山西工程職業(yè)學(xué)院 李優(yōu) 白柳

“液壓與氣壓傳動”是機(jī)械工程最主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力強(qiáng)的機(jī)械制造類人才必須的專業(yè)課程[1]。同時(shí)也是機(jī)械設(shè)備中發(fā)展最快的技術(shù)之一，特別是近年來與微電子、計(jì)算機(jī)電子技術(shù)結(jié)合進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能有著重要作用[2]。為增進(jìn)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐，大部分高職院校都引進(jìn)了各類實(shí)訓(xùn)平臺或者工程機(jī)械開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程，學(xué)生可以通過實(shí)操增進(jìn)對所學(xué)知識的理解[3]。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》時(shí)可以通過實(shí)訓(xùn)觀察到齒輪、鉸鏈連桿傳動等機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，實(shí)訓(xùn)效果好。

1 液壓與氣動課程教學(xué)存在的不足

液壓系統(tǒng)的工作壓力一般在0.1MPa～30MPa，實(shí)訓(xùn)時(shí)學(xué)生只能看到液壓缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動完的結(jié)果，雖然可以通過液壓系統(tǒng)圖或者多媒體教學(xué)軟件了解流體在系統(tǒng)內(nèi)的流動方向，但是當(dāng)具體到某一液壓元件如各類閥、泵、馬達(dá)等時(shí)，僅僅以一個機(jī)能符號予以表示，對元件內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作介質(zhì)的壓力、流速、能量等關(guān)鍵參數(shù)的狀態(tài)則理解不深。液壓和氣壓傳動必須在密閉空間內(nèi)以高壓力工作，流體流經(jīng)元件的動力學(xué)特性、流動情況無法直觀表現(xiàn)，而這些又是深入學(xué)習(xí)這門課程的關(guān)鍵。為解決這一問題，實(shí)訓(xùn)室一般采用透視性強(qiáng)的材料如聚甲基丙烯酸甲酯制成模型來展示液體在系統(tǒng)中的流動狀態(tài)，而該材料的最高工作壓力在5MPa 以內(nèi)，對更高壓力工況下流體的流動情況則沒有較好方法，且系統(tǒng)的負(fù)載、壓力、環(huán)境等因素跟實(shí)際工況存在較大差距，與流體在元件內(nèi)的實(shí)際流動情況不符。此外，流體在不同壓力下表現(xiàn)出來的工作性能也有差異，高壓工況下氣穴、噪聲、沖擊等對元件工作性能、使用壽命有較大影響的現(xiàn)象在課堂講授時(shí)顯得尤為抽象，教師授課辦法不多，學(xué)生理解困難。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，使得流體在高壓工況下的工作狀態(tài)得以通過計(jì)算機(jī)模擬的形式展示出來[4]。目前這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于流體領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程技術(shù)中，能夠較為理想的模擬流場的分布情況，而將其研究結(jié)果應(yīng)用于高等教育基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)中可幫助學(xué)生深入理解課堂知識點(diǎn)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣，在促進(jìn)高等教育理論學(xué)科向應(yīng)用型技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化等方面起到積極作用。

液壓閥作為液壓系統(tǒng)的控制元件主要實(shí)現(xiàn)換向、調(diào)速、調(diào)壓等功能，是液壓系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、精細(xì)的部分，閥內(nèi)流體的流場分布對閥的動態(tài)特性有很大影響。以兩款方向閥的流場仿真分析結(jié)果為例介紹流場可視化在高等教學(xué)課堂的應(yīng)用，通過介紹流體的壓力、流速、能量分布更加形象地幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)閥的工作原理。

2 液壓閥流場可視化在高職課堂的應(yīng)用

2.1 液控單向閥流場可視化應(yīng)用

以某型雙聯(lián)帶卸荷閥芯式液控單向閥大小閥芯同步打開3mm 時(shí)為對象仿真。如圖1、2 為液控單向閥大小閥芯同步開啟3mm 時(shí)的流場速度分布云圖和靜壓力分布云圖，由圖可知乳化液主要從大閥芯閥口處流出，平均流速約為86m/s，大閥芯流量約247.7L/min；小閥芯閥口處乳化液的流速只有24.3m/s 左右，小閥芯的流量約7.08L/min，此時(shí)流量總共約509.6L/min。在大閥芯與閥座組成的閥道最窄的部位速度最大，接近117m/s，對應(yīng)在閥尖角處易出現(xiàn)負(fù)壓，極易發(fā)生氣穴和噪聲，對錐閥和閥座的表面會造成極大的損傷。通過對尖角部位進(jìn)行倒圓角處理可以有效降低該部位壓力變化現(xiàn)象，緩解壓力損失。由靜壓力分布云圖可以看出在小閥芯與控制桿組成的封閉容腔內(nèi)的壓力要高于外腔壓力，導(dǎo)致大小閥芯受力不均發(fā)生壓力沖擊、閥芯振動，使閥芯重復(fù)啟閉。

圖1 大小閥芯位移3mm 速度分布云圖

圖2 大小閥芯位移3mm 靜壓力分布云圖

圖3 為控制桿出口處的流體速度矢量放大圖，由圖可知乳化液主要從大閥芯流出，小閥芯處流速比大閥芯處低，且在出口處發(fā)生漩渦，產(chǎn)生能量損耗。由于小閥芯閥口處乳化液不能大量流出，造成小閥芯容腔卸壓不明顯，壓力高于大閥芯外腔。說明液控單向閥工作原理為小閥芯先期小流量卸壓，大閥芯后期大流量泄流，故卸荷式液控單向閥的公稱流量和公稱壓力一般高于不帶卸荷閥芯的液控單向閥。圖4 為大閥芯錐面靜壓力分布云圖，由圖可知錐面小端壓力普遍比大端壓力大，說明大閥芯小端錐面容易受到損傷，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)措施提高錐面的強(qiáng)度和剛度，以延長大閥芯使用壽命。

圖3 控制桿出口速度矢量放大圖

圖4 大閥芯錐面上靜壓力分布云圖

2.2 電液換向閥流場可視化應(yīng)用

以某型電液換向閥的主閥打開過程為分析對象進(jìn)行仿真。圖5 為流場的靜壓力分布云圖，可以看到閥芯內(nèi)部流場壓力變化較大，在進(jìn)口處壓力最大，根據(jù)Fluent 的表面積分功能得到進(jìn)口處的壓力為32.18MPa，得進(jìn)出口壓差為7.18MPa。流體從閥套進(jìn)入閥芯內(nèi)部時(shí)由于過流面積突然減小，壓力降低約4MPa，是壓力損失主要集中的部位，在閥芯主流道區(qū)域壓力分布均勻。同時(shí)，閥芯兩側(cè)存在約1MPa 壓力差，容易造成閥芯受力不平衡進(jìn)而在閥體內(nèi)偏心卡死，應(yīng)改善進(jìn)液方式或采用其他措施予以優(yōu)化。從圖6 流場的速度分布云圖可以看出，流速最大的地方出現(xiàn)在閥口處及剛進(jìn)入閥芯主通道處（達(dá)109m/s），也是壓降最大的地方，結(jié)合液控單向閥的分析結(jié)果可知流體流速變化明顯的地方能量損失顯著。在進(jìn)油節(jié)流閥口處，流體的速度變化大，說明此處的油液動量變化大，對閥芯與閥套的壓力沖擊也較大，對閥芯的壽命和工作性能產(chǎn)生較大影響。

圖5 電液換向閥主閥流場的靜壓力分布云圖

圖6 電液換向閥主閥流場的速度分布云圖

由圖7 流場的湍動能分布云圖可以看出，最大湍動能為84.8m2/s2，湍動能大的部位能量損失大，該區(qū)域?yàn)殚y芯主通道兩側(cè)入口處，結(jié)合速度矢量圖可知該區(qū)域也是漩渦產(chǎn)生的地方。

圖7 電液換向閥主閥流場的湍動能分布云圖

3 流場可視化在高職課堂教學(xué)的創(chuàng)新應(yīng)用

目前高職高專的教材以介紹元件和系統(tǒng)的工作原理為主，輔以相應(yīng)的動畫模型解釋，而對液壓系統(tǒng)的壓力、流速、流量分布情況則涉及不多，學(xué)生對流體與元件間的相互作用機(jī)理理解不深。高職院校學(xué)生在校時(shí)間短且學(xué)業(yè)緊張，專業(yè)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)薄弱，教學(xué)任務(wù)以強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力為主，不具備深入學(xué)習(xí)的條件。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，將流場可視化數(shù)值模擬結(jié)論直接應(yīng)用于課堂教學(xué)不僅有助于學(xué)生理解，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。將流體傳動領(lǐng)域目前主流的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法引進(jìn)課堂教學(xué)，既可以加深學(xué)生對液壓元件、液壓系統(tǒng)的理解，又給學(xué)生介紹了元件容易損壞的部位和相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式方法，還提前了解了專業(yè)高端領(lǐng)域的主流分析方法。

4 結(jié)語

將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）中的流場可視化技術(shù)應(yīng)用于“液壓與氣壓傳動”課堂教學(xué)為該門課程的教學(xué)注入新鮮動力，創(chuàng)新傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式，有助于學(xué)生的理解和記憶，同時(shí)將專業(yè)領(lǐng)域的主流研究方法提前介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。