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(蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州 730050)

引言

液壓閥是液壓系統(tǒng)中非常重要的元件，主要通過控制流體的壓力、流量和流動方向來滿足工作要求，使各類執(zhí)行元件實現(xiàn)不同的動作[1]。液壓控制閥的內(nèi)部結構比較復雜，主要由閥體、閥芯、操縱控制機構等主要零部件組成。滑閥類的閥芯是圓柱形，通過閥芯在閥體孔內(nèi)的滑動來改變液流通路開口的大小，以實現(xiàn)對液流壓力、流量及方向的控制。非全周開口滑閥具有水力半徑大，抗阻塞的特點，其流量范圍大，易得到較小的穩(wěn)定流量，在液壓比例閥和伺服閥中得到了廣泛應用[2]，節(jié)流槽滑閥的特性分析對液壓閥的性能提升起著很重要的作用。

近幾年隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展以及計算流體力學理論的豐富。人們借助CFD技術對液壓閥復雜內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬和可視化分析，成為液壓領域的熱點。在液壓技術中，流體仿真主要研究方向有：氣穴現(xiàn)象分析，流場速度壓力流量分析和液動力分析等。文獻[3-6]利用Fluent軟件分別對伺服閥、電磁閥、滑閥式換向閥以及液壓比例閥的三維扇形區(qū)域內(nèi)部流場進行模擬仿真，得到壓力與流量，穩(wěn)態(tài)液動力與閥口開度之間的關系。文獻[7]采用CFX軟件對三維溢流閥模型的內(nèi)部流場進行模擬仿真，并結合流體動力學方程對溢流閥的瞬態(tài)流場特性和動態(tài)特性進行了研究。目前對液壓閥內(nèi)部流場的仿真分析主要是針對全周開口滑閥即傳統(tǒng)滑閥,關于節(jié)流槽滑閥又稱為非全周開口滑閥的研究比較少。本研究以非全周開口液壓閥滑閥為研究對象，針對滑閥的內(nèi)部流場進行三維穩(wěn)態(tài)仿真模擬。采用有限元分析軟件ANSYS的前處理模塊GAMBIT，分析計算模塊Fluent以及后處理模塊TECPLOT，得到了滑閥內(nèi)部流場的速度壓力、流量特性以及流量系數(shù)隨閥口開度的變化規(guī)律。

1 計算流體力學基礎

任何物體的運動都要遵循一些運動規(guī)律，流體運動也不例外，因此滑閥內(nèi)部流體的流動也要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。

1.1 流體動力學的連續(xù)性方程

連續(xù)性方程就是我們所說的質(zhì)量守恒方程，質(zhì)量守恒定律是流體力學中最基本的定律。在一定的時間內(nèi)，某一特定平面上流入的流體質(zhì)量與流出的相等，得到流體流動時的質(zhì)量守恒微分方程[8]：

(1)

式中：ux、uy、uz分別為x、y、z，3個方向上的速度分量，m/s；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3。

1.2 流體動力學的動量方程

(2)

式中：Su,Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項，Su=Fu+sx，Sv=Fv+sy，Sw=Fw+sz，其中，sx，sy和sz表達式：

1.3 湍流模型

流體的流動狀態(tài)可以分為層流和湍流，而湍流在自然界中很常見，大部分工程中的流動問題都是湍流模型[9]。

湍流模型主要有隨機性、有渦性、擴散性和耗散性等特征。當流體通過液壓閥時，在液壓閥內(nèi)部由于節(jié)流口的作用，使流體流動的時候雷諾數(shù)很大，因此液壓閥內(nèi)部流場的流動狀態(tài)是湍流。

2 液壓閥閥口流場的分析

2.1 幾何模型的建立

液壓閥模型的正確建立對后續(xù)的仿真計算有著非常重要的意義。為了使模型很好的反應出流場的流動情況，在建模的時候?qū)δＰ鸵M行適當?shù)暮喕?。采用三維設計軟件對滑閥閥口開度分別為：10 mm、16 mm、22 mm時進行建模，主閥芯直徑為120 mm,流道油液進口直徑為140 mm，為了能夠清楚的看出在不同閥口開度下流場的運動情況，取每個閥口開度下的1/4來進行流場仿真，其中開度為16 mm時的三維模型如圖1所示。

圖1 開口為16 mm時三維模型

2.2 采用GAMBIT進行網(wǎng)格劃分如圖2所示

圖2 開口為16 mm時網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件的設置及相關的流體參數(shù)

(1) 本研究中所使用的液壓滑閥是比較理想的，裝配精確并且加工良好，沒有什么縫隙和瑕疵；

(2) 所使用的流體不可壓縮，是理想流體；

(3) 流體與壁面的接觸邊界是無滑移壁面；

(4) 采用的邊界條件為壓力入口和壓力出口。操作環(huán)境在標準大氣壓下，其中取進口壓力為2.1 MPa， 液壓油密度為889 kg/m3，油液動力黏度為0.03556 kg/(m·s)。

3 液壓閥內(nèi)部流場的計算結果

3.1 壓力分布云圖

在保證其它條件相同的情況下分別對閥口開度為10 mm、16 mm、22 mm時進行流場仿真，壓力分布云圖如圖3～圖5所示。

圖3 閥口開度10 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

圖4 閥口開度16 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

圖5 閥口開度22 mm,壓差2.1 MPa時壓力分布圖(Pa)

從壓力分布圖以及壓力值可以看出，當流體流經(jīng)節(jié)流槽閥口時，壓力下降比較快。隨著閥口開度的增大，流場的最低壓力減小，閥口開度為16 mm和 22 mm 時流場的最低壓力相差不大，但是與10 mm相比，最低壓力還是有所降低。壓力的變化范圍也隨著閥口開度的增大而增大。由于流體流經(jīng)節(jié)流槽時流速很高，根據(jù)動量守恒定律，該處的壓力會很低，甚至有負壓會產(chǎn)生，可能會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，當液壓系統(tǒng)中有氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生時，會造成液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.2 速度分布云圖

以閥口開度為10 mm、16 mm時的速度分布圖為例，如圖6，圖7所示。

圖6 閥口開度10 mm,壓差2.1 MPa時速度分布圖(m/s)

圖7 閥口開度16mm,壓力差2.1MPa時速度分布圖(m/s)

從上圖可以看出，在相同的壓差條件下，閥口開度為10 mm和16 mm時，滑閥流場處的最大速度降低,并且隨著閥口的增大，閥口處的最大速度也隨之降低。流體在進口處的速度基本不變，但在經(jīng)過閥口時，速度發(fā)生急劇變化，經(jīng)過閥腔時流速產(chǎn)生擴散。在不同壓差條件下，對開度為16 mm時的該滑閥進行了內(nèi)部流場仿真，得到：在相同的開口條件下，隨著壓差的增大，閥口的流速會隨之增大。

4 液壓閥壓力流量特性分析

4.1 不同閥口開度下的流量特性分析

滑閥的壓力流量特性是指流經(jīng)滑閥的流量與閥口開度以及閥口壓差三者之間的關系。由流量公式得到流量系數(shù)Cd的公式：

(6)

式中：qν為流量，m3/s；A為閥口過流面積，m2；ρ為液壓油密度，kg/m3；Δp為閥口進出口壓力差，MPa。

根據(jù)仿真結果得到該滑閥在不同開度下的壓力-流量特性曲線圖，如圖8所示。

圖8 不同閥口開度下的壓力-流量特性曲線

從圖中可以看出通過閥口的流量與開度呈線性分布的關系，表明在滑閥開啟的過程中流量與閥口開度成正比。

通過式(6)我們得到不同閥口開度下的壓力-流量系數(shù)曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出：節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)與閥口的開度大小密切相關的。隨著閥口開度的減小，流量系數(shù)逐漸增大。

圖9 不同閥口開度下的壓力-流量系數(shù)曲線

4.2 與半圓形槽滑閥的比較

半圓形槽示意圖如圖10所示。

圖10 不同節(jié)流槽形狀下的壓力-流量系數(shù)曲線圖

在相同條件下，對閥口開度為16 mm的半圓形槽滑閥進行模擬仿真，將得到的數(shù)據(jù)代入式(6)中得到流量系數(shù)值，并且與之前的矩形節(jié)流槽比較，結果如圖11所示。從圖中看出：滑閥流量系數(shù)與節(jié)流槽的形狀有關；在閥口開度相同的條件下，半圓形槽滑閥與矩形節(jié)流槽滑閥相比較，流量系數(shù)變化較平緩，并且隨著進出口壓差的增大都有緩慢下降趨于穩(wěn)定的趨勢。

圖11 半圓形槽示意圖

5 結論

本研究對液壓閥滑閥進行了內(nèi)部流場的仿真分析，得出如下結論：

(1) 在進出口壓差相同的條件下，流體流經(jīng)節(jié)流槽閥口時，壓力下降較快；隨著閥口開度從10 mm增加到6 mm時，流場的最低壓力有所增加，閥口開度為16 mm 和22 mm時流場的最低壓力相差不大，但是與10 mm相比，最低壓力有所下降.壓力的變化范圍也隨著閥口開度的增大而增大。

(2) 進出口壓差相同的情況下，隨著閥口開度的增大，閥口的最大速度隨之降低；在相同的開口條件下，隨著進出口壓差的增大，閥口的流速會隨之增大；流體在進口處的速度基本相同，但在經(jīng)過閥口時，速度發(fā)生急劇變化，經(jīng)過閥腔時流速產(chǎn)生擴散。

(3) 滑閥節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)與閥口的開度大小，進出口壓力差以及節(jié)流槽形狀緊密相關。在相同壓差條件下，隨著閥口開度的減小，流量系數(shù)逐漸增大；在相同的閥口開度下，隨著進出口壓差的增大，流量系數(shù)在逐漸減小，半圓形槽滑閥與矩形節(jié)流槽滑閥相比較，流量系數(shù)變化較平緩，并且，隨著進出口壓差的增大都有緩慢下降趨于穩(wěn)定的趨勢。

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