一種電液換向閥的啟動(dòng)流場特性研究＊

李 優(yōu)

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 簡述

換向閥作為液壓系統(tǒng)中的方向轉(zhuǎn)換元件，是液壓控制系統(tǒng)中不可或缺的核心元件之一，換向閥工作的可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)性能有很大影響，尤其是閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對液壓系統(tǒng)的工作性能起到至關(guān)重要的作用[1]。目前，常用的換向閥工作方式主要分為手動(dòng)、機(jī)動(dòng)、電磁、液動(dòng)和電液動(dòng)，電液動(dòng)換向閥是與電磁先導(dǎo)閥組合而成的一種液動(dòng)換向閥[2]，通過小功率的電磁鐵即可實(shí)現(xiàn)大流量換向閥的控制，兼具有電磁閥和液動(dòng)閥的工作特點(diǎn)，更適合應(yīng)用在高壓、大流量的液壓系統(tǒng)中[3]。本文針對市場上一款大流量兩位三通電液換向閥進(jìn)行研究，該閥主要應(yīng)用于煤礦大采高工作機(jī)械、重型機(jī)械等設(shè)備。電液換向閥的工作原理：先導(dǎo)閥將計(jì)算機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，用控制油路中的壓力油推動(dòng)先導(dǎo)閥芯動(dòng)作，改變先導(dǎo)閥口的啟閉情況，進(jìn)而推動(dòng)主閥閥芯的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中液流方向的控制[4]。

某型電液換向閥的主閥芯結(jié)構(gòu)圖見圖1，電磁閥通電后控制油液由控制口K進(jìn)入主閥的控制腔，推動(dòng)主閥芯1動(dòng)作，與密封座配合關(guān)閉進(jìn)油口A與回油口T間的回路；隨著控制腔壓力進(jìn)一步升高，主閥芯2開啟，壓力口P與進(jìn)油口A導(dǎo)通。當(dāng)電磁閥失電控制腔壓力降低時(shí)，主閥芯2在復(fù)位彈簧作用下反向運(yùn)動(dòng)，壓力口P與進(jìn)油口A關(guān)閉；隨著控制腔壓力進(jìn)一步降低，主閥芯1開啟，進(jìn)油口A與回油口T導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)換向。該閥具有工作壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等特點(diǎn)。

針對主閥進(jìn)油工況（P-A）進(jìn)行三維流場仿真分析。先由結(jié)構(gòu)圖在UG中進(jìn)行流體閥道造型，然后在ANSYS ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入ANSYS FLUENT中給定初始參數(shù)后進(jìn)行流場數(shù)值模擬。設(shè)定邊界條件為：進(jìn)油口A壓力為30MPa，出口流速為40m/s，閥口開度8mm，模擬流體為高水基乳化液。由于流體實(shí)際流道結(jié)構(gòu)不對稱，選取平行于閥體且過閥芯軸線的平面作為分析平面，經(jīng)過仿真后選取速度、靜壓力、湍動(dòng)能的分布情況分析。

圖1 主閥芯結(jié)構(gòu)圖

1 電液換向閥的流場數(shù)值模擬分析

圖2是流場的靜壓力分布云圖，可以看到閥芯內(nèi)部流場壓力變化較為明顯，進(jìn)油口壓力最大，達(dá)到約31.6MPa，出油口壓力約27.2MPa，進(jìn)出口壓差為4.4MPa。煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT419-1995規(guī)定：閥的公稱流量在125L/min以內(nèi)時(shí)，進(jìn)出口壓力損失應(yīng)小于5MPa；閥的公稱流量在（125L/min，250L/min）之間時(shí)，進(jìn)出口壓力損失應(yīng)小于6MPa；閥的公稱流量超過250L/min時(shí)，進(jìn)出口壓力損失不超出7MPa。該款電液換向閥公稱流量為500L/min，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)出口壓差滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過靜壓力分布云圖能夠發(fā)現(xiàn)流體從閥套進(jìn)入閥芯內(nèi)部壓力降低約3.5MPa，是流體壓力損失主要集中的部位，在閥芯流道的其他區(qū)域壓力分布較為均勻。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是主閥芯2的4個(gè)閥孔過流面積忽然減小，造成流體通過時(shí)局部壓力損失過大，此處壓力損失主要為流體漩渦和流體動(dòng)能變化引起的熱量散失。同時(shí)，閥口兩側(cè)（圖中的A處和B處）壓力分布存在約0.4MPa的壓差，導(dǎo)致主閥芯徑向受力不均勻，形成徑向不平衡力，造成閥芯偏心卡死。尤其是在閥芯剛打開時(shí)閥口開度較小，兩側(cè)壓差將更大，該閥為一二級閥芯配合使用的插裝閥，更容易發(fā)生故障。要降低壓力損失就需要增大閥孔過流面積、增加閥孔數(shù)量，而閥孔數(shù)量過多、過流面積過大又容易造成閥芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。由此可知合理設(shè)置閥芯上閥孔的數(shù)量和過流面積成為閥結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化的必經(jīng)之路，需要結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真結(jié)論和工程試驗(yàn)結(jié)果選出最優(yōu)方案。

圖2 流場的靜壓力分布云圖

圖3為流場的速度分布云圖，由圖可知主閥芯閥口和剛進(jìn)入閥芯主流道處流速最大，達(dá)到約95m/s，而低速區(qū)流體流速約66m/s，流體流速變化明顯，流體的動(dòng)能變化幅度較大。流體由低速區(qū)進(jìn)入高速區(qū)，又流入低速區(qū)，流速兩次發(fā)生變化，均發(fā)生在進(jìn)出閥孔前后。說明流體兩次受到外力對其做功，一方面造成流體動(dòng)能損失，另一方面造成熱量耗散。反之外力對主閥芯和閥套的壓力沖擊也較大，容易引起主閥芯和閥套表面碰傷、密封圈結(jié)構(gòu)破損，影響換向閥工作穩(wěn)定性。同時(shí)，在流體高速區(qū)壓力降低明顯，容易形成氣穴，氣泡破裂后會(huì)產(chǎn)生噪聲和高溫，引發(fā)閥芯強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致閥芯表面發(fā)生氣蝕、流體變質(zhì)。由此可知，有必要提高閥芯和閥套表面粗糙度和硬度，以緩解閥芯啟閉過程中給元件表面帶來的損傷。

圖3 流場的速度分布云圖

流場的速度矢量圖和局部放大圖見圖4，由于閥道結(jié)構(gòu)變化明顯，流體速度方向變化較大，當(dāng)流過主閥芯閥孔后過流面積突然增大，導(dǎo)致閥芯容腔內(nèi)出現(xiàn)大面積漩渦，閥孔過流面積被漩渦阻擋減小，形成“流體阻尼孔”，進(jìn)一步影響閥孔處流體通過，不能快速泄流，最終影響換向閥的啟閉性能。因此提高液壓閥的動(dòng)態(tài)性能不僅有利于提高液壓系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能，還能減小閥芯的壓力損失和噪聲。

圖4 流場的速度矢量圖和局部放大圖

圖5為流場的湍動(dòng)能分布云圖，最高湍動(dòng)能約85m2/s2，湍動(dòng)能高的部位能量損失大，主閥芯閥孔兩側(cè)入口湍動(dòng)能較高，說明該部位流體流動(dòng)穩(wěn)定性較差。流體湍動(dòng)能最高的是形成漩渦的部位，流動(dòng)穩(wěn)定性最差，而此處流體的流速較低（約25m/s），說明流動(dòng)穩(wěn)定性并不是單一的由流速?zèng)Q定，還與流體所處狀態(tài)有關(guān)。閥芯容腔內(nèi)其他部位則湍動(dòng)能分布較低，相應(yīng)這些區(qū)域結(jié)構(gòu)簡單、流道變化不明顯，說明湍動(dòng)能主要受到流道變化的影響較大。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在主閥芯2頂端錐面處流體湍動(dòng)能較高，在速度和壓力分布云圖中該部位參數(shù)變化不明顯，原因是該處流道體積較閥孔處大流體形成輕微漩渦所致。

圖5 流場的湍動(dòng)能分布云圖

通過以上分析可知，主閥P-A口導(dǎo)通時(shí)，流體壓力損失約4.4MPa，壓力損失的原因?yàn)橹鏖y芯2閥口處流道方向和過流面積大幅變化形成“流體阻尼孔”引起的局部壓力損失；同時(shí)主閥芯還存在輕微的徑向不平衡力；流體最高流速同樣出現(xiàn)在閥口處，達(dá)到95m/s左右，在流體高速流出閥口靠近主閥芯的部位形成漩渦，容易產(chǎn)生氣穴和噪聲，加劇了換向閥的能量損失；流體流動(dòng)穩(wěn)定性最差的部位發(fā)生在靠近主閥芯2閥口和內(nèi)壁形成漩渦的區(qū)域，該處流體流速約為25m/s，說明流動(dòng)穩(wěn)定性與流速、流動(dòng)情況等因素有關(guān)。

2 不同閥口角度對閥性能的影響

流體閥道結(jié)構(gòu)由液壓閥內(nèi)元件結(jié)構(gòu)決定，選取主閥芯2閥口不同錐角度數(shù)（40°、50°）為研究對象進(jìn)行分析。仿真發(fā)現(xiàn)閥口錐角為40°時(shí)閥芯（P-A）進(jìn)出口壓差約5.8MPa，閥口錐角為50°時(shí)進(jìn)出口壓差約5.3MPa，符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓力損失主要集中于主閥芯2閥口處。閥口錐角增大會(huì)增加流體壓力損失，降低系統(tǒng)工作壓力，增加液壓泵工作負(fù)荷。同時(shí)進(jìn)出口壓力變化明顯還會(huì)加劇閥芯受力波動(dòng)，導(dǎo)致閥芯振動(dòng)，形成壓力沖擊。當(dāng)局部壓力低于空氣分離壓時(shí)還容易形成氣穴和噪聲，增加能量損耗。

隨著閥口錐角角度增大流體流速增大，最高速度均達(dá)到約116m/s，均在閥口處，流體的動(dòng)能大壓力低。由于流體方向改變幅度較大，局部壓力損失大，對閥口和閥套產(chǎn)生較大沖擊，影響換向閥的使用壽命，因此油液的最大速度不宜過大。由圖知，流體高速區(qū)域隨著閥口錐角增大進(jìn)一步擴(kuò)大，主要集中在主閥芯2閥口和密封座附近，容易形成較大面積的低壓區(qū)，導(dǎo)致壓力和流速波動(dòng)，閥芯重復(fù)啟閉。密封座為聚合物類材質(zhì)，綜合力學(xué)性能較差，容易損壞。從主閥芯的工作性能來看，閥口錐角50°時(shí)存在較大面積的高速流動(dòng)，相應(yīng)流量較大，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

綜上所述，閥口錐角在40°左右流體的速率分布基本相似，閥口錐角主要對最高速度區(qū)域和壓力的分布產(chǎn)生影響，隨著閥口錐角增大，最高速度的分布區(qū)域增大、低壓區(qū)域增多，流體壓降增大，容易形成氣穴和噪聲等有害現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過對電液換向閥主閥進(jìn)油工況（P-A）進(jìn)行流場數(shù)值模擬，分析閥芯進(jìn)出口壓差產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)閥芯徑向受力不均勻容易偏心卡死，還對不同閥芯錐角對閥性能的影響進(jìn)行研究。