姚 靜 俞 濱 李亞星 孔祥東

1.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

3.燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

隨著電液比例技術(shù)和插裝閥技術(shù)的飛速發(fā)展，插裝式比例節(jié)流閥因其具有高通流能力、較好的動(dòng)靜態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鍛壓機(jī)、注塑機(jī)等重型設(shè)備［1］。

目前，國內(nèi)外對(duì)于插裝式比例節(jié)流閥的研究主要集中在動(dòng)靜態(tài)特性分析［2－5］和主閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面［6－7］，在主閥套結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能影響分析方面研究較少。閥套作為插裝式比例節(jié)流閥的關(guān)鍵部件，其通孔結(jié)構(gòu)影響著閥的流量特性和流場(chǎng)特性。本文提出一種腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)，并通過流場(chǎng)仿真和可視化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法［8－9］，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果為插裝式比例節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)原理

插裝式比例節(jié)流閥的主閥閥腔的流體流動(dòng)區(qū)域由主閥芯、主閥套和閥塊共同構(gòu)成，如圖1所示。流體從主閥下腔進(jìn)油口進(jìn)入，經(jīng)過主閥芯與主閥套所形成的節(jié)流口，從主閥套通孔流出。

圖1 插裝式比例節(jié)流閥主閥部分二維剖視圖

從油液的流經(jīng)路線可以看出，油液經(jīng)過主閥芯和主閥套所形成的節(jié)流口和主閥套的通孔時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定的流態(tài)變化。這些流態(tài)變化將導(dǎo)致油液的壓力損失，并伴隨噪聲。

傳統(tǒng)的主閥套通孔結(jié)構(gòu)為6個(gè)均布的圓形通孔，如圖2所示。其通孔雖不起主要節(jié)流作用，但對(duì)流體流動(dòng)仍會(huì)產(chǎn)生一定影響，有必要開展其結(jié)構(gòu)形式對(duì)主閥流量及流場(chǎng)特性影響的研究。

圖2 環(huán)向通孔為圓形通孔插裝閥主閥套結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

在對(duì)插裝閥主閥進(jìn)行流場(chǎng)分析前，先對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則性，不同部位的結(jié)構(gòu)尺寸相差較大，為了能減少網(wǎng)格個(gè)數(shù)并保證網(wǎng)格質(zhì)量，使仿真既能滿足精度要求又能盡量縮短仿真時(shí)間［10－11］，本文采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以主閥的開口度為20%為例，其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 閥開口度為20%時(shí)的網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，插裝閥的工作壓降通常為0.5MPa，因此，仿真時(shí)，該插裝閥進(jìn)口與出口壓力分別選取為0.5MPa和0。具體邊界條件設(shè)置如下：

（1）進(jìn)口邊界。進(jìn)口選取壓力進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口壓力設(shè)為0.5MPa。

（2）出口邊界。出口選用壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)定為0。

（3）對(duì)稱邊界。在對(duì)稱面上，垂直該面的速度取為零，其他物理量值在該邊界內(nèi)外相等。

（4）壁面。將與主閥芯相接觸的面定義為主閥芯內(nèi)外壁面，將與主閥套相接觸的面定義為主閥內(nèi)外壁面。

3 仿真分析

3.1 圓形通孔結(jié)構(gòu)下流量特性仿真分析

利用FLUENT仿真分析，可得到插裝閥主閥套為圓形通孔時(shí)流量特性曲線，并根據(jù)節(jié)流窗口的面積，可計(jì)算出插裝閥的流量系數(shù)。其流量特性曲線如圖4所示，其中，閥口開度α在0～15%區(qū)域?yàn)樵撻y的死區(qū)，故不研究該區(qū)域內(nèi)閥的流量特性。

圖4 仿真流量曲線

從圖4可以看出，所研究的插裝式比例節(jié)流閥具有變流量增益特性，主閥芯結(jié)構(gòu)的特殊性使得該閥閥口開度在15%～40%區(qū)域和40%～100%區(qū)域所對(duì)應(yīng)的流量增益不同，正是這種變?cè)鲆嫣匦?，使其可以?shí)現(xiàn)小閥口開度下流量精準(zhǔn)控制和大閥口開度下高通油能力，從而廣泛應(yīng)用于重型機(jī)械設(shè)備液壓控制系統(tǒng)中。但在40%～100%閥口開度下，其流量增益并沒有保持恒定，而是逐漸減小，這是由于隨著閥口開度的增大，閥套通孔對(duì)油液的阻尼作用越發(fā)明顯，從而對(duì)其流量特性產(chǎn)生影響，限制了該閥的最大通油流量。

3.2 主閥套通孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)DN80插裝式比例節(jié)流閥提出一種有4個(gè)均布腰形結(jié)構(gòu)的通孔結(jié)構(gòu)，兩種通孔的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，采用腰形通孔結(jié)構(gòu)的通流面積是傳統(tǒng)通孔結(jié)構(gòu)的1.3倍。

圖5 兩種主閥套通孔結(jié)構(gòu)尺寸

設(shè)定主閥套內(nèi)外壁面的壓力差為0.5MPa，通過ANSYS仿真，得到主閥套在不同結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。

圖6 不同通孔結(jié)構(gòu)主閥套的應(yīng)變?cè)茍D

從圖6可以看出，雖然圖6a中主閥套通孔結(jié)構(gòu)相對(duì)于圖6b中結(jié)構(gòu)改變了，但其變形量分布規(guī)律相似且最大值近似相等，因此，改變主閥套結(jié)構(gòu)對(duì)閥套的承受能力基本沒有影響。

3.3 兩種閥套通孔結(jié)構(gòu)下流量特性及受力分析

3.3.1流量特性對(duì)比

利用FLUENT仿真軟件［12］，計(jì)算主閥套圓形通孔和腰形通孔兩種結(jié)構(gòu)在額定壓差0.5MPa下不同開口度時(shí)的流量值，獲得兩種通孔結(jié)構(gòu)的流量特性曲線如圖7所示。

圖7 圓形通孔和腰形通孔流量曲線對(duì)比

插裝式比例節(jié)流閥屬于流量控制閥，在恒定壓差作用下，其主閥的流量特性主要受主閥節(jié)流口（含主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔）通流面積的影響。從圖7可知，在主閥芯開口度較小時(shí)，主閥芯節(jié)流口起主要節(jié)流作用，主閥套的通孔結(jié)構(gòu)對(duì)主閥流量增益幾乎沒有影響；在主閥芯開口度較大時(shí)，主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔共同起節(jié)流作用，此時(shí)主閥套腰形通孔結(jié)構(gòu)相對(duì)于圓形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流面積，因此可提高該閥主閥的流量增益。在主閥芯開口度為80%～100%時(shí)，相對(duì)于圓形通孔結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的主閥流量增益可增大12%～15%。

3.3.2主閥芯受力對(duì)比

利用FLUENT仿真軟件，以主閥開口度為40%和100%為例，分析主閥芯所受徑向不平衡力情況，如表1所示。

表1 主閥芯受徑向不平衡力

由表1可知，腰形通孔可減小主閥芯所受的徑向不平衡力。主閥芯的徑向不平衡力是其內(nèi)壁面所受徑向力和外壁面所受徑向力之和，由于其內(nèi)壁面直接與流體流入位置相通，其壓力分布較均勻，故主閥芯的徑向不平衡力主要來自其外壁面所受的徑向力。而相對(duì)于圓形通孔，腰形通孔由于其更大的通流能力，使主閥芯外壁面流體流動(dòng)區(qū)域的壓力分布相對(duì)均勻，從而減小了主閥芯外壁面所受的徑向不平衡力，改善了主閥芯受力情況。

4 可視化實(shí)驗(yàn)研究

4.1 可視化實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證仿真結(jié)論，采用可視化實(shí)驗(yàn)手段，其實(shí)驗(yàn)方案如圖8所示。以水為傳動(dòng)介質(zhì)，采用PIV測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4.2 相似計(jì)算

由于可視化實(shí)驗(yàn)介質(zhì)與工業(yè)用液壓油特性有較大差別，為保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需采用相似理論進(jìn)行相似計(jì)算。在本實(shí)驗(yàn)中，流體的黏性力起主導(dǎo)作用，因此采用黏性力相似準(zhǔn)則，即（Re）p＝ （Re）m，可得

式中，Cρ為密度比例系數(shù)；Cl為長(zhǎng)度比例系數(shù)；Cv為速度比例系數(shù)；Cμ為黏度比例系數(shù)。

為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绫阌赑IV數(shù)據(jù)采集，選取長(zhǎng)度比例系數(shù)為Cl＝2。液壓油和水的相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

表2 46號(hào)液壓油和水相關(guān)參數(shù)表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可計(jì)算得出Cρ＝0.89，Cμ＝40，從而計(jì)算出Cv＝22.47。

此外，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€需滿足壓力相似判據(jù)，即

式中，Cp為壓力比例系數(shù)。

根據(jù)式（2）可計(jì)算出Cp＝449。仿真模型進(jìn)出口壓差為Δpp＝0.5MPa，則實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)口壓差為Δpm＝1.1kPa。

4.3 可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰?/h3>

以上述相似計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，采用高性能有機(jī)玻璃，加工各元件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主閥套實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D9所示。

將所有實(shí)驗(yàn)元件模型加工完成后，對(duì)其進(jìn)行裝配，其整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D10所示。

主閥芯和主閥芯蓋板用螺紋連接，可無級(jí)調(diào)節(jié)主閥芯的開口度，主閥套和主閥芯蓋板用定位銷固定，閥塊和主閥芯蓋板用螺栓固定，在閥塊進(jìn)出口處分別安裝進(jìn)口接頭和出口接頭，以方便連接管路。

圖9 主閥套實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖10 整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

調(diào)定主閥芯開口度和進(jìn)出水口壓差，利用水桶、量杯和秒表測(cè)量固定時(shí)間內(nèi)的流量，多次測(cè)量，取平均值，從而得到主閥在相應(yīng)開度下的流量值。將CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件有限，本文只測(cè)量主閥芯開口度為40%～80%時(shí)的流量數(shù)據(jù)。

圖11 仿真與可視化實(shí)驗(yàn)的流量曲線

可以看出，兩種主閥套通孔結(jié)構(gòu)流量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，主閥芯開口度在60%～80%之間，相對(duì)于圓形通孔結(jié)構(gòu)，腰形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流能力，在80%主閥芯開口度時(shí)，相對(duì)于圓形通孔結(jié)構(gòu)，主閥的流量增益可增大12%。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)插裝式比例節(jié)流閥，提出一種腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)，通過仿真與可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出主閥開口度在60%～80%時(shí)，相對(duì)于圓形通孔結(jié)構(gòu)，腰形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流能力。

（2）相對(duì)于圓形通孔，腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)可減小主閥芯所受的徑向不平衡力，改善主閥芯受力情況。

（3）提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究可為插裝類元件性能的進(jìn)一步提高奠定理論基礎(chǔ)。

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