張 鑫， 韓 進， 馬德建， 高慶利， 劉建超

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

引言

液壓閥是液壓系統(tǒng)的主要控制元件，其性能對液壓系統(tǒng)的正常運行具有關(guān)鍵性作用[1]。但是液壓閥在工作過程中，閥芯會因為受熱變形導(dǎo)致閥腔內(nèi)的間隙變小，從而導(dǎo)致閥芯在運動過程中阻力變大，使滑閥工作不流暢，更嚴(yán)重的會使閥芯卡死，導(dǎo)致液壓閥不能工作[2]。因此，研究液壓滑閥多場耦合特性對改善滑閥工作特性，提高液壓系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。陳曉明等[3]對滑閥內(nèi)流體的流動以及傳熱過程進行了數(shù)值模擬，為研究液壓滑閥的卡緊現(xiàn)象提供了借鑒。

謝海波等[4]對閥芯所受液動力進行了數(shù)值求解，并對液壓閥的壓降曲線進行了比較，為液壓閥的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。張俊俊等[5]對液壓滑閥閥芯卡緊力進行了數(shù)值模擬研究，得到了均壓槽合理的結(jié)構(gòu)尺寸。晏靜江等[6-7]對U形節(jié)流閥的速度場以及油液黏性熱效應(yīng)進行了計算流體力學(xué)解析，得出了閥芯的溫度場分布。袁王博等[8]研究了U形節(jié)流槽的滑閥閥芯熱變形，為研究閥芯的熱變形提供了借鑒。

目前各學(xué)者對于滑閥的研究手段已經(jīng)非常成熟，解決了滑閥工作過程中的許多問題，但是對于具有雙U形節(jié)流槽滑閥的研究仍然不全面。本研究對雙U形節(jié)流槽數(shù)量分別為2, 3， 4， 5， 6，閥口壓差分別為5, 10, 15, 20, 25 MPa時的液壓滑閥進行仿真分析，得到液壓滑閥在不同雙U形節(jié)流槽數(shù)量、不同閥口壓差時流體的速度場，以及滑閥閥芯的溫度場與應(yīng)變場。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 流體與傳熱控制方程

液壓閥內(nèi)流體的流動以及流體與固體之間的傳熱始終遵循3個物理規(guī)律，分別是能量守恒、質(zhì)量守恒以及動量守恒[9]。

能量守恒方程為：

(1)

質(zhì)量守恒方程為：

(2)

動量守恒方程為：

(3)

式中,ρ—— 流體密度

T—— 流體溫度

U—— 速度矢量

k—— 流體傳熱系數(shù)

CP—— 流體的比熱容

ST—— 流體黏性耗散項

▽ —— 散度

F—— 作用于流體上的質(zhì)量力

p—— 流體壓力

μ—— 動力黏度

Δ —— 拉普拉斯算子

熱流耦合分析問題為溫度場的第三類邊界條件[10]和熱耦合所特有的邊界條件。當(dāng)流體與固體的溫度不同時，會發(fā)生對流換熱，此時固體表面的熱流密度與溫度差成正比，即：

(4)

式中,n—— 換熱表面的外法線

h—— 換熱系數(shù)

TW—— 邊界面溫度

Tf—— 流體溫度

Ts—— 固體區(qū)域溫度

在耦合邊界還應(yīng)滿足連續(xù)性邊界條件，即：

TW|f=TW|s

(5)

通過耦合迭代求解熱流密度以及耦合面溫度，初始條件設(shè)置為：

T|t=0=T0

(6)

1.2 仿真模型及邊界條件設(shè)置

實際工況中應(yīng)用的滑閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了方便研究計算，省略掉滑閥中多余的零部件，建立其簡化模型。此模型主要由進油口、出油口、流體域、閥芯組成。

在Fluent計算過程中，為了保證計算的可行性，需要對流體做以下假設(shè)[11]：

(1) 流體為不可壓縮的牛頓流體；

(2) 流體為單向流；

(3) 流體為紊流，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[12]。

圖1 雙U形液壓滑閥仿真系統(tǒng)模型

圖2 雙U形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)圖

不同類型的液壓油具有不同的牌號，上述模型中，流體材料選用常用的46號液壓油，固體材料選用閥芯的常用材料45號鋼。流體與固體材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1 46號液壓油材料屬性

表2 45號鋼材料屬性

在進行仿真時，忽略閥套對液壓閥內(nèi)部的影響，將流體與閥套接觸面設(shè)置為絕熱邊界條件。閥芯兩端設(shè)置為對流換熱條件，閥芯與流場接觸面設(shè)置為耦合邊界條件。假設(shè)工作環(huán)境溫度為室溫[12]，設(shè)置閥芯表面與流體初始溫度為300 K，即26.85 ℃。閥芯實際在閥腔中左右移動，在穩(wěn)態(tài)仿真條件下默認(rèn)閥口開度固定閥芯靜止，因此假設(shè)閥芯左右端面為固定面。

2 閥腔流場動態(tài)特性分析

2.1 閥口壓差對流場的影響

當(dāng)節(jié)流槽數(shù)量為4，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置閥口壓差為5， 10， 15， 20， 25 MPa，得到了不同閥口壓差下流場內(nèi)速度分布特性，如圖3所示。

結(jié)果表明，閥腔進口側(cè)速度均衡，高流速區(qū)域主要集中在節(jié)流槽位置，與實際情況相符，在一定程度上反映了該模型的可信度。此外，閥腔出口側(cè)高速流體速度方向與閥腔出口側(cè)壁面呈一定角度，此角度并不會隨壓差變化而改變。閥口壓差在5～25 MPa內(nèi)，提取不同壓差下流體的最大流速，其擬合曲線為v=0.4528 Δp0.5077，擬合優(yōu)度R2接近為1，如圖4所示。結(jié)果表明，流體最大流速隨閥口壓差增大而增大，與流體力學(xué)中薄壁出口流速與閥口壓差的關(guān)系基本相符。

圖3 不同閥口壓差下流體速度云圖

圖4 閥口壓差對流體最大流速的影響

2.2 節(jié)流槽數(shù)量對流場的影響

當(dāng)閥口壓差為15 MPa，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置節(jié)流槽數(shù)量N為2, 3, 4, 5, 6，得到了不同節(jié)流槽數(shù)量下閥腔流場速度分布特性，如圖5所示。

圖5 不同節(jié)流槽數(shù)量下流體速度云圖

結(jié)果表明，雙U形節(jié)流槽數(shù)量對于液壓閥內(nèi)的流場特性影響不大。閥腔出口側(cè)高速流體速度方向與閥腔出口側(cè)壁面所呈角度不會隨著節(jié)流槽數(shù)量的變化而改變。提取不同節(jié)流槽數(shù)量時流體最高流速，其擬合曲線如圖6所示。結(jié)果表明節(jié)流槽的數(shù)量不會影響液

圖6 節(jié)流槽數(shù)量對流體最大流速的影響

壓閥內(nèi)流體的最高流速。

3 閥芯動態(tài)特性分析

3.1 閥口壓差對閥芯動態(tài)特性的影響

1) 閥芯熱特性分析

當(dāng)節(jié)流槽數(shù)量為4，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置閥口壓差為5, 10, 15, 20, 25 MPa，得到了不同閥口壓差下閥芯的溫度場，如圖7所示。

圖7 不同閥口壓差下閥芯溫度分布云圖

結(jié)果表明，閥芯的最高溫度出現(xiàn)在第一節(jié)節(jié)流槽頂部與第二節(jié)節(jié)流槽交界處，這是因為流體流經(jīng)此處時，在節(jié)流槽的節(jié)流作用下，致使流體在此處流速急速變大。并且此處流場結(jié)構(gòu)劇烈變化，流體的方向發(fā)生改變，此時流體的黏性應(yīng)力為抵消這種變化而做功，將動能轉(zhuǎn)化為熱能。熱能聚集在第一節(jié)節(jié)流槽頂部與第二節(jié)節(jié)流槽交界處，致使其溫度升高。并且一部分熱能隨流體流出節(jié)流槽，在閥芯出口端位置，流體溫度高于閥芯溫度，因此其發(fā)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致閥芯出口端局部位置溫度升高。提取不同閥口壓差下閥芯的最大溫升，其擬合曲線如圖8所示。結(jié)果表明，隨著閥口壓差的增大，閥芯的最大溫升也隨之近似線性增大。

圖8 閥口壓差對閥芯最大溫升的影響

2) 閥芯變形分析

當(dāng)節(jié)流槽數(shù)量為4，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置閥口壓差為5, 10, 15, 20, 25 MPa，得到了不同閥口壓差下閥芯的應(yīng)變場，如圖9所示。

圖9 不同閥口壓差下閥芯變形量分布云圖

結(jié)果表明，閥芯的主要變形位置出現(xiàn)在節(jié)流槽附近，并且沿著進油口向兩邊延伸。其最大變形位置始終在第一節(jié)U形槽弧頂兩端，閥芯溫度最高處并不是閥芯最大變形處，這是因為流體對閥芯的沖擊也是影響閥芯變形的重要因素。由圖9可以得到閥芯在不同閥口壓差下的最大變形，其擬合曲線如圖10所示。結(jié)果表明，隨著閥口壓差的增大，閥芯的最大變形量近似呈線性增大。

3.2 節(jié)流槽數(shù)量對閥芯動態(tài)特性的影響

1) 閥芯熱特性分析

當(dāng)閥口壓差為15 MPa，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置節(jié)流槽數(shù)量N為2, 3, 4, 5, 6， 得到了不同節(jié)

圖10 閥口壓差對閥芯最大變形量的影響

圖11 不同節(jié)流槽數(shù)量下閥芯溫度分布云圖

流槽數(shù)量下閥芯的溫度場，如圖11所示。

結(jié)果表明，節(jié)流槽數(shù)量對閥芯最高溫度的位置沒有影響，閥芯最高溫度始終在第一節(jié)節(jié)流槽頂部與第二節(jié)節(jié)流槽交界處。另外，提取不同節(jié)流槽數(shù)量時閥芯的最大溫升，其擬合曲線如圖12所示，結(jié)果表明閥芯溫度受節(jié)流槽數(shù)量影響不大。

圖12 節(jié)流槽數(shù)量對閥芯最大溫升的影響

2) 閥芯變形分析

當(dāng)閥口壓差為15 MPa，閥口開度為2.5 mm時，分別設(shè)置節(jié)流槽數(shù)量N為2, 3, 4, 5, 6， 得到了不同節(jié)

圖13 不同節(jié)流槽數(shù)量下閥芯變形量分布云圖

流槽數(shù)量下閥芯的應(yīng)變場，如圖13所示。

結(jié)果表明，節(jié)流槽數(shù)量并不會影響閥芯的主要變形位置，其主要變形位置始終在節(jié)流槽附近。節(jié)流槽數(shù)量也并不會改變閥芯的最大變形位置。但在固定閥口壓差與閥口開度時，隨著節(jié)流槽數(shù)量的增加，閥芯的最大變形量也在變大。提取不同節(jié)流槽數(shù)量下閥芯最大變形量，如圖14所示。結(jié)果表明，閥芯最大變形量與節(jié)流槽數(shù)量近似呈線性關(guān)系。

圖14 節(jié)流槽數(shù)量對閥芯最大變形量的影響

4 結(jié)論

基于計算流體力學(xué)建立了雙U形節(jié)流槽液壓滑閥多場耦合模型，分析了節(jié)流槽數(shù)量、閥口壓差對閥腔內(nèi)流體速度場、閥芯溫度場及閥芯應(yīng)變場動態(tài)特性的影響，通過對比分析，得到以下結(jié)論：

(1) 閥芯最高溫度始終在第一節(jié)節(jié)流槽頂部與第二節(jié)節(jié)流槽交界處；閥芯主要變形位置始終在節(jié)流槽附近，并且沿進油口向兩邊延伸。

(2) 當(dāng)節(jié)流槽數(shù)量一定時，隨著閥口壓差的增加，流體的最大流速變大，閥芯的最高溫度和最大變形量近似呈線性增大；閥口壓差的變化基本不會影響流體最大流速位置，閥芯最高溫度及最大變形位置。

(3) 當(dāng)保持閥口壓差一定時，隨著節(jié)流槽數(shù)量的增加，流體的最大流速以及閥芯的最高溫度沒有明顯變化；節(jié)流槽數(shù)量對閥芯變形的影響顯著，隨節(jié)流槽數(shù)量的增加，閥芯的最大變形量近似呈線性增大。

本研究詳細(xì)分析了液壓滑閥對于不同雙U形節(jié)流槽數(shù)量以及不同閥口壓差時流體的速度分布以及閥芯的溫度與應(yīng)變，對于減少滑閥的卡滯現(xiàn)象有重要意義。