先導(dǎo)式比例方向閥流熱固耦合仿真分析

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250102； 2.山東大學(xué) 海洋研究院，山東 青島 266237)

引言

液壓閥作為液壓元件中的基礎(chǔ)元件，被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)，其技術(shù)水平與性能的好壞，直接關(guān)系著液壓系統(tǒng)整體性能和質(zhì)量的好壞。先導(dǎo)式比例方向閥是液壓閥的一種，控制精度高、響應(yīng)速度快，能精確實(shí)現(xiàn)流量的方向和比例控制，提升其性能對于電液比例系統(tǒng)的高精度控制及整體性能提高有著重要的意義[1]。先導(dǎo)式比例方向閥在使用過程中常出現(xiàn)閥芯卡緊、卡死和泄漏等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，最主要的原因是油液流經(jīng)節(jié)流槽口產(chǎn)生節(jié)流溫升導(dǎo)致閥芯受熱膨脹變形[2]。因此，對先導(dǎo)式比例方向閥進(jìn)行流熱固耦合分析，進(jìn)行溫度場的熱特性以及閥芯閥體的熱變形研究是很有意義的，可為其優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

先導(dǎo)式比例方向閥是滑閥的一種，一般來說，對于閥內(nèi)實(shí)際復(fù)雜的流動情況，用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)計算公式準(zhǔn)確地計算出不同復(fù)雜情況下的液壓節(jié)流閥熱變形量是不大現(xiàn)實(shí)的，但是隨著計算流體力學(xué)(CFD)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了液壓閥流體流場的可視化分析，國內(nèi)外研究人員以此為依托從不同角度進(jìn)行了研究。金瑤蘭等[3]對射流管伺服閥滑閥進(jìn)行靜力學(xué)分析以及AMESim仿真分析，探究在不同工況下，形變對滑閥性能產(chǎn)生的影響。董堰凱等[4]運(yùn)用Fluent軟件對V形節(jié)流槽滑閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，主要研究節(jié)流槽的深度和夾角以及槽與閥體對稱面的偏轉(zhuǎn)角對閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動力以及閥口流量特性的影響。張鑫等[5]為解決液壓滑閥工作時產(chǎn)生的閥芯卡滯以及磨損嚴(yán)重問題，對雙U形節(jié)流槽液壓滑閥建模，分析探究閥口壓差以及節(jié)流槽數(shù)量對閥腔內(nèi)應(yīng)變場、速度場以及溫度場的影響，為閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。王志良[6]對液壓換向閥閥芯卡緊進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決措施，包括加工工藝、污染卡緊等，但沒有對閥芯受熱卡緊進(jìn)行分析。

眾多學(xué)者針對滑閥的溫度特性以及多場耦合問題開展研究工作。陳曉明等[7]針對滑閥工作時，因黏性加熱而產(chǎn)生閥芯熱卡緊現(xiàn)象進(jìn)行研究，運(yùn)用COMSOL軟件對滑閥內(nèi)的流熱固耦合場進(jìn)行數(shù)值分析與計算，有助于改善滑閥控制特性。張順鋒等[8]采用基于動網(wǎng)格的流熱固耦合分析方法，對滑閥開啟過程進(jìn)行數(shù)值計算。馬勇等[9]為解決閥門失效問題，對滑閥閥門組件以及閥內(nèi)組件進(jìn)行流固耦合分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。黃浩等[10]對比例多路閥進(jìn)行流場分析，針對閥芯的空化現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)使用 Workbench流固耦合技術(shù)進(jìn)行分析。胡林華等[11]針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高壓大流量的多路閥容易發(fā)生閥芯卡滯現(xiàn)象進(jìn)行研究，使用ADINA有限元分析軟件建立閥芯與流道模型，進(jìn)行流固熱耦合分析。

本研究對先導(dǎo)式比例方向閥進(jìn)行建模，利用基于CFD的流體仿真分析方法，探究其在不同壓差下的溫度場分布以及閥芯與閥體的變形情況。為先導(dǎo)式比例方向閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計或改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 節(jié)流溫升和熱變形分析

1.1 節(jié)流溫升分析

當(dāng)油液通過先導(dǎo)式比例方向閥節(jié)流槽口時，由于節(jié)流槽口處過流面積突然減小造成油液速度快速增大，油液流動情況發(fā)生變化，同時，液壓油液分子間的黏性應(yīng)力會產(chǎn)生抵制脈動變化增大的反作用功，紊流動能轉(zhuǎn)變成熱能而被消耗掉，在又窄又長的節(jié)流槽口處，油液黏度和漩渦的存在導(dǎo)致油液的溫度無法迅速下降，造成節(jié)流槽口處油液溫度快速升高，同時在工作環(huán)境、液壓油溫升等共同作用下，閥腔里產(chǎn)生較大的溫度變化，從而產(chǎn)生較大的熱變形量。

1.2 熱變形分析

由于先導(dǎo)式比例方向閥的主閥常用于大流量、中高壓的液壓系統(tǒng)中，溫度對其工作的影響是至關(guān)重要的，當(dāng)閥的工作溫度處于正常工作范圍時，液壓閥能夠保證閥體與閥芯間的正常配合尺寸，不會產(chǎn)生損壞或失效；但當(dāng)流體溫度急劇變化后，閥中的零部件尤其是閥芯和閥體會因過熱而膨脹，使得閥芯閥體發(fā)生熱變形，破壞其原有的正常配合間隙。若配合間隙變大會直接造成泄漏量增大，若間隙變小將可能造成液壓閥卡緊或卡死，使系統(tǒng)不能正常工作。

總形變可以描述為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，εx,εy,εz分別為x，y，z3個方向正應(yīng)變；γyz,γxz,γxy分別為y-z，x-z，x-y3個平面內(nèi)的切應(yīng)變；σx，σy，σz分別為x，y，z3個方向正應(yīng)力；τyz，τxz，τxy分別為y-z，x-z，x-y3個平面內(nèi)的切應(yīng)力；ΔT為壁面溫升；α為材料熱變形系數(shù)；E為材料彈性模量；G為材料切變模量；μ為泊松比。

2 仿真模型建立

2.1 三維模型建立

利用三維軟件對先導(dǎo)式比例方向閥進(jìn)行三維建模，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。該閥由主閥1、中間閥2、先導(dǎo)閥3構(gòu)成，先導(dǎo)閥及主閥均為滑閥結(jié)構(gòu)?？紤]到先導(dǎo)式比例方向閥的特性，先導(dǎo)閥和中間閥均油液流量小、溫升小，而主閥油液流量大、工作壓力高、溫升大，主閥部分更容易出現(xiàn)熱變形而導(dǎo)致卡閥故障，故將主閥作為研究對象。

主閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，為非全周開口滑閥，即主閥閥芯是帶有三角形和矩形組合形狀節(jié)流槽的滑閥，左右對稱，且切槽個數(shù)成1∶1的比例關(guān)系。

2.2 主閥流場搭建及網(wǎng)格劃分

先導(dǎo)式比例方向閥主閥共有4個閥口，分別為P，A，B，T口，其具體流道結(jié)構(gòu)如圖3所示，使用ANSYS Fluent前處理軟件Design Modeler進(jìn)行流場抽取，忽略彈簧、螺釘、螺栓、凸臺、凹槽等結(jié)構(gòu)，對主閥流道進(jìn)行抽取。

為了便于探究主閥的內(nèi)部流場以及減少計算量、方便求解，對其流場進(jìn)行小幅度簡化處理，處理后的最終流場如圖4所示。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，需綜合考慮劃分網(wǎng)格所需時間、計算量以及精確度。網(wǎng)格的質(zhì)量對計算的精度和穩(wěn)定性有直接的影響，故網(wǎng)格劃分在CFD前處理過程中至關(guān)重要。綜合考慮，對于該流場，選擇四面體網(wǎng)格劃分方法，對閥口節(jié)流槽、出口處這些流體速度變化大、壓力損失高且對結(jié)果影響較大的地方進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格大小設(shè)為0.9 mm；對于其他流速等變化不大的區(qū)域，為了減少計算量，設(shè)置網(wǎng)格大小為2 mm，主閥流場網(wǎng)格劃分如圖5所示。

3 仿真設(shè)置

3.1 理想化假設(shè)

在進(jìn)行仿真前，做以下假設(shè)：

(1) 閥芯及閥體之間配合和密封良好，內(nèi)泄漏小，不考慮控制腔的影響；

(2) 液壓油為理想牛頓液體，即油液不可壓縮；

(3) 油液黏度不隨溫度而變化；

(4) 流體域的出入口流量分布和負(fù)載分布為均勻分布，且不隨時間發(fā)生變化。

3.2 介質(zhì)屬性及邊界條件

采用ANSYS進(jìn)行的流熱固耦合分析，忽略壁面粗糙度對沖蝕磨損的影響及閥的形變對閥的流場產(chǎn)生的影響，所需的液壓油、閥芯、閥體參數(shù)分別如表1、表2所示。邊界條件為進(jìn)出口壓力邊界條件，在閥口開度為5 mm的情況下，考慮到該閥的最大工作壓力為35 MPa，選取入口P口壓力分別為10, 15, 20, 25, 30, 35 MPa，出口T口壓力為0 MPa條件下進(jìn)行流熱固耦合分析。

表1 液壓油參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulic oil

表2 閥芯、閥體材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of valve spool, body

3.3 求解器設(shè)置

求解器中基于壓力基求解，速度公式為絕對方法，并考慮重力影響。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)條件，固定壁面：無滑移，閥口開啟時，油液流通狀態(tài)為湍流狀態(tài)，選擇Realizablek-ε湍流模型來計算。打開黏性溫升(Viscous Heating)選項(xiàng)，同時激活能量方程(Energy Equation)選項(xiàng)，在計算資源足夠的情況下選Coulped方法縮短計算時間，并選用二階迎風(fēng)差分格式提高計算精度。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 流體溫度場分析

在分析不同條件下閥的熱變形情況前，需要先對閥的溫度場分布進(jìn)行定性分析。在入口壓力為25 MPa的情況下，主閥閥芯溫度分布的仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，主閥閥芯溫度分布極不均勻，溫度較高的部位基本都集中在主閥閥芯的節(jié)流槽口處，且三角形節(jié)流槽口1部位的溫度與矩形節(jié)流槽口2的溫度也有較大差距，主閥閥芯最高溫度出現(xiàn)在三角形節(jié)流槽口的頂尖部位，三角形節(jié)流槽口溫升高于矩形節(jié)流槽口。

在閥口開度一定條件下，不同壓差Δp對應(yīng)的閥芯最高溫度和閥體最高溫度值如表3所示。且由仿真結(jié)果可知，在閥口開度一定的情況下，壓差增大，油液流量增大，對應(yīng)油液流速增大，閥芯和閥體的最高溫度T1，T2均升高，且主閥芯最高溫度出現(xiàn)的位置不隨著壓差的變化而改變。

整理表3得出閥芯最高溫度與壓差的變化關(guān)系圖以及閥體最高溫度與壓差的變化關(guān)系圖，如圖7、圖8所示。

圖9是先導(dǎo)式比例方向閥在閥芯開口5 mm，入口壓力為25 MPa下的油液流速分布云圖，取1個節(jié)流槽口分析，將節(jié)流槽口處分為C1，C2，C3，D1，D2，D3，6個主要區(qū)域。液壓油通過C3進(jìn)入節(jié)流槽口時，由于槽口面積突然減小，導(dǎo)致流速提高，將流速開始提高的區(qū)域定義為D3；油液繼續(xù)流動，到達(dá)C2區(qū)域，在該區(qū)域中，逐漸出現(xiàn)高射速流，最高流速便出現(xiàn)在該區(qū)域中，較大的速度梯度使得黏性力做功產(chǎn)生熱量，其中一部分熱量通過流體與固體間的對流換熱使得閥芯節(jié)流口局部溫度升高。為了便于區(qū)分，將該區(qū)域定義為D2區(qū)，油液接著流動，流入D1區(qū)域，該區(qū)域過流面積不斷增大，油液流速逐漸減慢。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在開口一定及其他條件相同的的情況下，隨著壓差的增大，節(jié)流槽口附近的流速逐漸增大，且區(qū)域也不斷增大，但是位置并沒有改變。

根據(jù)圖10壓力分布云圖可知，節(jié)流槽口B處局部壓力損失比較大，局部壓力損失導(dǎo)致流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，顯然閥內(nèi)溫度較高的部位都應(yīng)集中在主閥芯節(jié)流槽口位置附近。

如圖11為先導(dǎo)式比例方向閥的流場速度跡線圖，圖中顯示在閥內(nèi)的拐角處有局部漩渦產(chǎn)生，由于在該處流體的流動方向以及速度被迫改變，從而造成局部壓力損失，導(dǎo)致局部溫升的產(chǎn)生。

4.2 閥芯和閥體熱變形分析

閥芯和閥體受熱膨脹發(fā)生形變，兩者的徑向變形可能會破壞原有的配合間隙，造成閥無法正常工作，因此主要分析閥芯、閥體的徑向變形量大小。同樣以入口壓力為25 MPa為例，閥芯和閥體熱變形結(jié)果如圖12所示。

閥芯和閥體在多物理場的耦合作用下均會發(fā)生一定的膨脹變形，變形主要集中在閥芯的節(jié)流槽口處，與預(yù)期結(jié)果基本一致。

為了更直觀地分析在多物理場下不同壓差時，閥芯和閥體的綜合變形規(guī)律，列出其配合面變形情況如表4所示，根據(jù)表格數(shù)據(jù)畫出相應(yīng)的曲線圖，如圖13所示。

表4 閥芯和閥體配合面變形情況Tab.4 Mating surface deformation of valve core and body

根據(jù)仿真結(jié)果可知，隨著入口壓力的增加，先導(dǎo)式比例方向閥閥芯和閥體的徑向形變量最大值也隨之增大，總體上基本呈正相關(guān)趨勢。閥芯的最大變形量總是大于閥體的最大變形量，且兩者之間的差值也隨著壓差的增大而增大，因此兩者配合面的間隙隨著壓差的增大而逐漸減小，在最大工作壓力時，間隙最大減小了8.86 μm。對于液壓閥而言，當(dāng)閥芯直徑大于20 mm時，閥芯與閥體之間的配合間隙一般為0.015～0.025 mm，因此，此先導(dǎo)式比例方向閥的間隙改變量最大時，閥芯與閥體間仍存在空間余量，不會造成閥芯卡緊或卡死現(xiàn)象，先導(dǎo)式比例方向閥仍能正常工作。

4.3 優(yōu)化分析

通過先導(dǎo)式比例方向閥溫度場的仿真結(jié)果，對比閥芯三角節(jié)流槽口1和矩形節(jié)流槽口2的溫升可以看出，三角節(jié)流槽口的溫升高于矩形節(jié)流槽口的溫升，由圖2b三角節(jié)流槽口局部放大圖可知，三角節(jié)流槽口呈階梯狀分布，形狀復(fù)雜，坡度較陡，而矩形節(jié)流槽口相對而言，坡度較小，過渡緩和，速度梯度相對較小，因而壓力損失較少，導(dǎo)致矩形節(jié)流槽口2的溫升相對三角節(jié)流槽口1小。因此，在設(shè)計閥芯時要綜合考慮節(jié)流口的形狀，例如將節(jié)流槽口坡度減小或者換用其他形狀節(jié)流槽口以減小節(jié)流口處的速度梯度，降低局部溫升。

再者，閥內(nèi)部的拐角處也易產(chǎn)生由于流體的流動方向以及速度被迫改變的漩渦，造成壓力損失，進(jìn)而造成溫升現(xiàn)象，因此，在設(shè)計閥體時，在兼顧加工成本的同時，盡量減少拐角的數(shù)量，使流體過渡盡量平緩。

由先導(dǎo)式比例方向閥熱變形的仿真結(jié)果可以看出，在閥口開度一定的情況下，隨著進(jìn)出口壓差的增大，閥芯和閥體的熱變形均隨之增大，而閥芯的形變幅度大于閥體的形變幅度。在設(shè)計先導(dǎo)式比例方向閥時，要考慮其閥芯和閥體之間的配合間隙以避免熱變形造成的卡緊、卡死或泄漏的情況，為閥芯閥體的設(shè)計提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論

本研究通過對先導(dǎo)式比例方向閥的基于CFD的流熱固耦合仿真，對閥芯和閥體的溫度場分布和變形結(jié)果進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

(1) 其溫升分布主要集中在閥芯節(jié)流槽口處，且受節(jié)流口形狀的影響，溫升的高低與流體流過節(jié)流口的速度梯度有關(guān)，速度梯度越大，局部壓損越大，黏性力產(chǎn)生的熱量也越多。在進(jìn)行先導(dǎo)式比例方向閥設(shè)計時，要慎重綜合考慮節(jié)流口的形狀；

(2) 在閥口開度一定，壓差不同的情況下，閥芯和閥體的徑向熱變形都隨著壓差的增大而不斷增大，總體呈正相關(guān)趨勢。閥芯的熱變形總是大于閥體的熱變形，因此兩者之間的配合間隙在設(shè)計時需要考慮熱變形影響，避免出現(xiàn)卡緊、卡死和泄漏；

(3) 在設(shè)計先導(dǎo)式比例方向閥的相關(guān)結(jié)構(gòu)考慮穩(wěn)態(tài)熱變形的影響時，均可將本研究所述的多物理場耦合方法仿真結(jié)果作為設(shè)計參考依據(jù)，以節(jié)約成本。