基于CFD的某滑閥閥芯動態(tài)特性研究

張勝，何曉暉，王強，王新文

（解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007）

基于CFD的某滑閥閥芯動態(tài)特性研究

張勝，何曉暉，王強，王新文

（解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007）

基于CFD和動網(wǎng)格技術，建立了具有圓弧倒角的液壓滑閥動態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型，對其在彈簧力、驅(qū)動力及流體力共同作用下的開啟過程進行了動態(tài)模擬。分析了不同彈簧剛度下，液壓滑閥開啟過程中閥芯位移、所受的馮.米塞斯應力和瞬態(tài)液動力的變化情況，得到了彈簧剛度對液壓滑閥閥開啟過程中閥芯位移、所受的馮.米塞斯應力和瞬態(tài)液動力的影響規(guī)律，為液壓滑閥的設計及優(yōu)化提供依據(jù)。

CFD；液壓滑閥；動網(wǎng)格；彈簧剛度

液壓滑閥在開啟過程中流場不穩(wěn)定，閥芯的控制精度不高，對其動態(tài)模擬是近來研究的熱點。當前，利用CFD和動網(wǎng)格技術對液壓閥進行的動態(tài)仿真分析越來越得到重視。文獻[1-2]對液壓閥閥芯運動過程中內(nèi)部流場進行了模擬。文獻[3-4]主要分析了閥芯運動過程中所受的瞬態(tài)液動力。以上研究中，對于液壓閥的動態(tài)模擬過程都是直接給定閥芯的運動速度，假定滑閥以某一固定速度開啟，而實際工作中閥芯的運動速度是不斷變化的。文獻[5-6]研究了閥芯在不同速度入口條件下的運動情況，其中對閥芯運動過程處理是通過使用UDF（User-Defined Functions）程序定義閥芯運動方程來實現(xiàn)的。在動態(tài)模擬中，閥芯的運動實際上應該預先不做定義，而是要由仿真的前一步結(jié)果來確定后一步的運動情況[7]。

本文以CFD-ACE+流體軟件為平臺，建立具有倒角的液壓滑閥動態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型。分析不同彈簧剛度下，液壓滑閥開啟過程中閥芯的瞬態(tài)位移、閥芯所受馮.米塞斯應力和瞬態(tài)液動力的變化情況，研究結(jié)果對于液壓滑閥的優(yōu)化設計具有重要的借鑒意義。

1三維數(shù)值模型的建立

1.1 動網(wǎng)格條件下的控制方程

動網(wǎng)格技術可以用來模擬閥芯和流域由于運動導致應力場和流場隨時間改變的問題。網(wǎng)格的不斷運動將會引起流場內(nèi)控制體的變化，但基本守恒方程依然適用，一般采用積分的形式來表示諸守恒方程[8]：

式中：φ為通用變量，代表u、V、ρ等；Г為廣義擴散系數(shù)，代表μeff、μ+μt/σk、μ+μt/σε；Sφ為φ的源項；?V為控制體積V的邊界。

1.2 液壓滑閥模型和網(wǎng)格劃分

液壓滑閥通常由多個閥腔組成，根據(jù)相似性，本文重點研究其中的一個閥腔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，在出口處閥芯臺肩上設置有半徑為1 mm的90°圓弧倒角。

圖1 液壓滑閥結(jié)構(gòu)圖

利用CFD-ACE+的前處理軟件GEOM建立液壓滑閥幾何模型并進行網(wǎng)格劃分。在該滑閥閥芯的開啟過程中，流域和閥芯均對稱布置，為提高計算效率，取流動區(qū)域和閥芯的一半作為研究對象[9]。根據(jù)研究對象特點，為使計算結(jié)果更加精確，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分?；诰W(wǎng)格分塊的思想，將計算區(qū)域分成16個網(wǎng)格塊，網(wǎng)格劃分如圖2所示。為提高計算精度，對閥口節(jié)流處進行了網(wǎng)格細化。

圖2 液壓滑閥網(wǎng)格圖

2邊界條件與參數(shù)選取

根據(jù)液壓滑閥使用的一般工況，重點研究閥芯小開度下的開啟過程，其邊界條件和參數(shù)設置如下：

入口條件：壓力入口，選取6 MPa；

出口條件：壓力出口，選取0.5 MPa；

驅(qū)動壓差：選取1 MPa；

液壓油：按VG46選取，密度ρ=890 kg/m3；運動粘度μ=46mm2/s；設為不可壓縮流體；

閥芯：15CrMo，密度ρ=8 030 kg/m3；彈性模量E=205 GPa；泊松比為0.3；

彈簧剛度：分別取72 N/mm、80 N/mm、88 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型；仿真步長為10-5s.

3液壓滑閥動態(tài)特性分析

3.1 閥芯瞬態(tài)位移分析

閥芯在開啟過程中受到液動力、驅(qū)動力以及彈簧力的作用，其位移由三者共同決定。仿真得到的閥芯位移變化情況如圖3所示。

圖3 閥芯開啟過程位移變化

從圖3看出，在滑閥開啟過程中閥芯位移會連續(xù)變化，首先到達一個最大位移處，然后呈現(xiàn)周期性的衰減波動，最終達到一個平衡狀態(tài)即穩(wěn)態(tài)。假定閥芯運動過程達到穩(wěn)態(tài)所滿足的條件如下：

式中：xmax、xmin分別為在同一個波動周期內(nèi)閥芯的最大位移和最小位移。

在相同驅(qū)動壓差和進出口壓力條件下，隨著彈簧剛度的增加，閥芯位移波動幅度相應減小，波動周期變短，達到穩(wěn)態(tài)的時間縮短，但穩(wěn)態(tài)位移即開口度減小。在設計滑閥時考慮到整體性能，不能一味增加或減小彈簧剛度，應當根據(jù)需求選取一個合適的值。

液壓滑閥閥芯穩(wěn)態(tài)位移的理論計算公式為：

式中：D為流道直徑；xv為閥芯穩(wěn)態(tài)位移；W為閥口的面積梯度；k為彈簧剛度；F為滑閥閥芯所受的驅(qū)動力；Fs為閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力；△p為滑閥進出口壓差；△P1為驅(qū)動壓差。

聯(lián)立上式，可以解得閥芯的穩(wěn)態(tài)位移分別為0.77 mm、0.70mm和0.65 mm.穩(wěn)態(tài)位移的理論值與仿真值對比情況如表1所示?？烧J為仿真計算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，證明了仿真的可靠性。誤差的產(chǎn)生是由于在理論計算中采用經(jīng)驗公式求解，沒有考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同及流場微觀流動帶來的影響。

表1 穩(wěn)態(tài)位移理論值與仿真值對比

3.2 液動力分析

在入口壓力一定的條件下，彈簧剛度不同會使得閥口開度不同，閥芯所受的液動力也就會發(fā)生變化，液動力的變化反過來又會影響到閥芯的位移，所以液動力和閥芯運動過程是相互影響的。在換向閥中，穩(wěn)態(tài)液動力會影響到其操縱穩(wěn)定性[11-12]，瞬態(tài)液動力會影響閥芯的運動，造成閥芯的振動和沖擊。因此有必要對閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力進行研究。對于液動力的求解，可通過對閥芯壁面所受的壓力進行表面積積分得到，閥芯各個壁面軸向力的合力即為液動力的值[13]。仿真得到的滑閥閥芯所受液動力如圖4所示，其中包含瞬態(tài)液動力和總的液動力。

圖4 閥芯開啟過程所受液動力變化

從圖4可以看出：（1）液壓滑閥閥芯在開啟過程中所受的液動力存在波動，最終達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)液動力分別為-51.9 N、-49.5 N和-46.8 N；（2）隨著彈簧剛度的增加，閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力的絕對值變小，穩(wěn)態(tài)液動力均為負值，表明液動力的方向使得閥芯趨于閉合，利于閥芯的穩(wěn)定；（3）瞬態(tài)液動力在開啟瞬間達到最大值，隨著彈簧剛度的增加，瞬態(tài)液動力的峰值增加，但達到穩(wěn)態(tài)所需的時間縮短；（4）瞬態(tài)液動力為負值表示其力方向與閥芯運動方向相反，起到正阻尼作用，利于滑閥的穩(wěn)定，反之則對閥芯起到不穩(wěn)定作用。

3.3 閥芯所受馮.米塞斯應力分析

馮.米塞斯應力是根據(jù)第四強度理論得到的一種當量應力，它用應力等值線來表示模型內(nèi)部的應力分布情況，可以用來對疲勞、破壞等進行評價。圖5給出了彈簧剛度k=72 N/mm時，閥芯開啟過程所受的最大馮.米塞斯應力位置變化情況。其它彈簧剛度下的分布基本一致，受篇幅所限不予列出。

圖5 閥芯開啟過程所受最大馮.米塞斯應力位置變化

從圖5可知，閥芯所受最大馮.米塞斯應力主要集中在如圖所示區(qū)域，不同彈簧剛度下最大值隨時間變化情況如圖6所示?？梢钥闯?，閥芯開啟過程所受的最大馮.米塞斯應力存在波動，隨著彈簧剛度的增加，峰值和穩(wěn)態(tài)值均減小，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間也逐漸縮短。

圖6 閥芯開啟過程所受最大馮.米塞斯應力大小變化

4結(jié)束語

通過對液壓滑閥開啟過程進行仿真分析，得到了彈簧剛度對液壓滑閥動態(tài)特性的影響規(guī)律，可以為提高液壓滑閥的動態(tài)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論包括：

（1）在進出口壓力和驅(qū)動壓差一定的條件下，隨著彈簧剛度的增加，閥芯位移、所受液動力和最大馮.米塞斯應力值的波動均減小，達到穩(wěn)態(tài)的時間也縮短；

（2）隨著彈簧剛度的增加，閥芯的穩(wěn)態(tài)位移減小，即開口度變小，為了達到同樣的開口度，需要更大的驅(qū)動力；

（3）在閥芯開啟瞬間，瞬態(tài)液動力值變化較大，設計閥時須加以考慮；

（4）隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動力的絕對值、最大馮.米塞斯應力的峰值和穩(wěn)態(tài)值均減小，穩(wěn)態(tài)液動力的減小可降低調(diào)壓偏差，最大馮.米塞斯應力的峰值和穩(wěn)態(tài)值的減小可以減輕閥芯的沖蝕和疲勞破壞。

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TransientProperties of the Hydraulic SpoolValve Based on CFD

ZHANG Sheng，HE Xiao-hui，WANG Qiang，WANG Xin-wen
（College of Field Engineering，PLA Univ.of Sci.&Tech.Nanjing 210007，China）

The three-dimensional numericalmodelwas established to obtain transient properties of hydraulic spool valve with circular arc cham fering based on CFD and dynamic mesh technology.Focused on the opening process of hydraulic spool valve，the characteristics are determined by the spring，driving and flow force.Transient displacement，von mises and flow force were analyzed in this opening process with different spring force.The influence laws of spring stiffness on displacement，von mises and flow force are analyzed in the opening process as well.The results provide basis for hydraulic spool valve’s design and optimization.

CFD；hydraulic spool valve；dynamic mesh；spring stiffness

TH137

A

1672-545X（2016）12-0028-03

2016-09-10

張勝（1992-），男，湖北隨州人，碩士研究生，研究方向為工程機械液壓傳動與控制。