基于CFD的液壓滑閥U形槽閥口的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力仿真研究?

石金艷 李 輝 周 會(huì) 史時(shí)喜 楊 文

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）（2.四川川潤股份有限公司 成都 610031）（3.株洲電力機(jī)車研究所有限公司 株洲 412001）（4.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

1 引言

與電氣傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)相比較，液壓傳動(dòng)具有安裝方便靈活、驅(qū)動(dòng)力大、工作穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)較大范圍的無級(jí)調(diào)速、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)機(jī)械裝備、工程機(jī)械、航空航天、海洋工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，國家應(yīng)用液壓傳動(dòng)技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國家的工業(yè)水平高低的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

液壓閥又稱液壓控制元件，它主要是用來控制液壓系統(tǒng)中油液流動(dòng)的方向、壓力大小和流量的多少。液壓閥是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成之一，液壓閥的特性直接影響了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。液壓閥按照結(jié)構(gòu)形式主要分為滑閥、座閥、射流管閥等，其中液壓滑閥應(yīng)用最廣。該文中的液壓滑閥閥口為U形槽形式，在閥芯凸肩上對稱加工兩個(gè)U形節(jié)流槽，以便進(jìn)行液壓閥的流量和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力控制。液壓滑閥上作用的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響液壓滑閥的工作性能的主要因素，影響液壓滑閥的換向控制性能，開展液壓滑閥的閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的研究具有重要的意義。

論文運(yùn)用CFD方法通過三維流體計(jì)算軟件STAR-CD對U形槽液壓滑閥內(nèi)流場進(jìn)行求解，計(jì)算分析得出液壓滑閥閥口流入和流出方向上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。

2 液壓滑閥的結(jié)構(gòu)分析

該文選取的研究對象如圖1所示，在閥芯凸肩上對稱加工兩個(gè)U形節(jié)流槽。該液壓滑閥的U形槽閥口的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（見圖1），其數(shù)值分別為:節(jié)流槽深度h=1.5mm，U形槽端口的半徑r=2.5mm，閥芯半徑R=10mm，其中x1為該液壓閥閥口的開度大小。

圖1 液壓閥閥口主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 仿真計(jì)算建模

在本研究中，選取軟件I-deas作為三維建模軟件，進(jìn)行仿真計(jì)算模型的建立和劃分網(wǎng)格，建立的仿真計(jì)算模型如圖2。本研究對象液壓滑閥在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，為了節(jié)約計(jì)算耗時(shí)，減輕計(jì)算工作量，在進(jìn)行仿真計(jì)算模型構(gòu)建時(shí)只選取液壓滑閥的一半流道進(jìn)行建模與仿真分析。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到液壓滑閥的閥口周圍、液壓閥的出口腔內(nèi)壓力明顯變化大，流體在這些部位的流速明顯較大，采取局部網(wǎng)格細(xì)化處理，以獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。運(yùn)用I-deas建模和劃分網(wǎng)格后，模型導(dǎo)入Star-CD軟件中對其進(jìn)行液壓仿真計(jì)算。

在運(yùn)用Star-CD軟件仿真計(jì)算時(shí)，對仿真模型規(guī)定如下:1）假設(shè)文中的研究對象為理想的液壓閥，也就是閥芯與閥座是理想配合，視為無間隙；2）研究中的液壓介質(zhì)為不可壓縮的恒定的牛頓流體；3）忽略液壓介質(zhì)的重力，忽略閥腔內(nèi)部液壓介質(zhì)產(chǎn)生的傳熱影響；4）液壓工作介質(zhì)的參數(shù)設(shè)定:密度ρ=880kg/m3，動(dòng)力粘度為 0.058 Pa?s，進(jìn)口壓力P1=25Mpa，出口壓力P2=23Mpa；5）設(shè)定仿真計(jì)算模型的高低壓邊界、對稱邊界見圖2。

圖2 仿真計(jì)算三維模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的計(jì)算

液壓滑閥的閥芯運(yùn)動(dòng)是通過操縱裝置讓其沿著閥芯軸線方向上產(chǎn)生移動(dòng)，使得閥口開度處于不同的大小，使得液壓系統(tǒng)油路實(shí)現(xiàn)接通或斷開，實(shí)現(xiàn)油液流動(dòng)方向、壓力大小及流量多少的調(diào)節(jié)。液壓滑閥在實(shí)際工作時(shí)閥芯有各種外力作用其上，比如控制閥芯運(yùn)動(dòng)的操縱力、彈簧預(yù)緊力、摩擦力、慣性力、液動(dòng)力等。液壓滑閥上作用的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響液壓滑閥的工作性能的主要因素，影響液壓滑閥的換向控制性能。

由于液壓流體在流過液壓閥的閥口均會(huì)產(chǎn)生一定大小的壓力損失，即產(chǎn)生一定的壓降，引起液壓滑閥閥芯的壁面壓力分布的變化，宛如給閥芯作用了一個(gè)附加力。文中研究的液壓滑閥的節(jié)流槽為兩個(gè)且均勻分布，故可知閥芯所受的徑向力是平衡的，閥芯沿著軸線方向受力壁面上的壓力值就是作用于液壓滑閥閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。閥芯受力壁面上壓力分布不均勻，閥芯的液動(dòng)力可以通過壓力積分求解得到:

式（1）中:p是壁面的壓力值，n是液壓滑閥的閥芯軸線的正方向，Ai是閥芯的受力壁面，dA為面積分。

1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的理論分析

運(yùn)用流體力學(xué)動(dòng)量定理對U形節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力開展理論分析。分析中的控制體是由閥芯的左右壁面、U形節(jié)流槽壁面、閥芯中間桿壁面、閥體的壁面和閥芯凸肩圓周壁面圍成（見圖3）。

圖3 U形節(jié)流槽滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分析

（1）流出方向

根據(jù)圖3得到液動(dòng)力的動(dòng)量公式為

流出節(jié)流槽方向時(shí)，流體的流入速度v1很小，

其流入動(dòng)量忽略不計(jì)，得到則其液動(dòng)力公式為

式中:cv為速度系數(shù)值；θ1為閥口的流束射流角數(shù)值；θ2為閥口的流束射流角數(shù)值。

可見，液動(dòng)力的理論計(jì)算關(guān)鍵是確定射流角θ1、θ2和面積A，此處射流角θ1、θ2取流場計(jì)算所得的角度數(shù)值大小。

（2）流入節(jié)流槽方向

圖3 b）為流入該節(jié)流槽的控制體，根據(jù)分析，可得穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算公式為

4.2 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的仿真結(jié)果分析

采用CFD進(jìn)行流場的解析計(jì)算，進(jìn)口壓力為25MPa，且出口壓力為23MPa，獲得液壓滑閥U形槽不同的閥口開度情況下的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算流場，得到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力曲線如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力曲線圖

從圖4我們可以得到在油液流入和流出節(jié)流槽的兩個(gè)不同方向上，閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力均有使閥口關(guān)閉的趨勢；在流出和流入節(jié)流槽兩個(gè)不同的方向上閥口射流角有所不同，導(dǎo)致在流入和流出節(jié)流槽兩個(gè)方向上得到的液動(dòng)力差值較大。

同時(shí)，液壓滑閥U形槽閥口，當(dāng)閥口開度較小時(shí)，隨著閥口開度增大穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力緩慢增加。當(dāng)閥口開度大于2.5mm時(shí)，通過分析得知液壓閥口面積為恒定，而射流角急劇減小，此時(shí)閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力隨著閥口開度增大而顯著增大。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力曲線顯示在U形節(jié)流槽的流入和流出方向，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力均使閥口趨于關(guān)閉，且流出方向的液動(dòng)力要比流入方向大一些。

5 結(jié)語

論文采用軟件I-deas進(jìn)行三維建模及網(wǎng)格劃分，運(yùn)用三維流體計(jì)算軟件STAR-CD對U形槽液壓滑閥內(nèi)流場進(jìn)行求解，通過解析計(jì)算得到滑閥不同閥口開度下穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的數(shù)值，結(jié)果表明:在該U形節(jié)流槽的流入和流出方向上，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力均使閥口趨于關(guān)閉，流出方向的液動(dòng)力要比流入方向大一些，且當(dāng)閥口開度大于2.5mm時(shí)，射流角急劇減小，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有所增加。