龍靖宇,楊 陽,黃 浩,金曉宏,姚 筆

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430081)

電液伺服閥作為連接電氣部分與液壓部分的橋梁,是電液伺服控制系統(tǒng)的核心部件。其中雙噴嘴擋板電液伺服閥具有體積小、功率放大率高、線性好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn),因此在冶金等行業(yè)的電液伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)雙噴嘴擋板電液伺服閥的特性進(jìn)行研究,對(duì)于電液伺服閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)具有復(fù)雜通道的雙噴嘴擋板電液伺服閥進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,運(yùn)用所得可視化圖形仿真結(jié)果對(duì)電液伺服閥進(jìn)行特性分析。

1 雙噴嘴擋板電液伺服閥工作原理

雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可看出,無控制電流時(shí),主閥中的銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置,擋板處于兩個(gè)噴嘴的中間位置,主閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位,此時(shí)主閥無液壓輸出。當(dāng)有差動(dòng)控制電流時(shí),在主閥銜鐵上產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電磁力矩,使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn),推動(dòng)主閥閥芯移動(dòng)。當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對(duì)閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閥的液動(dòng)力相平衡時(shí),閥芯停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載壓差一定時(shí),雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥的輸出流量與控制電流成比例[2]。

圖1 雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dual-nozzle-flapper electro-hydraulic servo valve

2 幾何模型及仿真參數(shù)

2.1 幾何模型

圖2 雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥芯剖面圖Fig.2 Profile of main spool of dual-nozzle-flapper electro-hydraulic servo valve

雙噴嘴擋板電液伺服閥主閥芯剖面圖如圖2所示。從圖2中可看出,閥芯有左右對(duì)稱的兩個(gè)閥腔,每個(gè)閥腔為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為減少計(jì)算工作量,取其單個(gè)閥腔的模型建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3],GAMB IT劃分的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 GAM BIT劃分的網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh generated by GAM BIT

2.2 Fluent求解器參數(shù)選擇

在Fluent軟件中輸入GaAMB IT的網(wǎng)格模型后,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)求解器作如下參數(shù)設(shè)定[4]:

define-models-solver,設(shè)定采用非耦合方式,3D軸對(duì)稱,非穩(wěn)態(tài);

define-models-viscous,選擇黏度模型為湍流;

define-models-energy,加入能量計(jì)算方程;define-materials,定義物質(zhì)屬性:選取普通液壓油作為流動(dòng)介質(zhì)[5];

define-boundary conditions,定義邊界條件。

3 Fluent仿真結(jié)果及分析

求解器參數(shù)設(shè)定完成后,對(duì)模型進(jìn)行迭代計(jì)算,直到殘差曲線收斂,殘差歷史曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,迭代70次后,殘差監(jiān)測變化曲線均趨于收斂。

通過Fluent軟件處理,可以得到液壓閥動(dòng)態(tài)流場的溫度、壓力和速度分布情況。圖5所示為閥芯位移-0.5mm時(shí)的瞬態(tài)溫度云圖;圖6所示為閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)壓力云圖;圖7所示為閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)速度矢量云圖。

圖5 閥芯位移-0.5 mm時(shí)的瞬態(tài)溫度云圖Fig.5 Transient temperature nephogram with-0.5 mm spool displacement

圖6 閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)壓力云圖Fig.6 Transient pressure nephogram with-0.5 mm spool displacement

圖7 閥芯位移-0.5 mm時(shí)閥口的瞬態(tài)速度矢量云圖Fig.7 Transient velocity nephogram with-0.5 mm spool displacement

當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)在不同位置時(shí),從雙噴嘴擋板電液伺服閥仿真的瞬態(tài)壓力云圖和速度云圖中可以看出,由于閥芯移動(dòng),流體流入閥腔時(shí),過流截面面積逐漸減小,導(dǎo)致流速逐漸增大,壓力逐漸減小,能量耗散增大;同理,流體流出閥體時(shí),過流斷面面積增大,流速減小,壓力增大,能量耗散減小。從速度云圖中還可以看出,過流斷面面積突變處,出現(xiàn)主流與壁面脫離的現(xiàn)象,并且在閥座拐角處形成漩渦區(qū)。能量耗散的大小與漩渦區(qū)和過流斷面面積的大小有關(guān)。閥開口度越小,漩渦區(qū)域越大,能量耗散越大;旋渦越小越多,能量損失越大,流體噪聲也越大;閥座拐角處,是容易產(chǎn)生能量損失和流體噪聲的地方。閥口處的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理,可得到流量公式:

式中:Q為流量;Cd為流量系數(shù),滑閥的推薦值Cd為0.68;AV為閥口過流面積;ΔP為閥口壓差;ρ為液體密度,視液體為不可壓縮牛頓流體,即ρ為常數(shù)。

對(duì)于理想滑閥,若忽略閥口開度變化對(duì)流量系數(shù)的影響,且閥口過流截面兩端的壓差恒定時(shí),流量僅與閥口開度有關(guān),即流量特性曲線應(yīng)該為一條直線,但對(duì)滑閥流量特性的測量結(jié)果顯示,特性曲線在開口量較小時(shí)存在明顯彎曲[6]。實(shí)際流量特性曲線與理論流量特性曲線如圖8所示。

圖8 實(shí)際流量特性曲線與理論流量特性曲線Fig.9 Actual and theoretical flow characteristic curve

對(duì)模擬仿真流量值用理論公式驗(yàn)證[7],盡管理論計(jì)算過程與仿真過程存在一定誤差,但誤差率不足5%,表明仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

4 結(jié)語

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)雙噴嘴擋板電液伺服閥內(nèi)部流場進(jìn)行模擬仿真,可清楚地觀察到閥腔內(nèi)的流場、溫度場和壓力場的變化,運(yùn)用仿真結(jié)果可便捷地對(duì)伺服閥的各種特性進(jìn)行理論分析,所得結(jié)果對(duì)于伺服閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)十分有利。

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