口屬于漸擴形節(jié)流槽，其典型特征為隨閥口開度的變化截面逐漸變大，應用最小過流面來計算閥口面積[9]。

圖1給出了斜坡形節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)簡圖及壓力分布解析結(jié)果,可以看出:閥進出口壓差集中分布在斜面A上，斜坡形節(jié)流槽的閥口面積A可按閥口開度處的截面A1在斜面A上的投影面積計算。

圖1 斜坡形閥口過流面積

即斜坡形閥口過流面積：

(1)

式中：β為閥口坡角。

1.2 閥口過流面積公式推導

圖2為斜坡形閥口過流面積計算簡圖，可以看到圖1中的面積A1即為圖2中A-A剖面圖中空白部分的面積。

圖2 斜坡形閥口過流面積計算簡圖

定義r=d/2，則閥口過流面積函數(shù)解析式為：

(2)

式中：x為閥口開度，β為閥口坡角，A為斜坡形閥口過流面積。

取d=20mm，給出了不同閥口坡角時閥口面積隨閥口開度的變化規(guī)律，如圖3所示，面積曲線線性度較好，整體曲線呈現(xiàn)凹型，說明隨著閥口開度的增加其面積增益越大。

圖3 閥口面積曲線

2 閥芯穩(wěn)態(tài)液動力計算

2.1 穩(wěn)態(tài)液動力的計算方法

計算閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力，目前有兩種方法，一種是用傳統(tǒng)的動量定理法，針對某一質(zhì)點系的控制體，尋求動量變化與作用力之間的相互關(guān)系；另一種方法為通過CFD技術(shù)對壁面進行積分以得到流體對壁面的作用力。

2.1.1 動量定理法

用動量定理計算穩(wěn)態(tài)液動力的公式：

(3)

式中：ρ為流體密度；q為流量，v2,v1分別是流體流入和流出控制體的速度，θ2,θ1分別是流體的入射角和出射角。

由于閥口射流角會隨閥口開度的變化而變化[7]，用式(3)因此很難準確計算閥芯穩(wěn)態(tài)液動力，只能定性判斷液動力的方向和變化趨勢。因此本文僅用動量定理法進行定性分析，而不再作為定量計算的依據(jù)。

2.1.2 基于CFD的壁面積分法

CFD技術(shù)可以得到閥腔內(nèi)流場壓力分布的數(shù)值解，對閥芯與流體的接觸面積進行積分可以得到閥芯的液動力，求解公式可以表示為：

(4)

2.2 穩(wěn)態(tài)液動力的仿真計算

2.2.1 幾何模型

穩(wěn)態(tài)液動力是指流體流入和流出控制體時由于動量的變化而對閥芯造成的附加作用力，可以分解為軸向分量和徑向分量。由于節(jié)流槽一般對稱布置，徑向分量可以相互抵消，因此只需研究軸向作用力。為了研究方便，本文在建模時只取單節(jié)流槽作為研究對象。幾何模型圖4所示。

圖4 幾何模型

為了便于敘述，圖4所示的IN→OUT的流動方向定義為流入方向，反之則為流出方向。

2.2.2 三維建模與網(wǎng)格劃分

在Proe中進行三維建模并導入到ICEM中進行網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，三維對稱結(jié)構(gòu)，在閥口區(qū)域進行局部細化。網(wǎng)格劃分結(jié)果圖5所示。

2.2.3 邊界條件設置

利用fluent軟件完成流場計算，采用恒壓差邊界條件，設置進口壓力16Mpa，出口壓力10Mpa；油液密度870kg/m3，動力粘度0.051pa·s；采用標準k-ε湍流模型，收斂準則為0.001。

2.2.4 穩(wěn)態(tài)液動力計算結(jié)果

Fluent提供了物理量對于面的積分功能，在ICEM中標定閥芯的受力面，可以在Fluent中直接通過積分功能得到閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力。穩(wěn)態(tài)液動力計算結(jié)果圖6所示。

圖5 計算網(wǎng)格

圖6 穩(wěn)態(tài)液動力曲線

2.2.5 計算結(jié)果分析

圖6可以發(fā)現(xiàn)，流體在流入和流出閥口時穩(wěn)態(tài)液動力差距很大。流出閥口時液動力為負值，方向使得閥口趨于關(guān)閉，隨著閥口開度的增加液動力值變大；流出控制體時液動力值很小，但考慮到仿真計算時的誤差，本文不對此時的液動力方向加以研究，僅對兩者出現(xiàn)較大差距的原因進行分析。

圖7為流體流入和流出閥口的速度矢量圖，黑色粗線條包圍區(qū)域為穩(wěn)態(tài)液動力計算控制體。可以發(fā)現(xiàn)，流體按(a)方向流動，入射角幾乎為90°，其軸向分量很小；流體按(b)方向流動，出射角依然存在很大的軸向分量。根據(jù)式(3)可以分析，流體在流入方向穩(wěn)態(tài)液動力很小，流出方向液動力較大。

圖7 速度矢量圖

3 結(jié)語

推導了斜坡形非全周閥口的過流面積計算公式，并用流場仿真的方法分析閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力，得出以下結(jié)論：

(1)斜坡形非全周閥口過流面積線性度較好，且隨著閥口開度的增加其面積增益越大；

(2)油液在閥口內(nèi)的流動方向不同，閥芯穩(wěn)態(tài)液動力有明顯差距。在流入方向，穩(wěn)態(tài)液動力值很小，幾乎可以忽略。

[1] 林建亞, 何存興.液壓元件[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1988.

[2] 路甬祥, 胡大纮.電液比例控制技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1988.

[3] 侯敏, 王濤, 彭彪.非全周開口滑閥閥口面積快速計算方法[J]. 機床與液壓. 2013, 41(9): 91-92.

[4] 冀宏, 傅新, 楊華勇. 幾種典型液壓閥口過流面積分析及計算[J]. 機床與液壓, 2003(5): 14-16.

[5] 雷天覺. 液壓工程手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1990.

[6] 汪世益, 毛亞西. 閉式雙向變量泵伺服系統(tǒng)的特性分析[J]. 液壓與氣動, 2013(12): 26-29.

[7] 冀宏, 傅新, 楊華勇. 非全周開口滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究[J]. 機械工程學報, 2003, 39(6):13- 17.

[8] 方文敏, 成琳琳等. 帶U形節(jié)流槽的滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究[J]. 浙江大學學報, 2010, 44(3)574-579.

[9] 冀宏, 王東升等. 非全周開口滑閥閥口面積的計算方法[J]. 蘭州理工大學學報, 2008, 34(3)48-51.

責任編輯：劉海濤

Analysis on the Characteristics of Slope-shaped Spool Valve with Notches

Zhang Youjie, Ni Shouchun

The calculation formula for orifice area of slope-shaped spool valve with notches is deduced and the varying features of orifice area are analyzed; by adopting the method of flow field simulation, the value of steady flow force at valve element in different flow directions is explored. The study shows that there exists obvious disparity for the value of steady flow force along with the different flow directions of oil. When the oil flows into the valve port, the value of steady flow force turns out to be rather low, even dropping to nearly zero.

slope-shaped spool valve with notches; orifice area; steady flow force

K249.3

A

1673-1794(2017)02-0023-03

張友杰，滁州學院機械與汽車工程學院教師，碩士；倪受春，滁州學院機械與汽車工程學院副教授(安徽 滁州 239000)。

滁州學院校級規(guī)劃項目(2015GH47)

2016-07-03