鐵道車(chē)輛油壓減振器阻尼閥流場(chǎng)三維仿真分析*

丁問(wèn)司,巫輝燕,汪嬌嬌

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,廣東廣州510641)

油壓減振器是機(jī)車(chē)車(chē)輛走行系的重要部件,用于吸收和緩解軌道不平順引起的振動(dòng)和沖擊,其性能直接影響列車(chē)的平穩(wěn)性、舒適度。彈簧阻尼閥是實(shí)現(xiàn)阻尼力調(diào)整的關(guān)鍵部件,優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)提高減振器的工作特性及運(yùn)行可靠性有顯著影響。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程人員對(duì)阻尼閥的設(shè)計(jì)研究多集中于經(jīng)驗(yàn)公式和靜態(tài)計(jì)算,有關(guān)阻尼閥流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析方面的工作少見(jiàn)報(bào)道。本文運(yùn)用流體分析系統(tǒng)Ansys CFX,通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真揭示了彈簧阻尼閥芯局部流場(chǎng)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的復(fù)雜變化規(guī)律,為阻尼閥參數(shù)設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 油壓減振器阻尼閥工作原理

減振器在外力作用下作往復(fù)運(yùn)動(dòng),工作缸內(nèi)液壓油流經(jīng)阻尼閥時(shí)將產(chǎn)生壓力損失,使減振器產(chǎn)生阻尼力,同時(shí)將機(jī)車(chē)振動(dòng)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⒑纳?從而達(dá)到減振的目的。目前,國(guó)內(nèi)鐵道減振器大多為單作用缸形式,內(nèi)缸截面積為活塞桿截面積的2倍。導(dǎo)承上有如圖1所示的3個(gè)調(diào)節(jié)單元組成,用于調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。

圖1 阻尼調(diào)節(jié)單元的組成

各調(diào)節(jié)單元由調(diào)節(jié)彈簧螺蓋、調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)閥、閥套組成。調(diào)節(jié)單元1是減振器特性調(diào)節(jié)閥;調(diào)節(jié)單元2是阻尼調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)單元3是過(guò)載保護(hù)閥。對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟壓力設(shè)定關(guān)系為P3＜P2＜P1。

2 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

3個(gè)調(diào)節(jié)單元阻尼閥的開(kāi)啟壓力雖然不同,但是工作時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)有相似性,在此選擇調(diào)節(jié)單元2中阻尼閥來(lái)說(shuō)明其計(jì)算過(guò)程。

根據(jù)某型機(jī)車(chē)垂向減振器阻尼閥的實(shí)際參數(shù),在pro/E中建立閥體流場(chǎng)區(qū)域的 3維模型,并在Ansys ICEM中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,獲得模型及網(wǎng)格區(qū)域如圖2所示。

3 計(jì)算條件

計(jì)算中對(duì)流體特性和流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置如下:

活塞缸徑60 mm,回油腔壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。彈簧剛度為127 kN/m,壓縮量為1.7 mm。

減振器液壓油型號(hào) HSO7749C,密度為 872 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.027 9 Ns/m2。

油液流動(dòng)狀態(tài)為紊流,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型。流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面。進(jìn)出口邊界條件采用速度入口和壓力出口。

4 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

圖2 阻尼閥流道三維模型及其網(wǎng)格劃分

圖3 阻尼閥截面位置示意圖

圖4 活塞速度0.075 m/s時(shí)截面4壓力云圖

圖5 活塞速度0.075 m/s時(shí)截面3壓力云圖

為研究阻尼閥工作過(guò)程的各種性能,本文對(duì)油壓減振器在不同速度下的阻尼閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。當(dāng)減振器活塞速度小于0.04 m/s時(shí),調(diào)節(jié)單元2中阻尼閥不開(kāi)啟,其流道內(nèi)無(wú)油液流動(dòng),對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析沒(méi)有意義。給定減振器不同振動(dòng)速度0.075 m/s以及0.1 m/s,通過(guò)流量分配,可求出該阻尼閥的入口流量。由于阻尼閥屬軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),為使顯示結(jié)果清晰,選取了若干有代表性的截面進(jìn)行可視化分析,各截面位置如圖3所示。鑒于篇幅的限制,這里僅給出代表性截面上的壓力云圖和速度矢量圖,如圖4～圖12所示。

圖6 活塞速度0.075 m/s時(shí)截面4速度矢量圖

圖7 活塞速度0.075 m/s時(shí)截面3速度矢量圖

圖8 活塞速度0.1 m/s時(shí)截面4壓力云圖

圖9 活塞速度0.1 m/s時(shí)截面1壓力云圖

圖10 活塞速度0.1 m/s時(shí)截面2壓力云圖

圖11 活塞速度0.1 m/s時(shí)截面3壓力云圖

對(duì)比分析不同活塞速度下調(diào)整單元2中阻尼閥流道各關(guān)鍵截面的壓力云圖和速度矢量圖,可以得出阻尼閥內(nèi)部流場(chǎng)的分布特征:

(1)阻尼閥工作時(shí),油液通過(guò)阻尼孔流速激增,而壓力減小。

(2)流體從阻尼孔到達(dá)閥套環(huán)行槽上,由于油液射到閥體上而回流,造成壓力損失,導(dǎo)致環(huán)行槽上阻尼孔兩側(cè)出現(xiàn)低壓的現(xiàn)象。在阻尼孔和環(huán)行槽連通面的對(duì)面,出現(xiàn)流體對(duì)碰,將產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。

圖12 活塞速度0.1 m/s時(shí)截面1速度矢量圖

(3)活塞運(yùn)動(dòng)速度分別為0.075 m/s和0.1 m/s時(shí),壓力最大值分別為4.834 MPa和6.466 MPa,由此可得出該狀態(tài)下減振器阻尼力分別為6 850 N和9 175 N,這與該型減振器經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值6 877 N和9 773 N相接近。通過(guò)比較以上各圖,減振器不同運(yùn)動(dòng)速度下,阻尼閥流場(chǎng)壓力分布基本相同。

(4)在阻尼閥彈簧所在的調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔,各處壓力相差不大,油液流動(dòng)速度較小。當(dāng)流體通過(guò)內(nèi)閥體上孔以及內(nèi)外閥體間的間隙流向出口時(shí),油液碰到出口內(nèi)壁形成2次流,同時(shí)形成了一個(gè)低壓區(qū)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)減振器在不同運(yùn)動(dòng)速度下彈簧阻尼閥的3維流場(chǎng)仿真,可以實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)地觀察調(diào)節(jié)閥任何開(kāi)口度下內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況,以及不同活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)調(diào)節(jié)閥工作性能的影響,更好地了解調(diào)節(jié)閥不同工作狀態(tài)時(shí)流體的物理性能。分析結(jié)果有利于對(duì)阻尼閥流道的設(shè)計(jì)及改進(jìn),并可對(duì)調(diào)節(jié)閥、閥套、阻尼孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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