基于流固熱耦合的負載敏感多路閥仿真研究*

王廷棟,楊 敬

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部(山西省)重點實驗室,山西 太原 030024)

0 引 言

多路閥是工程機械的核心元件,通過對多個液壓執(zhí)行機構(gòu)的同時控制,實現(xiàn)對壓力和流量的雙重控制,在工程機械中被廣泛使用。

國內(nèi)外許多學者長期以來對多路閥進行了不懈的研究。由于液壓系統(tǒng)的封閉性,在工作時內(nèi)部流場是不可見的。相較于傳統(tǒng)的滑閥,對多路閥內(nèi)部流場進行研究無疑更加困難。因此,對多路閥相關(guān)技術(shù)問題的深入研究有重要的現(xiàn)實意義。

陳源流等人[1]研究了多路閥閥芯拓撲形態(tài)設計中的流量參數(shù)模型,為閥芯設計提供了參考。冀宏等人[2]提出了一種氣穴流動的平面觀測模型,并通過實驗對該模型進行了論證。尚翠霞等人[3-5]以閥芯為主要研究對象,對其進行了流固耦合仿真分析,得到了主閥芯的形變分布和應力場分布情況,并據(jù)此對原模型進行了優(yōu)化;與原結(jié)構(gòu)相比,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效減小了應力集中現(xiàn)象,提高了閥的安全性能,降低了其使用成本。曹永等人[6]將溫度載荷導入液壓閥表面,并對其結(jié)構(gòu)變形展開了有限元分析,得出了結(jié)論,即閥芯局部區(qū)域徑向變形較大,節(jié)流口部位形變量最大,變形最終破壞了原始的配合間隙,引起了卡滯現(xiàn)象。鄭長松等人[7]應用動量定理對滑閥穩(wěn)態(tài)液動力進行了推導,并采用簡單滑閥模型對穩(wěn)態(tài)液動力進行了仿真分析。曹飛梅等人[8]對入口節(jié)流式滑閥進行了研究,提出了改變閥芯直角結(jié)構(gòu)的方法,分析得出了結(jié)論,即圓弧型結(jié)構(gòu)和斜角圓弧型結(jié)構(gòu)均可使液流在射出節(jié)流槽口時穩(wěn)定過渡。

國外也有許多學者開展了關(guān)于液壓閥的流固耦合分析。REICH A J[9]運用流固耦合方法,研究了開啟狀態(tài)下真空溢流閥設計模型中,各部件受到的流體沖擊,并且優(yōu)化了閥門的設計。DENG J[10]針對流體的粘性生熱效應,研究了滑閥內(nèi)流道和閥芯的耦合特性。AMIRANTE R等人[11,12]對三位四通換向閥進行了研究,并設計試驗對其進行測試,得到了其流量、壓力和穩(wěn)態(tài)液動力特性曲線。BEUNE A等人[13]應用流固耦合方法,研究了高壓安全閥的開口特性。

近年來,學者們對多路閥做了很多有益的研究工作,但對于多路閥的流固熱耦合問題的研究還較少。而對于負載敏感多路閥的性能來說,溫度是不可忽略的影響因素。

筆者以多路閥閥芯為研究對象,采用流固熱耦合方法,對多路閥閥芯區(qū)域流場進行研究,分析流固熱共同作用下閥芯的變化情況,以期對多路閥的優(yōu)化設計提供理論指導。

1 計算方法

筆者采用流固熱耦合求解過程為:

(1)使用Fluent流體分析軟件,對多路閥流場進行仿真分析;(2)將結(jié)果通過耦合面導入固體溫度求解器Steady-State Thermal,進行固體溫度場求解;(3)將固體溫度場求解結(jié)果和流體壓力場求解結(jié)果傳遞給固體結(jié)構(gòu)分析求解器Static Structural,進行結(jié)構(gòu)分析。

流固熱耦合求解的具體流程如圖1所示。

圖1 流固熱耦合求解流程

2 多路閥工作原理及仿真模型

2.1 工作原理

負載敏感多路閥的壓力補償器在一次節(jié)流口之后,負載壓力最高聯(lián)的負載壓力,通過負載敏感腔通至各聯(lián)的壓力補償器和泵的負載敏感腔。所以,各聯(lián)一次節(jié)流口之后的壓力相等。

因為進油油路為并聯(lián),所以各聯(lián)一次節(jié)流之前的壓力也是相等的,即泵的出口壓力;且各聯(lián)一次節(jié)流口前后壓差相等,通過各聯(lián)的液壓油的流量只與各聯(lián)的開度相關(guān)。

2.2 仿真模型

多路閥的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 多路閥結(jié)構(gòu)簡圖

2.2.1 閥芯結(jié)構(gòu)

在主閥芯一次節(jié)流口處分別開有6對(12個)節(jié)流槽,二次節(jié)流口處開有4個延周向均布且大小相等的U形槽,壓力補償器為插裝式。

主閥芯及壓力補償器結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3主閥芯及壓力補償器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2.2 閥芯節(jié)流槽過流面積解析

圖3中,該多路閥閥芯為非全周開口,壓力補償器為插裝形式。

根據(jù)該多路閥三維模型及相關(guān)參數(shù),通過搭建AMESim模型,可計算出一次、二次節(jié)流口與壓力補償器的過流面積,如圖4所示。

由圖4(b)可知:閥芯一次節(jié)流口處的過流面積起初上升較為緩慢,使得多路閥在啟動和停止時具有較大的緩沖區(qū)段,減小沖擊與振動。

圖4 負載敏感多路閥AMESim模型及各節(jié)流槽過流面積

在工作區(qū)段內(nèi)主閥口的過流面積梯度較大,又能很好地滿足多路閥在不同工況下對流量的需求;而二次節(jié)流口處過流面積增長很快,該處的壓力損失較小[14-16]。

3 計算流體力學理論

3.1 CFD簡述

目前,計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)作為一種數(shù)值方法,正逐漸走向成熟,在流體機械中的應用也越來越廣泛。通過CFD技術(shù),可以得到流體機械內(nèi)任意位置的流動細節(jié),如速度、壓力、能量損失、壓力脈動、湍動量、漩渦等,從而在流體機械結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化方面發(fā)揮重要的作用。

計算機性能的提升和日益增加的工業(yè)需求使得CFD在湍流模型、網(wǎng)格技術(shù)、數(shù)值算法、可視化、并行計算等方面取得了飛速發(fā)展。計算流體力學將會給研究和工業(yè)領(lǐng)域帶來革命性的變化[17,18]。

3.2 基本控制方程

流體流動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大物理守恒定律。

質(zhì)量守恒方程為:

(1)

動量守恒方程為:

(2)

(3)

(4)

式中:ρ—仿真模型網(wǎng)格劃分后微元體上的壓力;τxx,τxy,τxz—黏性應力τ在x、y及z坐標軸上的方向分量;Fx,Fy,Fz—仿真模型網(wǎng)格劃分后微元體在x、y與z坐標軸上的方向分力。

能量守恒方程為:

(5)

式中:k—熱傳導系數(shù);ST—流體內(nèi)熱源及由于黏性作于流體的機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

該流場中的流體為湍流流動,故采用標準k-ε模型,湍動能k和耗散率ε方程為:

(6)

(7)

式中:Gk—由平均速度梯度引起的湍動能;Gb—由浮力引起的湍動能。

氣相P的體積比方程為:

(8)

液相的體積比αq計算如下:

αp+αq=1

(9)

體積比平均密度ρ為:

ρ=αpρp+(1-αp)ρq

(10)

忽略汽化產(chǎn)生的熱量,氣泡內(nèi)壓力恒定,氣泡半徑的變化近似為一個簡化的雷諾方程,即:

(11)

式中:pv—汽化壓力,對于液壓油來說,為空氣分離壓;ρq—液相密度。

總的氣體質(zhì)量為:

(12)

式中:n—單位體積的氣泡數(shù)。

氣體形成的速率為:

(13)

結(jié)合得到由于氣穴而產(chǎn)生的兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移,即:

(14)

式(14)中,氣泡半徑R為:

(15)

4 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

首先,筆者提取多路閥內(nèi)部流道的流體三維模型,采用ICEM非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和局部網(wǎng)格細化的方法,對其進行網(wǎng)格劃分。

其中,流體域網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 流體域網(wǎng)格劃分

閥芯網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 閥芯網(wǎng)格劃分

由于多路閥內(nèi)部通流截面突變較大,易形成湍流。筆者在仿真中采用k-ε湍流模型,并激活黏性生熱。

液壓油的材料參數(shù)如表1所示。

表1 液壓油參數(shù)

閥芯的材料參數(shù)如表2所示。

表2 閥芯材料參數(shù)

5 流固熱耦合仿真及分析

筆者針對4種不同工作狀態(tài)進行研究:

(1)主閥芯開度2 mm(小流量)情況下,壓力補償器兩端壓差接近最大;(2)主閥芯開度2 mm(小流量)情況下,壓力補償器最大開度,此時壓力補償器兩端壓差接近于零;(3)主閥芯開度10 mm(大流量)情況下,壓力補償器兩端壓差接近最大;(4)主閥芯開度10 mm(大流量)情況下,壓力補償器最大開度,此時壓力補償器兩端壓差接近于零。

各種工況下的進出口壓力仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各種工況下進出口壓力

由負載敏感多路閥工作原理可知,各工況下一次節(jié)流口前后壓差相等,即一次節(jié)流口處流場分布情況的區(qū)別只與開度有關(guān)。因此,筆者按一次節(jié)流口處及一次節(jié)流口后兩個部分分別進行仿真。

一次節(jié)流口處仿真結(jié)果如圖(7～15)所示。

圖7 工況1、2一次節(jié)流口處壓力分布云圖

圖8 工況1、2一次節(jié)流口處速度流線圖

圖9 工況1、2一次節(jié)流口處溫度分布云圖

(a)工況1、2閥芯溫度分布云圖

(b)工況1、2閥芯變形云圖圖10 工況1、2閥芯溫度分布云圖及變形云圖

圖11 工況3、4一次節(jié)流口處壓力分布云圖

圖12 工況3、4一次節(jié)流口處速度流線圖

圖13 工況3、4一次節(jié)流口處溫度分布云圖

圖14 工況3、4閥芯溫度分布云圖

圖15 工況3、4閥芯變形云圖

從圖(7～15)可知:

溫度升高的區(qū)域主要集中在節(jié)流槽附近區(qū)域,液壓油在黏性作用下流經(jīng)節(jié)流口時,由于面積減小導致流速增加,產(chǎn)生了大量渦旋并發(fā)生能量交換,產(chǎn)生的內(nèi)能以液壓油溫度升高的形式表現(xiàn)出來;流體在此處溫度升高總體并不明顯,溫度最高的區(qū)域始終位于U形槽附近;閥芯和液壓油的溫度分布基本保持一致,說明閥芯的溫度變化確實受液壓油的影響;U形節(jié)流槽銳邊處的溫升相對明顯,并沿著周圍遞減,流出節(jié)流槽方向的溫度要高于進油口方向的溫度;閥芯在液壓油壓力、熱載荷和熱應力作用下發(fā)生微小的膨脹變形,閥芯的最大變形區(qū)域始終位于U形槽附近,整體向四周徑向隆起。

工況1一次節(jié)流口后仿真結(jié)果如圖(16～20)所示。

圖16 工況1一次節(jié)流口后流場壓力分布云圖

圖17 工況1一次節(jié)流口后流場速度流線圖

圖18 工況1一次節(jié)流口后流場溫度分布云圖

圖19 工況1閥芯溫度分布云圖

圖20 工況1閥芯溫變形云圖

從圖(16～20)可知:

主閥芯開度為2 mm且壓力補償器兩端壓差接近最大時,壓力補償器的左右閥口壓降十分明顯;同時,在出口的拐角處,存在小壓力范圍區(qū)域,但并未出現(xiàn)負壓,油液溫升較為明顯,最高可達409 K。

該工況下,閥芯變形量較小且最大變形量在2.6 μm左右,最大變形區(qū)域位于U形槽半圓弧面處中間部分區(qū)域,并向四周徑向隆起。

工況2一次節(jié)流口后仿真結(jié)果如圖(21～25)所示。

圖21 工況2一次節(jié)流口后流場壓力分布云圖

圖22 工況2一次節(jié)流口后流場速度流線圖

圖23 工況2一次節(jié)流口后流場溫度分布云圖

圖24 工況2閥芯溫度分布云圖

圖25 工況2閥芯變形云圖

從圖(21～25)可知:

主閥芯開度為2 mm,且壓力補償器處于最大開度時,壓力補償器右閥口幾乎沒有壓力降;而左閥口由于有液壓油流通,存在微小的壓降且油液溫度幾乎沒有升高。

該工況下,閥芯變形量較小,最大變形量在2.3 μm左右,最大變形區(qū)域與壓力補償器兩端壓差接近最大時類似,即位于U形槽半圓弧面處中間部分區(qū)域,且向四周徑向隆起。

工況3一次節(jié)流口后仿真結(jié)果如圖(26～30)所示。

圖26 工況3一次節(jié)流口后流場壓力分布云圖

圖27 工況3一次節(jié)流口后流場速度流線圖

圖28 工況3一次節(jié)流口后流場溫度分布云圖

圖29 工況3閥芯溫度分布云圖

圖30 工況3閥芯變形云圖

從圖(26～30)可知:

主閥芯開度為10 mm且壓力補償器兩端壓差接近最大時,壓力補償閥的左右閥口存在較為明顯的壓力降;同時,在出口的拐角處,存在負壓范圍區(qū)域。因此,此處較易出現(xiàn)氣穴,并產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,如圖(31,32)所示。

圖31 工況3壓力補償閥口處壓力分布云圖

液壓油溫度升高非常明顯,最高可達595 K。該工況下閥芯變形量較大,最大變形量在6.8 μm左右,閥芯的最大變形區(qū)域位于U形槽半圓弧面根部向四周徑向隆起,且上側(cè)較下側(cè)更為明顯。此時,多路閥易發(fā)生卡滯現(xiàn)象,所以在工作中應盡量避免這種狀況;該工況下,閥芯的溫度較高且變形量相較于其他情況有明顯增大,說明熱應力是閥芯發(fā)生膨脹變形、破壞原始配合間隙的重要因素。

圖32 工況3壓力補償閥口處氣穴分布云圖

工況4一次節(jié)流口后仿真結(jié)果如圖(33～37)所示。

圖33 工況4一次節(jié)流口后流場壓力分布云圖

圖34 工況4一次節(jié)流口后流場速度流線圖

圖35 工況4一次節(jié)流口后流場溫度分布云圖

從圖(33～37)可知:主閥芯開度為10 mm且壓力補償器全開時,補償閥口的右閥口壓力降很小,左閥口的壓力降略高于右側(cè)閥口,油液溫升不明顯。

該工況下,閥芯變形量較小,最大變形量在3.6 μm左右,閥芯的最大變形區(qū)域位于U形槽半圓弧面處根部,且向四周徑向隆起。

圖36 工況4閥芯溫度分布云圖

圖37 工況4閥芯變形云圖

6 結(jié)束語

筆者采用AMESim及UG軟件,對負載敏感多路閥進行了建模,運用ICEM對流體域及固體域進行了網(wǎng)格劃分,并通過ANSYS Workbench平臺,對不同工況進行了流固熱耦合數(shù)值模擬仿真。

研究結(jié)果表明:

(1)液壓油節(jié)流升溫對閥芯的影響集中在與閥芯接觸的區(qū)域,遠離接觸區(qū)的閥芯部分受油液溫度的影響很小;

(2)油液溫度的升高對節(jié)流槽的影響較大,受溫度影響的閥芯卡滯產(chǎn)生在該區(qū)域。因此,在設計節(jié)流槽結(jié)構(gòu)時,不能忽略溫度對節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的影響,并需要適當放寬閥芯的尺寸公差;

(3)主閥芯開度較大(大流量),且壓力補償器兩端壓差接近最大(小開度)時,閥內(nèi)更易出現(xiàn)氣穴,并產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

該研究結(jié)論可為多路閥閥芯的結(jié)構(gòu)設計提供理論支撐。在之后的研究中,筆者將進一步就閥體和閥芯相互影響的流固熱耦合問題展開研究。