馬 軍（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽　淮南　232001）

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單體液壓支柱水壓錐閥閥口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馬 軍
（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽淮南232001）

［摘 要］以水作為工作介質(zhì)的礦用單體液壓支柱，水壓錐閥閥口結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)分布直接影響支柱的支護(hù)性能，利用GAMBIT建立三種不同錐角的閥口結(jié)構(gòu)，用FLuent分別對(duì)其壓力、速度和湍動(dòng)能進(jìn)行仿真分析，得最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)采用二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；研究表明：在傳統(tǒng)的閥口結(jié)構(gòu)中，閥口錐角為60°時(shí)流體流場(chǎng)分布較好，但仍存在負(fù)壓和能量損失，優(yōu)化后的二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)分布更加均勻。

［關(guān)鍵詞］水壓錐閥； FLuent； 二級(jí)節(jié)流； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

單體液壓支柱對(duì)工作面的頂板及頂板冒落的巖石進(jìn)行支護(hù)，以保證工作人員的安全。單體液壓支柱主要利用三用閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓支柱的升起和降落功能，具有體積小、重量輕、井下運(yùn)輸方便等特點(diǎn)。

三用閥的閥芯采用錐閥型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，抗污染能力強(qiáng)。但由于水介質(zhì)具有黏性低、密度大、壓縮性差以及腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，在同種情況下，水液壓錐閥存在能量損失大，振動(dòng)和噪聲大，易發(fā)生氣蝕等問(wèn)題。

本文通過(guò)GAMBIT建立三種不用錐角的閥芯結(jié)構(gòu)，研究同種條件下不同錐角的流場(chǎng)分布情況，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比找出最優(yōu)的錐角結(jié)構(gòu)，并對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果可為錐閥的選型及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　模型建立

1.1分析模型

利用GAMBIT分別建立閥芯錐角為45° 和60°的兩種傳統(tǒng)錐閥模型以及優(yōu)化模型，圖1為傳統(tǒng)模型，圖2為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型。從圖1、2可以見(jiàn)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一是采用了圓弧邊角代替了傳統(tǒng)的角；二是采用了二級(jí)節(jié)流代替了傳統(tǒng)的單級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)。

1.2計(jì)算條件

圖1　傳統(tǒng)模型

圖2　優(yōu)化模型

為保證仿真結(jié)果的可靠性，僅對(duì)水液壓錐閥模型的錐角采用不同的角度，其它條件均作如下假設(shè)：

錐閥閥口開(kāi)度統(tǒng)一設(shè)定為1 mm；閥芯與閥體精密配合，無(wú)縫隙；水為流動(dòng)介質(zhì)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1；忽略水的壓縮性，視為不可壓縮流體；根據(jù)雷諾數(shù)判斷流體流動(dòng)狀態(tài)：

上式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度，kg/m2；v為流體速度，m/s；d為管道直徑，取0.015 m；η為流體動(dòng)力黏度系數(shù)。

表1　水的相關(guān)參數(shù)

計(jì)算得Re=75 000，說(shuō)明流體處于湍流狀態(tài)，故采用常用的k—ε湍流方程進(jìn)行計(jì)算。

2　仿真結(jié)果分析

2.1網(wǎng)格劃分

在GAMBIT中對(duì)所建錐閥模型利用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了增加閥內(nèi)流場(chǎng)分布的正確性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化［4］。優(yōu)化后采用閥座角度為120°，閥芯用圓弧過(guò)渡的二級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)，圓弧半徑R=6 mm。

2.2邊界條件

將完成前處理過(guò)程后的三個(gè)傳統(tǒng)模型導(dǎo)入FLuent軟件中，定義模型的邊界條件：入口處沿軸方向平均流速v=5 m/s，出口壓力均設(shè)為1個(gè)大氣壓，經(jīng)計(jì)算錐閥傳統(tǒng)模型和優(yōu)化模型的殘差均完全收斂。

2.3結(jié)果分析

2.3.1三種傳統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)分析

在FLuent軟件中進(jìn)行流場(chǎng)仿真，并分析比較不同結(jié)構(gòu)的性能，得出傳統(tǒng)閥口結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖3為傳統(tǒng)閥口靜壓力云。其中圖a為錐角45°的閥口內(nèi)部流場(chǎng)靜壓力云圖，比較30°的閥口流場(chǎng)較為穩(wěn)定，但閥口處仍有負(fù)壓產(chǎn)生，易產(chǎn)生氣蝕、振動(dòng)和噪聲，影響閥性能；圖b為錐角60°的閥口內(nèi)部流場(chǎng)靜壓力云圖，可見(jiàn)閥口內(nèi)部流場(chǎng)較為均勻，氣蝕現(xiàn)象可以得到很大程度的改善，仍有負(fù)壓的存在。

圖3　傳統(tǒng)閥口靜壓力云

圖4為傳統(tǒng)錐閥結(jié)構(gòu)速度矢量。其中圖a為錐角45°的錐閥速度矢量圖，流體進(jìn)入閥口后，由于橫截面的突然變小，造成速度突然變大，極易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響閥在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。圖b為錐角60°的錐閥速度矢量圖，從圖中可以看出流體在閥口處的漩渦明顯比前兩種要小，說(shuō)明能量損失較小，且速度變化幅度減小，提高閥的穩(wěn)定性。

圖4　傳統(tǒng)閥口速度矢量

圖5為傳統(tǒng)閥口入口壓力。其中圖a為錐角45°的閥口入口壓力圖，從圖中知入口壓力為3.07 MPa；圖b為錐角60°的閥口入口壓力圖，從圖中知入口壓力為2.09 MPa。

圖5　傳統(tǒng)閥口入口壓力

圖6為傳統(tǒng)閥口湍動(dòng)能等值線分布。其中圖a為錐角45°湍動(dòng)能等值線分布圖，由圖知在閥芯出口處仍出現(xiàn)兩處的漩渦，但比30°錐角的湍動(dòng)能產(chǎn)生的漩渦??；圖b為錐角60°湍動(dòng)能等值線分布圖，流場(chǎng)分布中的漩渦得到明顯的改善，減少能量損失。

圖6　傳統(tǒng)閥口湍動(dòng)能等值線分布

由以上分析得出傳統(tǒng)三種不同錐角閥口的相關(guān)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。在傳統(tǒng)的錐閥結(jié)構(gòu)中，錐角為60°的壓差最小，不易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，減小振動(dòng)和噪聲，且最大速度和最大湍動(dòng)能均為最小，說(shuō)明能量損失最小，所以在傳統(tǒng)閥口結(jié)構(gòu)中，錐角60°的水液壓錐閥閥口的性能優(yōu)越其它兩種錐角的閥口結(jié)構(gòu)。

表2　傳統(tǒng)閥口的仿真數(shù)據(jù)

2.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖7為優(yōu)化模型靜壓力，比較傳統(tǒng)錐角為60°的閥口模型靜壓力云圖而言，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)內(nèi)部靜壓力分布均勻，壓降均勻分布，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)，說(shuō)明流場(chǎng)流動(dòng)穩(wěn)定，有效的抑制了氣蝕現(xiàn)象，增強(qiáng)錐閥閥口性能。

圖7　優(yōu)化模型靜壓力云

圖8為優(yōu)化模型速度矢量，比較傳統(tǒng)錐角為60°的閥口模型速度矢量圖而言，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)速度沒(méi)有漩渦產(chǎn)生，且在閥口處的速度差得到了很大程度的降低，更好的抑制氣蝕，減小振動(dòng)和噪聲，提高錐閥閥口的穩(wěn)定性。

圖8　優(yōu)化模型速度矢量

圖9為優(yōu)化模型湍動(dòng)能等值線分布，相比較傳統(tǒng)錐角為60°的閥口模型湍動(dòng)能等值線分布圖而言，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)等值線分布較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的漩渦，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)更好的降低了能量損失，提高能量利用率。

圖9　優(yōu)化結(jié)構(gòu)湍動(dòng)能等值線分布

3　結(jié)論

通過(guò)利用FLuent對(duì)傳統(tǒng)三種不同錐角的錐閥模型和優(yōu)化后的錐閥模型在相同條件下進(jìn)行仿真對(duì)比，得到如下結(jié)論：在傳統(tǒng)錐閥中，錐角為60°的錐閥在抑制氣蝕、減小振動(dòng)和噪聲方面性能有所改善，但仍存在能量損失現(xiàn)象；優(yōu)化后的二級(jí)節(jié)流模型比傳統(tǒng)的錐角為60°的錐閥，靜壓力、速度以及湍動(dòng)能都分布均勻，沒(méi)有明顯的漩渦產(chǎn)生，更好地抑制了氣蝕的發(fā)生，并具有減少振動(dòng)、降低噪聲、提高能量利用率的優(yōu)良性能，提高錐閥的性能。

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［中圖分類(lèi)號(hào)］TD355+.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1671—4733（2016）02—0007—04

DOI：10.3969/j.issn.1671—4733.2016.02.003

［收稿日期］2016—03—23

［作者簡(jiǎn)介］馬軍（1978—），男，安徽渦陽(yáng)人，講師，從事機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)及科研工作，電話：0554—6656867。