節(jié)流口結(jié)構(gòu)對超高壓插裝閥液流特性的影響

張 晉，黃橙橙，程逾豪，姚 靜，2，孔祥東，2

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實驗室，河北 秦皇島 066004)

引言

插裝閥是在20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的覆蓋壓力、流量、方向以及比例控制等的新型控制閥類，其主流產(chǎn)品是二通插裝閥[1]。二通插裝閥與傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)緊湊，通流量大，流動阻力小，密封性好，對油液污染敏感度低，故其工作可靠，壽命長，且在控制特性上響應(yīng)快速，容易實現(xiàn)多機(jī)能控制。由于其集成化程度較高，易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。這些優(yōu)點很大程度上適應(yīng)了現(xiàn)代液壓技術(shù)發(fā)展的需要。

隨著伺服和比例技術(shù)的發(fā)展，插裝閥也由原來靠電磁開關(guān)閥控制其閥口進(jìn)行簡單開關(guān)邏輯動作，逐漸發(fā)展成主閥芯、先導(dǎo)閥芯都帶有位移傳感器(LVDT)，利用雙閉環(huán)控制實現(xiàn)高精度控制的比例插裝閥和伺服插裝閥，能夠?qū)Σ逖b閥節(jié)流口大小進(jìn)行精確位置控制，具有重復(fù)精度高、線性度好、滯環(huán)低、高頻響等一系列優(yōu)點，在液壓系統(tǒng)中可實現(xiàn)精確的流量控制、 壓力控制和位置控制。電液比例插裝閥作為大中型液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵控制元件之一，其性能直接決定了液壓系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)特性。

液壓閥作為控制元件，驅(qū)使閥芯相對閥體產(chǎn)生位移，改變閥口過流斷面面積，來控制液流的流動。閥口過流斷面面積直接影響閥過流特性的計算。閥口過流特性體現(xiàn)閥的通流性能，結(jié)構(gòu)繁多的不同類型閥口和一些組合節(jié)流槽的過流特性一直是研究熱點，尤其是在進(jìn)行流量控制時，過流特性直接決定執(zhí)行元件在起動、工作及停止等不同工況對流量控制的性能。國內(nèi)外對不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)下的液流特性做了很多研究。AN H等[2]針對不同閥芯結(jié)構(gòu)下的流場進(jìn)行了仿真分析，得到了壓力、速度及湍動能云圖。CHATTOPADHYAY H等[3]應(yīng)用兩種湍流模型對一種閥芯結(jié)構(gòu)下的流場進(jìn)行了仿真分析。YANG R[4]仿真分析了滑閥和錐閥的液流特性，并進(jìn)行了試驗對比分析。李亞星[5]仿真分析了插裝閥不同閥芯節(jié)流口形狀和不同閥套通孔形狀下液流特性。程源[6]通過仿真分析，得到了比例插裝閥閥口壓力和速度分布。韋翠華等[7]對插裝閥液流特性進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真，并進(jìn)行了試驗驗證。蘇乃權(quán)等[8]對插裝閥內(nèi)部流場進(jìn)行了仿真，得到了其壓力和速度云圖。鄭淑娟[9]通過理論計算、仿真分析及試驗研究，對插裝閥的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的實用價值。韓明興等[10]對一種雙U形閥口插裝閥進(jìn)行了仿真分析，得到了不同閥口結(jié)構(gòu)下的液動力；另外，插裝閥的性能與切換壓力密切相關(guān)[11-14]。 MIKKO H等[15]通過基于數(shù)字液壓方法的實驗和模擬來減少能量損失。LIU Hanwu等[16]基于仿真發(fā)現(xiàn)二通插裝閥結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，流通面積不穩(wěn)定，阻礙流通的環(huán)節(jié)。JIA Chunqiang等[17]為了解決插裝閥塊設(shè)計中外部布局與內(nèi)部連接集成方案的組合優(yōu)化問題，通過分析插裝閥塊的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計規(guī)則，提出了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。SUN Kang等[18]使用ANSYS/LS-DYNA模擬在減壓過程中插裝閥的穩(wěn)定性與閥芯和閥接觸時間之間的關(guān)系。 DUAN Yu等[19]使用二維非定常雷諾平均Navier-Stokes(URANS)方程和k-ω-SST湍流模型來報告高壓閥中圍繞主軸的流體流量和相關(guān)流量。

所研究的電液比例插裝閥壓力等級達(dá)到70 MPa，應(yīng)用Fluent軟件對超高壓工況下插裝閥主閥級流場進(jìn)行了仿真分析，得到了不同閥芯節(jié)流口結(jié)構(gòu)下的液流特性。

1 超高壓插裝閥結(jié)構(gòu)原理

所研究DN25超高壓插裝閥結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示，主要由先導(dǎo)閥及控制器、先導(dǎo)級和主閥級3部分組成。其主閥級結(jié)構(gòu)見圖2，由閥芯和閥套2部分組成，閥芯尾部設(shè)有節(jié)流口，當(dāng)A為進(jìn)油口時，B為出口；當(dāng)B為進(jìn)油口時，A為出口。

1.先導(dǎo)閥及控制器 2.先導(dǎo)級 3.主閥級圖1 雙排式軸向柱塞泵原理圖

圖2 DN25超高壓插裝閥主閥結(jié)構(gòu)圖

閥芯不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)見圖3所示，分別為矩形節(jié)流口、U形節(jié)流口和圓形節(jié)流口。節(jié)流口處流場模型見圖4。

圖3 不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)

圖4 節(jié)流口處流場模型

2 控制方程

物理模型是針對所研究的具體問題做出一定的簡化假設(shè)而得到的。根據(jù)確定的物理模型寫出該過程的控制方程以及相應(yīng)的定解條件(初始條件及邊界條件)，即得到數(shù)學(xué)控制方程。

流體的流動受物理守恒定律的支配，流體力學(xué)的基本方程包括：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等。在本算例中該模型屬于單相流動，在閥口處出現(xiàn)湍流流場，因此計算模型采用非穩(wěn)態(tài)的時均連續(xù)性方程和Reynolds時均Navier-Stokes方程，并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計算湍流對流場的影響。

2.1 質(zhì)量守恒方程

數(shù)學(xué)方程可表達(dá)為：

(1)

引入笛卡爾坐標(biāo)系下向量算子▽的定義：

(2)

將式(2)帶入式(1)中可以寫成：

(3)

式中，ρ—— 密度

t—— 時間

V—— 速度矢量

u,v,w—— 分別是速度在x,y,z3個坐標(biāo)軸方向上的分量

2.2 動量守恒方程

動量方程微分表達(dá)式表述如下：

(4)

式中,ρ—— 流體密度

ui—— 平均速度,i=1,2,3

uj—— 平均速度，j=1,2,3

p—— 瞬時壓力

μ—— 動力黏度

Si—— 源項，代表那些不能包括到方程中的非穩(wěn)態(tài)項

2.3 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

針對湍流形式的不同，需要選取一種湍流計算模型才能夠組成完整的流場控制方程。

湍流模型中最具有代表的模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其可以用來計算高雷諾數(shù)并且比較復(fù)雜的紊流，因此選取k-ε模型進(jìn)行計算。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍動能及其耗散率方程。湍動能輸運(yùn)方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到的，但耗散率方程是通過物理推理、數(shù)學(xué)模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)流動為完全湍流，適合完全湍流的流動過程模擬。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

(6)

湍動能k:

湍流耗散率ε：

湍流黏度ut：

其中,Cμ為常數(shù);經(jīng)驗常數(shù)：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

3 仿真計算參數(shù)條件

不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)形式下分別選取閥開口度為2，2.5，3，3.5, 4, 5, 6, 7, 8 mm并且建立仿真模型。

選用46#抗磨液壓油作為流動介質(zhì)進(jìn)行計算，其密度為890 kg/m3,動力黏度為 0.046 Pa·s。

進(jìn)出口邊界條件分別設(shè)為壓力進(jìn)口和壓力出口，流體與壁面接觸的邊界設(shè)為靜止壁面。3種節(jié)流口結(jié)構(gòu)下進(jìn)出口兩端壓差都取1 MPa,入口壓力設(shè)為70 MPa,對應(yīng)的出口壓力為69 MPa。

4 流場仿真結(jié)果分析

4.1 主閥流量特性分析

當(dāng)A口和B口分別為進(jìn)油口時，3種節(jié)流口結(jié)構(gòu)不同開口度X下的流量曲線如圖5所示。

圖5 DN25超高壓插裝閥的閥口流量曲線

對比圖5中的流量曲線可以看出同等開口度條件下，圓形節(jié)流口的閥口處流量最大，U形節(jié)流口的閥口處流量最?。痪匦?、圓形節(jié)流口結(jié)構(gòu)的閥口流量曲線分2個階段，第1階段處開口度小于節(jié)流口長度，曲線斜率較??；第2階段處開口度大于節(jié)流口長度，曲線斜率較大。U形節(jié)流口流量曲線分3個階段，開口度小于節(jié)流口第一段弧度半徑時斜率較小，隨著開口度繼續(xù)增大，流量呈現(xiàn)2種斜率線性增長。

分別以A和B為進(jìn)油口時，流量在相同閥口開度下的差別不大，說明改變進(jìn)油口，對流量大小影響不大。

4.2 主閥芯所受液壓力分析

當(dāng)A口和B口分別為進(jìn)油口時3種節(jié)流口結(jié)構(gòu)不同開口度下的液壓力曲線圖如圖6所示。

圖6 DN25超高壓插裝閥的閥芯所受液壓力

由圖6可見，矩形節(jié)流口結(jié)構(gòu)下閥芯所受液壓力遠(yuǎn)小于圓形和U形結(jié)構(gòu)下液壓力。圓形和U形結(jié)構(gòu)節(jié)流口的主閥芯所受的液壓力最大值為3200 N，矩形結(jié)構(gòu)節(jié)流口的主閥芯所受的液壓力最大值不足2700 N，并且液壓力方向都是指向閥口打開的方向。

4.3 流場流線圖分析

從圖7和圖8中的Ⅰ和Ⅱ可知，當(dāng)A是進(jìn)油口時，將會從B口產(chǎn)生回流。

圖7 當(dāng)A口為進(jìn)油口且開口為4 mm時，矩形、U形和圓形的速度流線圖

圖8 當(dāng)A口為進(jìn)油口且開口為8 mm時，矩形、U形和圓形的速度流線圖

從圖9和圖10中的Ⅲ和Ⅳ可知，當(dāng)B是進(jìn)油口時，在此處會產(chǎn)生渦流。 從圖10可以看出，當(dāng)開口為8 mm 時，在Ⅴ處也會產(chǎn)生渦流。

圖9 當(dāng)B口為進(jìn)油口且開口為4 mm時，矩形、U形和圓形的速度流線圖

從圖7～圖10可以看出，油液最大流速出現(xiàn)在閥口處，這是由于油液在流經(jīng)閥口時過流面積減小造成的；油液呈射流狀態(tài)流經(jīng)閥口，閥口速度梯度變化較大；在出油腔中心兩側(cè)處形成了旋渦。隨著閥口開度的增大，油液最大射流速度區(qū)域面積逐漸增大，油液射流角逐漸增大，最大速度區(qū)域也逐漸向出口方向偏移。對比不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)的閥口流線圖，相同閥口開度下，流線分布、射流角基本相同。

圖10 當(dāng)B口為進(jìn)油口且開口為8 mm時，矩形、U形和圓形的速度流線圖

從圖11、圖12可知，當(dāng)B是進(jìn)油口且開口為4 mm 時，在開口處會形成局部低壓。 從Ⅵ和Ⅶ可以看出，當(dāng)開口形狀為矩形和圓形時，內(nèi)部會形成局部高壓。

圖11 當(dāng)A口為進(jìn)油口且開口為4 mm時，矩形、U形和圓形的壓力云圖

圖12 當(dāng)B口為進(jìn)油口且開口為4 mm時，矩形、U形和圓形的壓力云圖

從圖13、圖14可知，當(dāng)B是進(jìn)油口且開口為8 mm 時，在開口處形成的低壓區(qū)域?qū)⒈? mm形成的低壓區(qū)域大。 從Ⅷ和Ⅸ可以看出，當(dāng)開口形狀為矩形和圓形時，內(nèi)部還會形成局部高壓。

圖13 當(dāng)A口為進(jìn)油口且開口為8 mm時，矩形、U形和圓形的壓力云圖

從圖11～圖14可以看出，閥進(jìn)油腔及出油腔壓力變化梯度較??；在閥口處壓力變化梯度較大；在閥口處靠近出口處出現(xiàn)了低壓區(qū)，其原因是由于閥口處過流面積較小，油液在此處流速相對較高，導(dǎo)致閥口處局部區(qū)域壓力急劇下降，從而產(chǎn)生了局部低壓區(qū)。

圖14 當(dāng)B口為進(jìn)油口且開口為8 mm時，矩形、U形和圓形的壓力云圖

對比不同閥口開度下的壓力云圖可以看出，隨著閥口開度的增大，節(jié)流區(qū)域面積逐漸增大，對比速度云圖及流線圖可以看出，閥腔內(nèi)部速度變化與壓力變化相對應(yīng)，直觀的說明了壓差是造成流體速度變化的重要因素，因此根據(jù)之前的分析最終選擇矩形槽口。

5 試驗驗證

試驗部分選擇矩形槽口進(jìn)行試驗，并在比例插裝閥全自動靜態(tài)測試臺上完成，試驗臺見圖15,測試件連接如圖16所示。測試得到主閥A口至B口，開口度分別為2.465，3.080，3.695，4.925，8.000 mm處采集閥口流量，得到1 MPa壓降下矩形節(jié)流口開口度-流量曲線見圖17。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相似，因此驗證了仿真的正確性。

1.靜態(tài)試驗臺參數(shù)顯示界面 2.被試閥3.被試閥安裝轉(zhuǎn)接閥塊圖15 比例插裝閥靜態(tài)測試臺

1.連接線 2.被測閥主閥芯位移傳感器3.被測閥(DN 25超高壓大流量電液比例伺服二通插裝閥)4.被測閥B口壓力傳感器 5.被測閥A口壓力傳感器6.先導(dǎo)A腔壓力傳感器 7.先導(dǎo)B腔壓力傳感8.先導(dǎo)閥(力士樂4WRPH 6 C3 B24L-2X/G24Z4/M)9.電控箱(內(nèi)設(shè)RMC150型DELTA控制器和24 V穩(wěn)壓電源等電氣模塊)圖16 工業(yè)伺服閥功能特性試驗臺測試DN 25型插裝閥現(xiàn)場

圖17 開口度-流量曲線圖

6 結(jié)論

(1) 同等開口度條件下，圓形節(jié)流口的閥口處流量最大，U形節(jié)流口的閥口處流量最??；矩形、圓形節(jié)流口結(jié)構(gòu)的閥口流量曲線分兩個階段，U形節(jié)流口流量曲線分三個階段；改變進(jìn)油口，對流量曲線影響不大；

(2) 圓形和U形結(jié)構(gòu)節(jié)流口的主閥芯所受的液壓力較大，矩形結(jié)構(gòu)節(jié)流口的主閥芯所受的液壓力最小，并且液壓力方向都是指向閥口打開的方向；

(3) 不同節(jié)流口結(jié)構(gòu)下，相同閥口開度時，流線分布、射流角基本相同。