水液壓節(jié)流閥精細(xì)調(diào)節(jié)閥口設(shè)計(jì)與仿真分析

張?jiān)雒?，?勇，王 旭，侯交義，弓永軍

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

引言

水液壓技術(shù)以天然海水或淡水為工作介質(zhì)，有著生態(tài)環(huán)保、綠色衛(wèi)生、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[1]。水液壓技術(shù)也憑借其資源和成本優(yōu)勢在工程機(jī)械、海洋開發(fā)、新能源利用等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[2]。相比于成熟的油液壓技術(shù)，水液壓技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，加之水介質(zhì)特殊的理化性質(zhì)，水液壓技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究發(fā)展[3]。水壓閥作為水液壓技術(shù)的關(guān)鍵元件，其工作性能會(huì)直接影響水液壓系統(tǒng)的工作效果[4]。水壓節(jié)流閥是水壓閥的關(guān)鍵組成部分，對其進(jìn)行研究也對水液壓系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義[5]。傳統(tǒng)的水液壓節(jié)流閥的閥口形式通常為球閥式或錐閥式，有著較好密封性的同時(shí)存在著流量分辨率低、閥口特性線性度差等缺點(diǎn)[6]。常見的閥口節(jié)流槽形式有U形槽、 V形槽和K形槽，組合型節(jié)流槽形式主要有U+U形節(jié)流槽、U+V形節(jié)流槽以及U+K形節(jié)流槽[7-8]。非典型的節(jié)流槽形式主要有三角形非全周開口槽和斜三角形非全周開口槽[9]。類似于傳統(tǒng)水液壓節(jié)流閥的閥口形式，這些節(jié)流槽形式通常也有著閥口特性線性度低，流量分辨率差的缺點(diǎn)。為滿足日益增長的水液壓技術(shù)發(fā)展需要，設(shè)計(jì)一種具有高流量分辨率和高線性度閥口特性的節(jié)流閥口形式顯得尤為重要。

1 閥口形式設(shè)計(jì)與節(jié)流原理

設(shè)計(jì)了一種由1個(gè)空心圓柱閥套和1個(gè)開設(shè)有均勻布置高精度切槽的滑閥閥芯構(gòu)成的閥口形式?？紤]到閥芯的力學(xué)性能，切槽沿周向均勻布置以平衡流體介質(zhì)對閥芯產(chǎn)生的徑向力。如圖1所示，切槽由等深切槽和斜面切槽兩部分構(gòu)成，節(jié)流區(qū)域由斜面切槽與閥套配合形成，隨著閥口開度x的變化，閥口的通流能力隨之發(fā)生變化。在所研究的閥口形式中，閥芯直徑d為9 mm，切槽深度h為1.5 mm，切槽寬度w為2 mm，斜面切槽的軸向長度l為15 mm。閥芯最大設(shè)計(jì)行程為15 mm，并且可以通過更改斜面切槽的軸向長度對閥芯行程進(jìn)行調(diào)整，可見相較于其他閥口形式，該閥口形式具有較大的閥芯行程。

圖1 節(jié)流閥口結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于理論計(jì)算，將閥口的節(jié)流區(qū)域等效為節(jié)流面進(jìn)行分析。圖1中虛線內(nèi)局部放大部分即為該閥口的等效節(jié)流面。為了便于等效節(jié)流面積的計(jì)算，特繪制閥套與等深切槽的配合截面如圖2所示，圖中虛線和陰影部分為方便計(jì)算所添加的輔助線和輔助面。圖中陰影部分的面積可由式(1)計(jì)算得出，等效節(jié)流面積可由式(2)計(jì)算得出：

圖2 閥芯閥套配合截面

(1)

式中，As—— 陰影部分面積，得7.38×10-8m2

θ1—— 輔助線與豎直方向的夾角

S=(wxtanθ2-As)cosθ2

(2)

式中，S—— 等效節(jié)流面積

θ2—— 切槽平面與切槽斜面夾角

值得注意的是，由于閥芯為圓柱型，所以閥口等效節(jié)流面的形狀并不是矩形，其與閥套接觸部分為圓弧形。這導(dǎo)致了在閥口開度小于1.1 mm時(shí)，等效節(jié)流面的寬度會(huì)隨著閥口開度的減小而減小，等效節(jié)流面積與閥口開度不是線性關(guān)系?？紤]到該現(xiàn)象對整體計(jì)算的影響較小，且閥口開度小于1.1 mm時(shí)實(shí)際等效節(jié)流面積的計(jì)算十分復(fù)雜，在式(2)中對等效節(jié)流面積的計(jì)算進(jìn)行了簡化處理。當(dāng)閥口開度大于1.1 mm時(shí)，等效節(jié)流面積隨著閥口開度的增大而線性增大，可知在閥口開度大于1.1 mm時(shí)，該閥口形式具有高線性度的閥口特性。

2 閥口CFD仿真分析

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

共計(jì)建立閥口開度分別為1～10 mm的10個(gè)閥口流場模型，考慮到仿真效率，所建立的模型均為單個(gè)切槽情況下的閥口流場。利用COMSOL軟件內(nèi)置的網(wǎng)格劃分模塊對流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對網(wǎng)格進(jìn)行了角細(xì)化、邊界層和關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格加密等處理。以閥口開度為7 mm的流場模型為例，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，完整網(wǎng)格包含224673個(gè)域單元、14538個(gè)邊界元和824個(gè)邊單元，劃分的網(wǎng)格中最小單元質(zhì)量為6.23×10-5，平均單元質(zhì)量為0.71，符合仿真要求。

圖3 節(jié)流閥口流場模型

2.2 CFD仿真設(shè)置

創(chuàng)建網(wǎng)格模型后，需要對其他仿真參數(shù)進(jìn)行定義，方法如下：

(1) 流體參數(shù)：介質(zhì)設(shè)置為水，溫度為20 ℃，密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.01×10-3Pas。

(2) 邊界條件：系統(tǒng)的邊界條件設(shè)置為壓力入口加壓力出口型，入口壓力分別設(shè)置為1.5，2.5，3.5，4.5 MPa，出口壓力設(shè)置為恒值0.5 MPa，即該系統(tǒng)的出入口壓差為1，2 ，3，4 MPa 4種情況。

(3) 仿真模型：仿真流場內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，考慮到CFD仿真的效率和準(zhǔn)確性，仿真模型選擇為k-ε湍流模型。

2.3 面積分計(jì)算流量和閥芯所受液體軸向力

在流場模型的入口處對流體的速度沿垂直于入口表面方向的投影進(jìn)行表面積分，可得到單個(gè)切槽情況下進(jìn)出流場的流量，該計(jì)算可表示為：

(3)

式中，Q—— 進(jìn)出流場的流量

A—— 流場的入口面積

v·nx—— 流體的流速沿垂直于入口表面方向的投影

對流場模型的左端面與切槽斜面上的流體壓力沿軸向方向的投影進(jìn)行表面積分，可得到單個(gè)切槽的閥芯所受到的液體軸向力，該計(jì)算可表示為：

(4)

式中，F(xiàn)—— 液體軸向力

A1—— 流場模型左端面面積

A2—— 切槽斜面面積

p·nz—— 流體壓力沿軸向的投影

3 仿真結(jié)果分析

共計(jì)進(jìn)行了閥口開度為1～10 mm的10組仿真，以閥口開度為7 mm，進(jìn)出口壓差為3 MPa的計(jì)算為例，仿真所得到的壓力云圖和速度云圖如圖4所示。分析圖像可知，流場內(nèi)最大壓力為3.5 MPa，發(fā)生在流場入口處，最小壓力為0.5 MPa，發(fā)生在流場出口處，流體的壓力沿著流體的流動(dòng)方向逐漸降低。在斜面切槽區(qū)域內(nèi)流場出口的上游部分，液體通流面積隨著切槽深度的減小而減小，液體的流動(dòng)速度也隨之增大，并在出口處達(dá)到最大值，約為70 m/s。在斜面切槽區(qū)域內(nèi)流場出口的下游部分，存在著一個(gè)低速高壓區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的液體流動(dòng)速度小于10 m/s，壓力約為2.5 MPa，該區(qū)域的存在主要會(huì)影響閥芯所受的液體軸向力。

圖4 流場仿真壓力云圖和速度云圖

將仿真結(jié)果按照式(3)和式(4)進(jìn)行面積分處理，可以得出在不同出入口壓差條件下，流場流量和單個(gè)切槽閥芯所受液體軸向力隨閥口開度的變化曲線。

為了方便對流場的流量進(jìn)行理論分析，將等效節(jié)流面積S計(jì)算式(2)帶入薄壁小孔流量計(jì)算公式，得到該閥口形式的理論流量計(jì)算式：

(5)

式中，Cd—— 閥口流量系數(shù)，取0.9

Δp—— 出入口壓差

ρ—— 流體密度，取998.2 kg/m3

在不同壓差條件下，通過流場仿真得到流量隨閥口開度變化的曲線，對比由式(5)計(jì)算得到的流量曲線，如圖5所示。流場的流量隨著閥口開度和進(jìn)出口壓差的增大而增大。理論計(jì)算流量隨閥口開度的變化完全是線性的，仿真計(jì)算曲線可以與理論計(jì)算曲線較好地貼合，說明該閥口形式具有高線性度的閥口特性。另一方面，由圖像可知，流場流量的大小隨著閥口開度和壓差的變化存在著明顯的變化，可見該閥口形式具有高流量分辨率的特點(diǎn)。值得注意的是，在閥口開度小于1.1 mm時(shí)仿真曲線與理論計(jì)算曲線存在著一定的偏差，這是由于式(2)對小閥口開度時(shí)閥口等效節(jié)流面積的簡化處理，致使式(5)并不能準(zhǔn)確地計(jì)算閥口開度小于1.1 mm時(shí)的流場流量所導(dǎo)致的。

圖5 流量仿真及公式計(jì)算結(jié)果曲線

在不同壓差條件下，通過流場仿真得到單個(gè)切槽閥芯所受液體軸向力隨閥口開度變化的曲線，如圖6所示。在該閥口形式下，閥芯所受的液體軸向力隨著出入口壓差的增大而增大，在仿真所選取的研究范圍內(nèi)，單個(gè)切槽閥芯所承受的最大液體軸向力約為5.5 N?？梢娫撻y口形式閥芯所受的液體軸向力小，該閥口形式具有良好的力學(xué)性能。

圖6 軸向力仿真結(jié)果曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型的非全周開口滑閥閥芯及其節(jié)流閥口形式，并對其進(jìn)行了CFD仿真分析和理論流量計(jì)算式的推導(dǎo)，重點(diǎn)研究了在該閥口形式下，不同出入口壓差條件下的流體流量隨閥口開度變化的情況，以及閥芯所受到的液體軸向力的情況。進(jìn)一步通過仿真結(jié)果與理論計(jì)算對比分析的方法，驗(yàn)證了流體流量隨閥口開度變化的線性度。仿真試驗(yàn)和理論分析表明，當(dāng)閥口開度大于1.1 mm時(shí)，該閥口形式具有高線性度的閥口特性。此外，該閥口形式還具有閥芯行程大、流量分辨率高以及閥芯所受液體軸向力小等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步研發(fā)高性能的水液壓節(jié)流閥奠定了基礎(chǔ)。