胡林華，孔 備，張 健,王伯天

(1.鄭州飛機裝備有限責任公司，河南鄭州 450005；2.哈爾濱工業(yè)大學空間環(huán)境與物質(zhì)科學研究院，黑龍江哈爾濱 150080； 3.一汽-大眾汽車有限公司,吉林長春 130013)

引言

由于多路閥可以同時控制多個液壓執(zhí)行機構(gòu)工作，實現(xiàn)對壓力和流量的雙重控制，被廣泛應用于工程機械中。多路閥的性能對工程機械整體性能有重要影響，是工程機械的核心元件。長期以來由于我國在多路閥自主開發(fā)方面起步晚，基礎(chǔ)薄弱，研究多路閥相關(guān)技術(shù)問題有重要的現(xiàn)實意義。

目前已有很多學者開展了對多路閥的研究工作。陳源流等[1]研究了多路閥閥芯拓撲形態(tài)設計的流量參數(shù)模型，為閥芯設計提供了參考。XU Liping等[2]利用熱流固耦合方法對多路閥進行了仿真研究。王安麟等[3-5]研究了多路閥拓撲結(jié)構(gòu)設計問題。LI Rong等[6]仿真研究了多路閥鋁合金閥體。陳東寧等[7]研究了比例多路閥摩擦補償。張晉等[8]研究了多路閥進口節(jié)流流場和壓降特性。孫澤剛等[9]研究了多路閥節(jié)流槽對氣穴的影響。CHEN Qianpeng等[10]利用多個軟件聯(lián)合對多路閥閥芯液動力進行了研究。ZHANG Dawei等[11]利用有限元方法研究了載荷作用下多路閥閥體變形。劉偉等[12]研究了多路閥控制問題。陳革新等[13]研究了多路閥的微動特性。徐志剛[14]對防爆負載敏感比例多路閥進行了研究。

近年來學者們對多路閥做了很多有益的研究工作，但對于多路閥的流固熱耦合問題研究還較少，而溫度對多路閥性能的影響是不可忽視的，故以模型多路閥閥芯為研究對象，采用流固熱耦合方法對多路閥閥芯區(qū)域流場進行研究，分析流固熱共同作用下閥芯的變化情況，以期對多路閥設計提供理論指導。

1 基礎(chǔ)理論

液壓油流過閥芯流道由于流道突然變窄，油液流速急劇增加形成湍流，假設油液不可壓縮，采用標準k-ε模型，方程為:

2μtSij·Sij-ρε

(1)

(2)

式中,ρ—— 液壓油密度,kg/m3

k—— 湍動能,kg·m2/s2

ε—— 湍動能耗散率,m2/s3

U—— 油液速度矢量矩陣,m/s

μt—— 湍流黏度,Pa·s

S—— 平均應變率張量

t—— 時間,s

湍流黏度μt表達式為：

(3)

式(1)～式(3)中,系數(shù)Cμ,σk,σε,C1ε,C2ε為調(diào)節(jié)常數(shù)，值分別為Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

在ADINA中湍動能k及湍動能耗散率ε的表達式分別為:

k=1.5((0.01～0.1)U)2

(4)

式中,U為油液速度，m/s。

本研究選取k=1.5(0.05U)2。

ε=k1.5/(0.3L)

(5)

式中，L為特征長度，m，等于管道直徑。

2 流固熱仿真研究

2.1 仿真模型建立

閥芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。流場結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用ADINA軟件對閥芯流場進行流固熱耦合分析，分別建立固體仿真模型和流體仿真模型，進行流固熱耦合分析研究時流體模型要包含固體模型，模型的網(wǎng)格劃

圖1 閥芯結(jié)構(gòu)

圖2 流場結(jié)構(gòu)

表1 閥芯材料參數(shù)

表2 液壓油參數(shù)

表3 仿真參數(shù)

圖3 網(wǎng)格劃分

分采用四面體網(wǎng)格，如圖3所示。由于閥芯處通流截面會有較大突變極易形成湍流，因此仿真采用k-ε湍流模型。閥芯和液壓油的材料參數(shù)分別如表1和表2所示，仿真參數(shù)如表3所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4～圖7為在各種進油壓力、進油流速、進油溫度時的溫度分布情況。

圖4 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的溫度分布情況

圖5 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的溫度分布情況

圖6 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的溫度分布情況

圖7 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的溫度分布情況

從圖4～圖7可知，油液溫度對閥芯的影響主要集中在閥芯與油液接觸區(qū)域，隨著油液溫度的升高閥芯受影響區(qū)域逐漸增大。

圖8～圖11為各種進油壓力、進油流速、進油溫度時的閥芯溫度分布情況。由圖可知，節(jié)流槽處受油液溫度的影響較大，需要將溫度影響考慮到閥芯節(jié)流槽設計中，同時距離油液較遠的區(qū)域基本沒有受到油液溫度的影響。

圖12～圖15為各種條件下的閥芯變形情況。

圖8 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的閥芯溫度分布情況

圖9 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的閥芯溫度分布情況

圖10 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的閥芯溫度分布情況

圖11 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的閥芯溫度分布情況

圖12 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的閥芯變形情況

圖13 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的閥芯變形情況

圖14 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的閥芯變形情況

圖15 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的閥芯變形情況

從圖12～圖15可知，隨著油液溫度的升高閥芯變形明顯增大，同時閥芯越靠近回油的區(qū)域變形越大，說明如因為溫升閥芯卡死主要是由于靠近回油區(qū)域的閥芯結(jié)構(gòu)變形角度，因此在設計閥芯時靠近回油的閥芯結(jié)構(gòu)尺寸可適當縮小。

圖16 不同進油溫度影響下的工作腔壓力

圖16所示為不同進油溫度條件下的工作腔壓力隨時間的變化情況。圖17所示為不同進油溫度條件下的出油口流速隨時間的變化情況。從圖16和圖17可知，當油液溫度升高時工作腔壓力會隨溫度升高，而回油流量會隨溫度升高而降低，這是因為溫度升高使閥芯變形造成間隙減小，液阻增大。

圖17 不同進油溫度影響下的出油口流速

3 結(jié)論

為探究溫度對多路閥閥芯及其流場的影響，本研究采用流固熱耦合仿真方法獲得如下結(jié)論：

(1) 油液溫度對閥芯的影響集中在油液與閥芯接觸區(qū)域，遠離接觸區(qū)的閥芯部分受油液溫度的影響很?。?/p>

(2) 閥芯上節(jié)流槽處受油液溫度影響較大，因此在設計節(jié)流槽結(jié)構(gòu)時不能忽略溫度對節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的影響；

(3) 閥芯的變形主要發(fā)生在靠近回油區(qū)域，受溫度影響的閥芯卡滯將在此區(qū)域產(chǎn)生，在設計閥芯時可適當放寬閥芯的尺寸公差；

(4) 隨著油液溫度的升高，工作腔壓力將增大，回油流量將減小。

本研究的結(jié)論可為多路閥閥芯的結(jié)構(gòu)設計提供理論支撐，下一步應進一步考慮閥體和閥芯相互影響的流固熱耦合研究。