基于不同閥芯頸部直徑參數(shù)的液壓錐閥流量特性的影響研究*

石金艷龔煌輝李 輝

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院 株洲 412001）（2.四川川潤股份有限公司 成都 610031）

1 引言

在各類液壓閥中，液壓錐閥由于結(jié)構(gòu)簡單、性能好，得以廣泛應用于液壓系統(tǒng)中。液壓錐閥的主要部件有閥芯、閥座及附屬的彈簧、密封件等。液壓錐閥安裝方便，只需將閥芯插入閥體或閥塊的插孔內(nèi)，通過控制蓋板與閥體或閥塊間的螺釘聯(lián)接實現(xiàn)固定。盡管閥套、閥體插孔和蓋板三者間的相關(guān)尺寸基本標準化，但組件內(nèi)部的一些尺寸如閥芯形狀及尺寸、閥套內(nèi)孔與閥芯配合的形狀及尺寸等，均可由設(shè)計人員自行給定，其中，閥芯形狀及尺寸對液壓錐閥性能影響最明顯。本文研究閥芯頸部直徑對液壓錐閥的流量特性的影響。

采用CFD方法，對液壓錐閥進行流體解析，得到液壓錐閥的不同閥芯頸部直徑對流量特性的影響，為液壓錐閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論一定的參考。

2 液壓錐閥的結(jié)構(gòu)分析

研究選擇了某錐閥作為案例，如圖1所示，該液壓錐閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：A=90°，B=16.5mm，C=4mm，D=6mm，F(xiàn)=130°，G=130°，D為閥芯頸部直徑值。如圖1所示，箭頭方向為液壓油的流動方向；圖中I區(qū)、II區(qū)均為兩個旋渦產(chǎn)生區(qū)。液壓錐閥的內(nèi)部閥腔結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)部流動對稱，研究中我們只取流動區(qū)域的一半作為計算對象以減少計算工作量。

圖1 錐閥的基本結(jié)構(gòu)

3 液壓錐閥建模

把圖1的流體區(qū)域作為計算區(qū)域，采用I-deas軟件對液壓錐閥進行三維建模；接著，采用四面體網(wǎng)格進行模型的網(wǎng)格劃分，同時根據(jù)實際情況，在閥的進口和出口部分液壓油的流速和壓力變化緩慢，可以采用較粗的網(wǎng)格；在液壓錐閥的閥口處有節(jié)流效果，壓力變化較大，液壓油的流速較大，此處的網(wǎng)格做了初步細化，同時在出口拐角處區(qū)域做了局部細化。網(wǎng)格劃分好后導入流體分析軟件Star-CD中對液壓錐閥進行仿真計算。

對液壓錐閥進行仿真計算時，對所建模型作如下規(guī)定：1）液壓錐閥是理想錐閥，其閥芯與閥套配合精準無間隙；2）液壓油為不可壓縮、恒定的牛頓流體（即速度梯度變化時，動力粘度μ不變）；3）因液壓錐閥的閥體尺寸很小，忽略液壓油重力以及閥腔內(nèi)部液壓油傳熱的影響；4）液壓油的參數(shù)設(shè)定：密度ρ=880kg/m3，進口壓力P1=5Mpa，出口壓力P2=0Mpa；5）如圖2所示為邊界條件的設(shè)定。

圖2 錐閥模型的邊界條件

4 仿真結(jié)果分析

通過對液壓錐閥的閥芯頸部直徑參數(shù)從4mm增加至16mm，其中變化的梯度為2mm，對液壓錐閥的進行三維建模并完成CFD仿真，得到液壓錐閥對應的流量曲線如圖3、圖4所示，得到錐閥的流量系數(shù)曲線如圖5、圖6所示。

圖3 相同閥口開度下的流量

圖4 相同閥芯頸部直徑參數(shù)的流量

圖5 相同閥口開度下的流量系數(shù)

圖6 相同閥芯頸部直徑參數(shù)的流量系數(shù)

從圖3和圖4可得，在相同閥口開度下，液壓錐閥的閥芯頸部直徑從4mm變化到16mm，流量大小基本不變。隨著閥口開度的增大流量變大，其中在閥口開度為0.3mm時，流量為36L/min左右，當閥口開度為2.4mm時，流量約為214L/min。因此，我們得到在相同的閥口開度情況下，液壓錐閥的閥芯頸部直徑參數(shù)變化不會引起流量的變化。

從圖5看到，閥口開度為0.3mm的流量系數(shù)曲線離其他的曲線相隔較遠，其余曲線均比較平直集中，流量系數(shù)對應的數(shù)值為0.87左右。

從圖5和圖6可得，當液壓錐閥的閥口開度處于0.3mm～0.6mm時，液壓錐閥的流量系數(shù)有一定的波動，隨著閥口開度的增大而減小。而閥口開度在0.6mm～2.4mm時，液壓錐閥的流量系數(shù)基本不變保持在0.87左右。

5 結(jié)語

針對不同液壓錐閥閥芯頸部直徑參數(shù)進行了液壓錐閥的建模及仿真分析，對其流量及流量系數(shù)進行分析得到下列結(jié)論：液壓錐閥對應相同閥口開度下，閥芯頸部直徑參數(shù)的變化基本不會引起流量的變化；流量系數(shù)隨閥芯頸部直徑參數(shù)的變化基本保持不變約為0.87。