基于FLUENT的滑閥液動力補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>
2014-02-10 10:37:15張杰，安驥
機(jī)電工程技術(shù) 2014年1期
張 杰，安 驥
（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）
基于FLUENT的滑閥液動力補(bǔ)償?shù)难芯?/p>
張 杰，安 驥
（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）
液動力是滑閥和閥腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵因素之一。提出了一種在閥套上開圓弧型進(jìn)出口流道的方法，對進(jìn)出口處的油液進(jìn)行導(dǎo)流，以達(dá)到減小液動力的目的。同時利用FLUENT軟件分析該閥內(nèi)流場，并與傳統(tǒng)的直流道滑閥相比較，然后對改進(jìn)后滑閥的液動力特性和閥口流量特性分析計(jì)算。該研究對滑閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
液動力；滑閥；圓弧型流道；FLUENT
0 引言
滑閥是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的液壓放大元件，油液流經(jīng)滑閥時，油液速度的大小和方向發(fā)生改變，其動量的變化必然會對閥芯產(chǎn)生液動力。而液動力不僅會影響滑閥的操縱性[1]，還會造成信號干擾引起閥芯動作紊亂，從而影響滑閥的穩(wěn)定性和可靠性，故對閥芯液動力的分析計(jì)算和有效補(bǔ)償至關(guān)重要。
國內(nèi)外很多學(xué)者對滑閥的液動力有過一定的研究，Minter Cheng等[2]對分流閥所受液動力情況進(jìn)行了仿真研究，研究表明液動力是影響分流精度的主要因素。張弓等[3]通過CFD軟件對電液比例閥三種腔室結(jié)構(gòu)的流場對比分析，得出能夠通過優(yōu)化其閥芯和閥套的結(jié)構(gòu)減小作用在閥芯上的液動力。冀宏等[4]利用CFD軟件對兩種典型節(jié)流槽式的滑閥進(jìn)行流場仿真分析研究，得到閥的流量和液動力特性曲線，并與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合良好。鑒于以上研究成果，結(jié)合文獻(xiàn)[5]本文提出了在閥套上開圓弧型流道的方法，并利用FLUENT流場分析軟件直接計(jì)算閥芯兩壁面所受的壓力，而液動力的本質(zhì)是流體運(yùn)動所造成的閥芯壁面壓力分布發(fā)生變化而產(chǎn)生的，兩壁面壓差的大小直接反映了液動力的大小，以此來比較滑閥改進(jìn)前后的情況。
1 模型及計(jì)算條件
1.1 結(jié)構(gòu)模型
研究的滑閥結(jié)構(gòu)如簡圖1、圖2所示。
圖1、2中箭頭的所示方向表示進(jìn)油口、出油口。由于滑閥結(jié)構(gòu)的軸向?qū)ΨQ性，本文只研究一半滑閥向右運(yùn)動的情況。
1.2 幾何模型
Gambit是FLUENT的前處理軟件，利用該軟件建立滑閥的幾何模型。假設(shè)油液在滑閥閥腔內(nèi)的流動為軸對稱流動，可以把實(shí)際的流動情況簡化成二維的流動。先研究閥芯向右運(yùn)動的位移為0.5 mm的情況，閥芯的直徑為10 mm，其他尺寸如圖3、圖4所示（以圖中O為原點(diǎn)）。
圖1 一般的垂直流道滑閥
圖2 改進(jìn)后的圓弧型流道滑閥
圖3 垂直型滑閥幾何模型圖
圖4 圓弧型滑閥幾何模型圖
1.3 計(jì)算條件
流體在閥內(nèi)的流動情況是十分復(fù)雜的，為了更好的進(jìn)行仿真計(jì)算，本文對流場作一定的假設(shè)：
（1）流體為牛頓流體，且不可壓縮；
（2）流場仿真的主要參數(shù)：進(jìn)口壓力20 MPa，出口壓力0.1 MPa，油液的密度890 kg/m3，動力粘度0.03 kg/（m·s）；
（3）近壁面流體流動過程中受到壁面約束，故選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε黏性模型進(jìn)行湍流仿真。
2 流場仿真和結(jié)果分析
2.1 滑閥內(nèi)流場流線分布
在同樣的條件下，對一般滑閥和圓弧型流道滑閥的內(nèi)部流動狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。
圖5 垂直型滑閥內(nèi)流場流線圖
圖6 圓弧型滑閥內(nèi)流場流線圖
從圖5可以看出，油液在閥內(nèi)的流動是十分復(fù)雜的，油液由左側(cè)進(jìn)油口進(jìn)入閥腔后，由于閥腔流道方向的突然轉(zhuǎn)變，靠近上壁面的油液不能拐彎流動，導(dǎo)致閥腔上部的油液被主流油液帶動而形成渦流，碰到閥芯壁面形成渦流。從圖6，由于圓弧型流道的導(dǎo)流作用，明顯減少了油液突然轉(zhuǎn)向而形成的渦流區(qū)域，從而減少節(jié)流損失，降低由漩渦引起的閥的振動和流量脈動噪聲[6]等。
2.2 閥芯壁面壓力分布
圖7為閥芯各壁面（見圖3、4）的壓力分布圖?？梢钥闯?，壁面1、3的壓力基本保持不變，與進(jìn)口處的壓力相等；而當(dāng)逐漸接近節(jié)流口時，壁面2、4上的壓力隨之迅速下降，從而導(dǎo)致兩閥芯壁面上（1和2、3和4）壓力差的存在，而壓力的方向與閥芯運(yùn)動方向相反，即趨于閥口關(guān)閉的方向，這就是液動力形成的原因[7-8]。
圖7 閥芯各壁面壓力分布圖
另外，壁面4的壓力曲線始終處于壁面2壓力曲線之上，即一般滑閥產(chǎn)生的壓力差始終大于改進(jìn)后滑閥兩壁面之間的壓力差，因此一般滑閥所受的液動力大于改進(jìn)后滑閥所受的液動力，可見圓弧型流道對液動力的補(bǔ)償效果明顯。
2.3 液動力隨壓差的變化
在閥口開度恒定的條件下，改變圓弧型滑閥進(jìn)、出油口之間的壓差，研究改進(jìn)后滑閥的液動力特性。用FLUENT軟件分別仿真計(jì)算出壓差為2 MPa、6 MPa、10 MPa、14 MPa、18 MPa時的液動力，繪制出液動力隨壓差變化的曲線如圖8所示。
從圖8中可以看出，在閥口開度恒定的情況下，隨著壓差的增加，液動力基本上呈線性比例增加，可見改進(jìn)后的滑閥具有良好的液動力特性，從而可以提高閥的控制性能。
2.4 閥口質(zhì)量流量隨閥口開度的變化
在壓差恒定的情況下，改變閥口開度，用FLUENT軟件分別計(jì)算出閥口開度為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm的質(zhì)量流量，繪制出質(zhì)量流量隨閥口開度變化的曲線如圖9所示。
圖8 液動力隨壓差變化曲線圖
圖9 質(zhì)量流量隨閥口開度變化曲線圖
由圖9可以看出，隨著閥口開度的增加，閥口的質(zhì)量流量也隨著增加。在閥口開度較小時，閥的流量系數(shù)（曲線的斜率）稍偏低，這是因?yàn)殚y口較小，油液受壁面粘性摩擦力的影響相對較大，流動發(fā)展不完全[8]?？傮w上看，兩者基本上呈線性比例關(guān)系，因此改進(jìn)后滑閥具有良好的閥口流量特性。
3 結(jié)論
本文通過FLUENT軟件對兩種閥內(nèi)流場的分析，得出圓弧型流道不僅能減小作用在閥芯上的液動力，還能減少閥內(nèi)流場的漩渦現(xiàn)象，進(jìn)而減少節(jié)流損失，降低振動和噪音等，同時還有較好的液動力特性和閥口流量特性。但是，對于圓弧型流道的加工，與直流道相比有一定的難度，隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，流道的加工問題也會迎刃而解。
參考文獻(xiàn)：
［1］方文敏，成琳琳，傅新，等.帶U形節(jié)流槽的滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，44（3）：574-580.
［2］Minter Cheng.Modeling and Analysis of a Flow Divider Valve［A］.ASME Conference Proceedings［C］. 2009：91-98.
［3］張弓，黃靜，邱容.基于CFD的電液比例閥液動力分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（6）：93-96.
［4］冀宏，傅新，楊華勇.非全周開口滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（6）：13-17.
［5］吳金波，陳飛，徐禮林.斜進(jìn)口流道滑閥穩(wěn)態(tài)液動力的仿真與分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（11）：109-111.
［6］賈衛(wèi)軍，孫玉清，崔會峰，等.VP502型汽車轉(zhuǎn)向泵噪聲研究［J］.機(jī)電設(shè)備，2005（1）：44-46.
［7］段少帥，姚平喜，張恒.滑閥穩(wěn)態(tài)液動力產(chǎn)生原因與補(bǔ)償方法［J］.流體傳動與控制，2010（03）：27-30.
［8］呂庭英，黃效國，何康寧.基于Fluent的液壓伺服閥液動力研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（13）：131-132.
Study for the Flow Force Compensation of Spool Valve Based on FLUENT
ZHANG Jie，AN Ji
（Merchant Marine Academy，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）
Flow force is one of the keys factors in the structural design of spool valve.In order to achieve the purpose to reduce the flow force，this paper presents a method on arc-shaped opening in the valve sleeve to deflector the oil of the opening.while using FLUENT software to analyze the flow field inside the valve，and compared with the conventional spool.Then analysis the characteristics of fluid dynamic and the valve orifice flow of the improved spool valve.The study has a certain reference value on the structural optimization of spool valve.
flow force；spool valve；arc-shaped passage；FLUENT
TH137
A
1009－9492(2014)01－0041－04
10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.010
張 杰，男，1988年生，河南周口人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：液壓及流體傳動控制。
(編輯：向 飛)
2013－07－03
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張 杰，安 驥
（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）
基于FLUENT的滑閥液動力補(bǔ)償?shù)难芯?/p>
張 杰，安 驥
（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）
液動力是滑閥和閥腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵因素之一。提出了一種在閥套上開圓弧型進(jìn)出口流道的方法，對進(jìn)出口處的油液進(jìn)行導(dǎo)流，以達(dá)到減小液動力的目的。同時利用FLUENT軟件分析該閥內(nèi)流場，并與傳統(tǒng)的直流道滑閥相比較，然后對改進(jìn)后滑閥的液動力特性和閥口流量特性分析計(jì)算。該研究對滑閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
液動力；滑閥；圓弧型流道；FLUENT
0 引言
滑閥是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的液壓放大元件，油液流經(jīng)滑閥時，油液速度的大小和方向發(fā)生改變，其動量的變化必然會對閥芯產(chǎn)生液動力。而液動力不僅會影響滑閥的操縱性[1]，還會造成信號干擾引起閥芯動作紊亂，從而影響滑閥的穩(wěn)定性和可靠性，故對閥芯液動力的分析計(jì)算和有效補(bǔ)償至關(guān)重要。
國內(nèi)外很多學(xué)者對滑閥的液動力有過一定的研究，Minter Cheng等[2]對分流閥所受液動力情況進(jìn)行了仿真研究，研究表明液動力是影響分流精度的主要因素。張弓等[3]通過CFD軟件對電液比例閥三種腔室結(jié)構(gòu)的流場對比分析，得出能夠通過優(yōu)化其閥芯和閥套的結(jié)構(gòu)減小作用在閥芯上的液動力。冀宏等[4]利用CFD軟件對兩種典型節(jié)流槽式的滑閥進(jìn)行流場仿真分析研究，得到閥的流量和液動力特性曲線，并與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合良好。鑒于以上研究成果，結(jié)合文獻(xiàn)[5]本文提出了在閥套上開圓弧型流道的方法，并利用FLUENT流場分析軟件直接計(jì)算閥芯兩壁面所受的壓力，而液動力的本質(zhì)是流體運(yùn)動所造成的閥芯壁面壓力分布發(fā)生變化而產(chǎn)生的，兩壁面壓差的大小直接反映了液動力的大小，以此來比較滑閥改進(jìn)前后的情況。
1 模型及計(jì)算條件
1.1 結(jié)構(gòu)模型
研究的滑閥結(jié)構(gòu)如簡圖1、圖2所示。
圖1、2中箭頭的所示方向表示進(jìn)油口、出油口。由于滑閥結(jié)構(gòu)的軸向?qū)ΨQ性，本文只研究一半滑閥向右運(yùn)動的情況。
1.2 幾何模型
Gambit是FLUENT的前處理軟件，利用該軟件建立滑閥的幾何模型。假設(shè)油液在滑閥閥腔內(nèi)的流動為軸對稱流動，可以把實(shí)際的流動情況簡化成二維的流動。先研究閥芯向右運(yùn)動的位移為0.5 mm的情況，閥芯的直徑為10 mm，其他尺寸如圖3、圖4所示（以圖中O為原點(diǎn)）。
圖1 一般的垂直流道滑閥
圖2 改進(jìn)后的圓弧型流道滑閥
圖3 垂直型滑閥幾何模型圖
圖4 圓弧型滑閥幾何模型圖
1.3 計(jì)算條件
流體在閥內(nèi)的流動情況是十分復(fù)雜的，為了更好的進(jìn)行仿真計(jì)算，本文對流場作一定的假設(shè)：
（1）流體為牛頓流體，且不可壓縮；
（2）流場仿真的主要參數(shù)：進(jìn)口壓力20 MPa，出口壓力0.1 MPa，油液的密度890 kg/m3，動力粘度0.03 kg/（m·s）；
（3）近壁面流體流動過程中受到壁面約束，故選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε黏性模型進(jìn)行湍流仿真。
2 流場仿真和結(jié)果分析
2.1 滑閥內(nèi)流場流線分布
在同樣的條件下，對一般滑閥和圓弧型流道滑閥的內(nèi)部流動狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。
圖5 垂直型滑閥內(nèi)流場流線圖
圖6 圓弧型滑閥內(nèi)流場流線圖
從圖5可以看出，油液在閥內(nèi)的流動是十分復(fù)雜的，油液由左側(cè)進(jìn)油口進(jìn)入閥腔后，由于閥腔流道方向的突然轉(zhuǎn)變，靠近上壁面的油液不能拐彎流動，導(dǎo)致閥腔上部的油液被主流油液帶動而形成渦流，碰到閥芯壁面形成渦流。從圖6，由于圓弧型流道的導(dǎo)流作用，明顯減少了油液突然轉(zhuǎn)向而形成的渦流區(qū)域，從而減少節(jié)流損失，降低由漩渦引起的閥的振動和流量脈動噪聲[6]等。
2.2 閥芯壁面壓力分布
圖7為閥芯各壁面（見圖3、4）的壓力分布圖?？梢钥闯?，壁面1、3的壓力基本保持不變，與進(jìn)口處的壓力相等；而當(dāng)逐漸接近節(jié)流口時，壁面2、4上的壓力隨之迅速下降，從而導(dǎo)致兩閥芯壁面上（1和2、3和4）壓力差的存在，而壓力的方向與閥芯運(yùn)動方向相反，即趨于閥口關(guān)閉的方向，這就是液動力形成的原因[7-8]。
圖7 閥芯各壁面壓力分布圖
另外，壁面4的壓力曲線始終處于壁面2壓力曲線之上，即一般滑閥產(chǎn)生的壓力差始終大于改進(jìn)后滑閥兩壁面之間的壓力差，因此一般滑閥所受的液動力大于改進(jìn)后滑閥所受的液動力，可見圓弧型流道對液動力的補(bǔ)償效果明顯。
2.3 液動力隨壓差的變化
在閥口開度恒定的條件下，改變圓弧型滑閥進(jìn)、出油口之間的壓差，研究改進(jìn)后滑閥的液動力特性。用FLUENT軟件分別仿真計(jì)算出壓差為2 MPa、6 MPa、10 MPa、14 MPa、18 MPa時的液動力，繪制出液動力隨壓差變化的曲線如圖8所示。
從圖8中可以看出，在閥口開度恒定的情況下，隨著壓差的增加，液動力基本上呈線性比例增加，可見改進(jìn)后的滑閥具有良好的液動力特性，從而可以提高閥的控制性能。
2.4 閥口質(zhì)量流量隨閥口開度的變化
在壓差恒定的情況下，改變閥口開度，用FLUENT軟件分別計(jì)算出閥口開度為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm的質(zhì)量流量，繪制出質(zhì)量流量隨閥口開度變化的曲線如圖9所示。
圖8 液動力隨壓差變化曲線圖
圖9 質(zhì)量流量隨閥口開度變化曲線圖
由圖9可以看出，隨著閥口開度的增加，閥口的質(zhì)量流量也隨著增加。在閥口開度較小時，閥的流量系數(shù)（曲線的斜率）稍偏低，這是因?yàn)殚y口較小，油液受壁面粘性摩擦力的影響相對較大，流動發(fā)展不完全[8]?？傮w上看，兩者基本上呈線性比例關(guān)系，因此改進(jìn)后滑閥具有良好的閥口流量特性。
3 結(jié)論
本文通過FLUENT軟件對兩種閥內(nèi)流場的分析，得出圓弧型流道不僅能減小作用在閥芯上的液動力，還能減少閥內(nèi)流場的漩渦現(xiàn)象，進(jìn)而減少節(jié)流損失，降低振動和噪音等，同時還有較好的液動力特性和閥口流量特性。但是，對于圓弧型流道的加工，與直流道相比有一定的難度，隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，流道的加工問題也會迎刃而解。
參考文獻(xiàn)：
［1］方文敏，成琳琳，傅新，等.帶U形節(jié)流槽的滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，44（3）：574-580.
［2］Minter Cheng.Modeling and Analysis of a Flow Divider Valve［A］.ASME Conference Proceedings［C］. 2009：91-98.
［3］張弓，黃靜，邱容.基于CFD的電液比例閥液動力分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（6）：93-96.
［4］冀宏，傅新，楊華勇.非全周開口滑閥穩(wěn)態(tài)液動力研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（6）：13-17.
［5］吳金波，陳飛，徐禮林.斜進(jìn)口流道滑閥穩(wěn)態(tài)液動力的仿真與分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（11）：109-111.
［6］賈衛(wèi)軍，孫玉清，崔會峰，等.VP502型汽車轉(zhuǎn)向泵噪聲研究［J］.機(jī)電設(shè)備，2005（1）：44-46.
［7］段少帥，姚平喜，張恒.滑閥穩(wěn)態(tài)液動力產(chǎn)生原因與補(bǔ)償方法［J］.流體傳動與控制，2010（03）：27-30.
［8］呂庭英，黃效國，何康寧.基于Fluent的液壓伺服閥液動力研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（13）：131-132.
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Flow force is one of the keys factors in the structural design of spool valve.In order to achieve the purpose to reduce the flow force，this paper presents a method on arc-shaped opening in the valve sleeve to deflector the oil of the opening.while using FLUENT software to analyze the flow field inside the valve，and compared with the conventional spool.Then analysis the characteristics of fluid dynamic and the valve orifice flow of the improved spool valve.The study has a certain reference value on the structural optimization of spool valve.
flow force；spool valve；arc-shaped passage；FLUENT
TH137
A
1009－9492(2014)01－0041－04
10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.010
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