液壓閥非全周開口滑閥三維流場仿真分析

液壓閥非全周開口滑閥三維流場仿真分析

0非全周開口滑閥的液動力特性液壓閥性能的重要因素之一是，它不僅決定了交換阻力，還決定了閥的精確控制。許多學(xué)者對液壓閥液動力開展了研究,路甬祥等對二通插裝閥的液動力進(jìn)行了試驗研究和理論分析。曹秉剛對內(nèi)流式錐閥液動力進(jìn)行了理論分析、流場仿真及試驗研究。文獻(xiàn)對一種直接驅(qū)動的伺服閥液動力進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)應(yīng)用CFD技術(shù)采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)估算先導(dǎo)級錐閥的瞬態(tài)液動力。非全周開口滑閥是液壓閥基本結(jié)構(gòu)形式之一,即在滑閥凸肩圓周上均布不同形狀的小槽及其組合形式,如三角槽、矩形糟和半圓槽等,一般用于節(jié)流控制,有比例、伺服和手動等控制方式。由于非全周開口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在閥芯移動時其閥口節(jié)流面位置形狀、流束射流角都會變化,因此用于預(yù)測計算全周開口滑閥和錐閥的流量,液動力理論公式不能直接適用。液動力本質(zhì)上是流體運(yùn)動所造成的閥芯壁面壓力分布發(fā)生變化而產(chǎn)生的,一般利用動量定理分析計算液動力,而從流場分析入手是直接的計算方法。針對兩種典型節(jié)流槽形式的滑閥進(jìn)行了流場仿真分析,獲得了不同流動方向全開度下的液動力、壓力流量特性曲線,與試驗測量結(jié)果吻合良好;并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了比較分析;研究表明流場仿真預(yù)測液壓閥的液動力、壓力流量特性具有很高的精度,流動方向改變時液動力的方向也會發(fā)生變化,研究結(jié)果對于非全周開口滑閥的優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。1流道幾何模型非全周開口滑閥試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)流道結(jié)構(gòu)和U、V形兩種節(jié)流槽主要尺寸見圖1,單位為mm,閥芯凸肩上對稱分布兩個節(jié)流槽,試驗和流場計算中節(jié)流槽為上下放置,閥內(nèi)流道為三維對稱結(jié)構(gòu),圖1所示位置為流出節(jié)流槽位置(簡稱OUT)。流道幾何模型及計算網(wǎng)格如圖2所示,幾何模型僅略去了閥體沉割槽圓角,由于結(jié)構(gòu)對稱,只須對一半流道進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,閥口及其出口腔內(nèi)壓力、速度梯度很大,存在旋渦復(fù)雜流態(tài),采用局部網(wǎng)格細(xì)化。進(jìn)口及閥口前區(qū)域為高壓部分,壓力變化不大采用粗網(wǎng)格,以減少機(jī)時。2流場模擬結(jié)果分析2.1不同閥口開度對流束的影響圖3和圖4給出了部分閥口開度下對稱截面上半部的速度矢量圖。流場仿真主要參數(shù):進(jìn)口壓力為20MPa,出口壓力為0.1MPa,油液密度ρ為889kg/m3,運(yùn)動粘度v為4×10-5m2/s,閥口開度單位為mm。圖3為U形節(jié)流槽的情況,隨著閥口開度增大射流角逐漸減小如圖3a所示;圖3b顯示了流入U形槽的流動情況,開度較小時,U形槽底面導(dǎo)流的作用使流束在閥腔沿水平方向流動,流束在閥腔有擴(kuò)散,隨著閥口開大,流束在閥腔內(nèi)的速度增大,并向閥芯軸線偏斜,開度為5mm時,流束沖擊閥芯右側(cè)壁面,然后沿徑向方向流出。圖4為V形槽的情況,流出節(jié)流槽時,隨著閥口開大,流束射流角減小,但變化不大,這是由于V形槽的導(dǎo)流作用,流束在閥口后部有擴(kuò)散;流入節(jié)流槽時,流束在V形槽的導(dǎo)流作用下,沿一定角度流入,在閥腔內(nèi)流束方向也逐漸向閥芯軸線偏移。2.2流量、液動力特性圖5給出了U、V形槽在進(jìn)口壓力為20MPa,出口為0.1MPa時的流場計算結(jié)果。圖5中下標(biāo)in、out表示流入、流出節(jié)流槽,anal表示理論分析。液動力的正負(fù)表示其方向,正值使閥口趨于開啟,負(fù)值使閥口趨于關(guān)閉。對于流出節(jié)流槽的情況,液動力總是趨于使閥口關(guān)閉。由于閥口面積特性不同,U、V形槽的流量、液動力特性有顯著區(qū)別。對于U形槽,流量在開度約大于2mm時趨于常數(shù),此時閥口面積為常數(shù)。2mm<x<4mm時液動力變化不大;在4mm以后,液動力增加很快,這是由于射流角迅速減小所致如圖3a。V形槽流量隨閥口開度近似成線性增加,射流角變化較小,液動力的增加主要是流量增加所致。隨流動方向不同,節(jié)流槽流量特性稍有差異。流入節(jié)流槽時,兩種節(jié)流槽的液動力變化規(guī)律基本相同,液動力數(shù)值較小(約小于20N),閥口開度在中間區(qū)段,液動力為正使閥口趨于打開,而在小開度和大開度時,液動力為負(fù)使閥口趨于關(guān)閉。U形槽的液動力在0.7mm<x<4.2mm區(qū)間使閥口趨于開大,在小開口(x<0.7mm)和大開口(x>4.2mm)時使閥口趨于關(guān)閉。V形槽在閥口開度很小時(x<1mm),液動力幾乎為零;在閥口大開度(x>5mm)時,液動力為負(fù),在中間區(qū)段,液動力為正,且近似不變。3閥穩(wěn)態(tài)液動力采用流體力學(xué)動量定理分析非全周開口滑閥穩(wěn)態(tài)液動力。控制體取閥芯左右壁面、節(jié)流槽壁面、閥芯中間桿壁面、閥體壁面和閥芯凸肩圓周壁面圍成,如圖6所示。3.1v形節(jié)流面積的確定由圖6可以寫出液動力動量公式為流出節(jié)流槽時,流入速度v1很小,可忽略流入動量,則其液動力公式可寫為式中Cd——流量系數(shù),取0.62A——流束離開控制體的過流面積由式(2)可見,理論計算液動力關(guān)鍵是確定射流角θ和面積A,此處射流角θ代入流場計算所得角度。過流面積近似用閥口等效面積代入,即忽略閥口流束擴(kuò)散引起的面積變化,由于閥口部位過流長度較小,誤差不大。下面推導(dǎo)過流面積如圖7所示,在閥芯凸肩上用90°的成形銑刀加工V形節(jié)流槽,可以看作圓錐面(刀具運(yùn)動軌跡)與圓柱面(閥芯凸肩)相貫而成。建立如圖7所示的直角坐標(biāo)系推導(dǎo)過流面積。節(jié)流槽相貫線方程為V形槽的底線方程為A2面積為相貫線在閥芯凸肩圓柱面所圍成的面積。其面積微元為以上即為V形節(jié)流槽過流面積的普遍適用的理論公式。代入具體數(shù)值:R=8mm,r=12.5mm,a=0.12mm,b=19.03mm。采用數(shù)值積分可以得出過流面積曲線,同理可以推出U形槽的面積如圖8所示。選取過流面積中最小的面積為等效閥口面積。流出節(jié)流槽的液動力計算結(jié)果繪于圖5。由圖5可知理論計算結(jié)果與流場仿真計算結(jié)果變化趨勢相同,量值上有10%左右的誤差。3.2流量傳流營造的液動力流入節(jié)流槽的控制體如圖6b所示,液動力計算公式為式(1)。流入速度v1并非是閥口處的流束射流速度,而是過流面積A2上的平均流速。由于面積A2比A1大的多(見圖8),所以其數(shù)值不大,加之入流角度θ1較大(見圖3b、圖4b),所以其流入動量在閥口開度較大時即公式第一項并不大;而流出動量的速度雖然因流束在閥腔的阻力及擴(kuò)散作用下,速度有一定降低,出流角度在閥口開度中間段較小(見圖3b和圖4b),所以流出動量可以比較大,其數(shù)值超過流入動量時,液動力將反向使閥口趨于開大,這就是在非全周開口滑閥的閥芯位移中間區(qū)段,液動力使閥口趨于打開的原因。閥口很小時,入流速度很大,式(1)可為正值,液動力使閥口趨于關(guān)閉;在閥口很大時,由于流束向閥芯偏移,出流角度θ2很大近似為90°,所以式(1)第二項很小,液動力同樣使閥口趨于關(guān)閉。為了檢驗以上的分析,對U形節(jié)流槽,閥口開度為3mm時,流入節(jié)流槽的液動力進(jìn)行具體計算。進(jìn)出口壓差為20MPa,流量qv=35L/min,A1=3.91mm2,A2=11.2mm2。射流角由流場計算確定見圖9。將具體數(shù)值代入式(1)可得:Ff=-14.2N,顯然流出動量大于流入動量,液動力方向使閥口趨于打開。其值與流場仿真的計算結(jié)果相差4N,這是由于部分流體并非沿θ2角度方向離開控制體。4流場試驗驗證試驗系統(tǒng)如圖10所示。試驗中設(shè)定調(diào)速閥流量為40L/min,閥組2上的溢流閥調(diào)為30MPa。油溫40℃。試驗中閥口開度變化間隔為0.1mm。圖11為流場計算與試驗結(jié)果的比較,U、V表示相應(yīng)的節(jié)流槽?？梢钥闯隽鲌鲇嬎愫驮囼灉y量結(jié)果吻合很好。U形槽在閥口開度接近全開口5mm時(大于4.5mm)和V形槽在開度接近6mm時,仿真計算與實測有較大的誤差。此處壓力低而流量大增,這是由于試驗中閥在全開口附近閥口已經(jīng)全部打開。5基于流場的液動力特性分析非全周開口滑閥由于射流角隨著閥口開度變化很大、閥口等效面積及流束出流面積無法準(zhǔn)確確定,由動量定理難以準(zhǔn)確計算液動力;流場仿真技術(shù)預(yù)測液動力是通過受力面的壓力積分獲得,對于復(fù)雜形狀液壓閥的液動力預(yù)測是有效的。通