不同閥口形態(tài)對(duì)內(nèi)流式錐閥液動(dòng)力的影響

， ，，

(浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

引言

液壓閥作為液壓系統(tǒng)的控制元件，在控制液流時(shí)，由于流過(guò)閥口處的液流方向和流速都產(chǎn)生了變化，閥芯受到液動(dòng)力的附加作用。液動(dòng)力對(duì)閥的動(dòng)、靜態(tài)特性影響很大，是設(shè)計(jì)液壓閥需考慮的重要因素，因而液動(dòng)力一直是液壓研究的重要關(guān)注點(diǎn)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已對(duì)此作出了大量研究[1-4]。

錐閥是液壓閥主要結(jié)構(gòu)形式之一。錐閥由于密封性好、過(guò)流能力強(qiáng)、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用的液壓元件。錐閥閥芯的形狀可分為全錐型和平底型，其中，由于平底錐閥的通流能力大于全錐型[5]，因而平底錐閥常用于液壓插裝閥中。與錐閥閥芯配合的閥座通?？煞譃橛械菇情y座和無(wú)倒角閥座，兩種情況構(gòu)成了不同的閥口配合形態(tài)，必然對(duì)閥芯所受液動(dòng)力的影響不同。

錐閥按液流的流向可分為內(nèi)流式與外流式，本研究主要針對(duì)內(nèi)流工況，通過(guò)CFD仿真對(duì)內(nèi)流式平底錐閥在不同閥口配合情況下所受液動(dòng)力的特性進(jìn)行了研究。

1 建模與仿真設(shè)置

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

首先在SolidWorks中建立三維模型，然后將其導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)流體域計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于閥口周?chē)鲌?chǎng)變化劇烈，因此對(duì)閥口周?chē)牧黧w網(wǎng)格需進(jìn)行局部細(xì)化，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。最后將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流場(chǎng)仿真。

兩種不同閥口形態(tài)的截面圖如圖1所示，兩種情況僅閥座處不同，其余參數(shù)均一致，液動(dòng)力方向如圖1中箭頭所示，典型的閥內(nèi)流體三維模型如圖2所示，典型的流體網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖1 兩種不同的閥口形態(tài)

圖2 典型的閥內(nèi)流體三維模型

圖3 典型的流體網(wǎng)格模型

1.2 Fluent仿真設(shè)置

在進(jìn)行Fluent流場(chǎng)仿真時(shí)，模型選擇及參數(shù)設(shè)置對(duì)仿真的結(jié)果至關(guān)重要。本研究中仿真設(shè)置參數(shù)如下：

(1) 模型設(shè)置 由于液壓閥內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流，因此選擇Standardk-ε湍流模型；

(2) 入口設(shè)置 由于液壓閥內(nèi)流體被視為不可壓縮，因此采用速度入口Velocity-inlet；

(3) 出口設(shè)置 壓力出口Pressure-outlet，并設(shè)定出口壓力為0.1 MPa；

(4) 流體參數(shù) 液壓油密度860 kg·m-3，動(dòng)力黏度0.039644 kg·m-1·s-1。

為了分析不同開(kāi)口度下的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，每種模型建立了開(kāi)口度分別為1，2，3 mm，共3個(gè)不同的計(jì)算模型。

不同開(kāi)度下，仿真的入口流量如表1所示。

表1 不同開(kāi)度下速度入口的流量

2 仿真結(jié)果分析

在進(jìn)行CFD仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)流體實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)在ANSYS/Fluent求解器里選擇合適的湍流模型。本研究采用單相湍流模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算求解。ANSYS/Fluent 軟件里包含了工程常用的一些湍流模型，以適應(yīng)不同的工況，其中k-ε兩方程湍流模型具有計(jì)算精度高、運(yùn)算量小等特點(diǎn)，因此被廣泛用于湍流流場(chǎng)仿真，其中湍動(dòng)能k及其耗散率ε采用如下方程計(jì)算：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

上兩式中，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由液體浮力所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM則代表了可壓縮湍流向整體耗散的率的波動(dòng)擴(kuò)張；C1ε，C2ε，C1ε是三個(gè)模型常數(shù)；σk，σε分別是k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε是用戶定義值。

此外，湍流黏度μτ用下式計(jì)算：

(3)

上述各常數(shù)的默認(rèn)值為：C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

圖4 兩種形態(tài)時(shí)，液動(dòng)力曲線圖

2.1 閥座無(wú)、有倒角時(shí)閥芯所受液動(dòng)力仿真結(jié)果

如圖4a所示，閥座無(wú)倒角時(shí)，閥芯僅在小開(kāi)度時(shí)(x=1 mm)液動(dòng)力方向?yàn)檎?，?dāng)行程x≥2 mm，尤其是在流量增大后，液動(dòng)力方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)向，即開(kāi)啟方向，而開(kāi)啟方向的液動(dòng)力將不利于閥芯的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定[4]。隨著流量增大，液動(dòng)力相應(yīng)增加，在x=3 mm,Q=200 L/min 時(shí)，閥芯所受液動(dòng)力達(dá)到-30 N。

如圖5a所示，閥芯僅在x=3 mm，且流量Q≥160 L/min 之后，液動(dòng)力方向轉(zhuǎn)為負(fù)向，負(fù)向液動(dòng)力幅值很小;而在小開(kāi)度時(shí)，液動(dòng)力均為正向，但幅值相比于無(wú)倒角時(shí)增長(zhǎng)極大，在x=1 mm，40 L/min時(shí)，閥芯所受關(guān)閉方向的液動(dòng)力高達(dá)58 N。

可見(jiàn)，閥座是否有倒角對(duì)于閥芯所受液動(dòng)力的幅值和方向都有著很大影響。

圖5 兩種形態(tài)時(shí)，壓降曲線圖

2.2 閥座無(wú)、有倒角時(shí)閥口壓降曲線仿真結(jié)果

閥座無(wú)倒角時(shí)的閥口壓降曲線如圖4b所示，閥座有倒角時(shí)的閥口壓降曲線如圖5b所示，而兩種壓降的對(duì)比曲線如圖6所示。由圖可見(jiàn)兩種形態(tài)下的閥口壓降曲線基本一致且無(wú)變化，僅在開(kāi)度x=3 mm時(shí)，在某些流量下，無(wú)倒角時(shí)的壓降略大于有倒角時(shí)的壓降。因此閥座是否有倒角對(duì)閥的壓降產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。

圖6 兩種不同形態(tài)的壓降對(duì)比曲線

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

由于Fluent仿真是以網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，網(wǎng)格的數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果必然有影響，因此對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證是必要的。閥座無(wú)倒角和有倒角兩種情況的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證曲線如圖7所示。

由圖可見(jiàn)，50萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與100萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果誤差很小，因此，可以認(rèn)為50萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)論

錐閥在液壓傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛，近年來(lái)液壓傳動(dòng)向高壓大流量方向發(fā)展，插裝閥的應(yīng)用越來(lái)越普遍。而平底錐閥通常用作插裝閥的主閥芯，因而對(duì)平底錐閥的研究具有實(shí)際意義。本研究對(duì)閥座無(wú)倒角和有倒角兩種不同閥口形態(tài)的平底錐閥閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，通過(guò)CFD仿真得出如下結(jié)論：

(1) 閥座無(wú)倒角。小開(kāi)度時(shí)，閥芯所受液動(dòng)力幅值小，方向?yàn)檎?，即趨于關(guān)閉方向，有利于閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定；隨著閥口開(kāi)大，液動(dòng)力幅值不斷增大，且方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，即趨于開(kāi)啟方向，不利于閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定。從整個(gè)閥芯行程來(lái)看，閥芯所受液動(dòng)力的方向可以認(rèn)為基本為負(fù)向，是不利于閥芯穩(wěn)定的；

(2) 閥座有倒角。小開(kāi)度時(shí)，閥芯所受液動(dòng)力幅值比無(wú)倒角時(shí)急劇增大，方向?yàn)檎?，有利于閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定。但由于幅值很大，對(duì)閥芯的控制仍會(huì)造成較大的影響；隨著閥口開(kāi)大，液動(dòng)力幅值不斷減少，當(dāng)閥芯行程達(dá)到x=3 mm，流量Q增大到160 L/min時(shí)，液動(dòng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)變；然而，在x=3 mm，Q=200 L/min時(shí)，閥芯所受液動(dòng)力約為-7 N，幅值很小，可以忽略不計(jì)。因此在大開(kāi)度時(shí)，液動(dòng)力對(duì)于閥芯的干擾基本可以忽略。從整個(gè)行程上來(lái)看，閥芯的液動(dòng)力方向基本可以認(rèn)為處于正向；

圖7 無(wú)倒角時(shí)，無(wú)關(guān)性驗(yàn)證曲線圖

(3) 閥座是否有倒角對(duì)于閥的壓降曲線沒(méi)有影響。