葉片減振器比例控制閥動態特性仿真與實驗

　， ， 　 (．北京科技大學 機械工程學院， 北京　00083； ．北京理工大學 機械與車輛學院， 北京　0008)

引言

近年來，為了使車輛懸掛特性更加滿足路面和車輛運行狀態變化的要求，提高車輛的平順性和操縱穩定性，葉片減振器在車輛工程界受到了廣泛的重視，是當前比較有發展前途的一種半主動式可控液壓減振器[1,2]。圍繞葉片減振器已經開展了廣泛的阻尼特性研究，但是對于葉片減振器核心部件之一的比例控制閥的研究卻少見報道[3]。

本研究就是基于葉片減振器的比例控制閥，結合比例控制閥的結構特點，建立了比例控制閥的CFD模型，分析其流場分布，并對其動態特性進行分析，確定其流量與開口度及驅動電流的關系，最后通過比例控制閥的試驗驗證了分析結果的正確性。

1　比例控制閥的工作原理

比例控制閥在葉片減振器中的布置位置如圖1所示。比例控制閥是采用滑閥結構的二位二通比例控制閥。比例控制閥跨接在葉片減振器隔板兩側，形成一條面積可變，流量可控的油液通道。

圖1　比例控制閥在葉片減振器中的布置圖

減振器工作時，連接臂在車輪的帶動下沿減振器中心做半圓周運動， 帶動葉片在殼體和隔板圍成的工作腔中旋轉，工作液在葉片運動過程中，反復流經隔板的常通孔、比例控制閥以及減振器內部縫隙，由孔隙節流作用形成減振器的阻尼力。通過改變比例控制閥的驅動電流，從而改變比例控制閥的閥口開度，改變減振器節流通道，進而改變減振器的阻尼力大小，使車輛的懸掛特性滿足不同工況下的要求，提高車輛的平順性和操縱穩定性[4]。

2　比例控制閥流場的理論模型與數值仿真

2.1　比例控制閥流動的數學模型

1)流動的控制方程

假設工作油液不可壓縮，并考慮質量力的影響，則比例控制閥內部流場滿足的控制方程[5]：

不可壓縮流體的時均連續性方程：

(1)

紊流流動的雷諾控制方程為：

(2)

紊動能方程：

(3)

2)K-ε模型

工程中，對于不可壓縮紊流通常用K-ε模型來描述[6]。它是兩方程紊流模型，沿用了紊流渦黏性系數的概念，但渦黏性系數采用紊動能K和紊動能耗散率ε來確定。

(4)

比例控制閥的內部油道復雜，但其內油液流動滿足控制方程(1)～(3)，紊流運動用K-ε模型描述，下面通過建立有限元模型，對上述流動方程進行求解。

2.2　比例控制閥有限元模型

有限元仿真分析法被廣泛的應用在流場阻尼特性的分析中[7]。根據比例控制閥的流道結構特點，在ANSYS CFD中建立了比例控制閥3D流體模型。應用CFD分析的FLUID 141和FLUID 142單元，劃分網格，定義模型壓力入口，壓力出口，如圖2所示。

圖2　比例控制閥3D流體有限元模型

流體模型為三維定常不可壓黏性流動。ANSYS CFD中，紊流模型取工程中常用的標準K-ε方程。控制方程為雷諾方程、連續性方程、紊動能方程聯立。采用非耦合算法進行求解。工作油液為礦物基液壓油， 20 ℃時，工作油液密度ρ=890 kg/m3；熱導率λ=0.12 W/mK；比熱容C=1880 J/(kg·K)； 運動黏度：ν=1.04×10-5m2/s；設置操作壓強為1個大氣壓；在比例閥的入口、出口設置給定一組壓差Δp=2,3,4,5,6,7,10 MPa；進出口湍流強度為5；初始化流場進行數值模擬計算。所得結果如表2所示。

圖3為工作油液入口速度為30 m/s時，比例控制閥內部流體的壓強分布；圖4是此時比例控制閥內部的速度場矢量分布圖。可以看出在流道轉彎處，液體的流動明顯呈紊流分布隨著模型流動速度的提高這一趨勢更加明顯。

圖3　工作油液壓強分布

圖4　模型流體速度場分布

改變模型約束條件，使得模型出入口速度為已知，確定模型的壓差。圖5為流體模型速度壓差曲線，可以看出，隨著油液速度的增大，過閥流量增大，出入口壓差也在增大。

3　比例控制閥動態特性分析

3.1　比例控制閥閥口開度-流量特性分析

比例控制閥通過改變閥芯的行程改變節流口的開度，從而改變通過比例控制閥的流量，改變整個葉片式液壓減振器的阻尼力，所以研究比例控制閥的閥口開度與其流量的關系至關重要。取模型出入口壓差為Δp=7 MPa，改變模型不同節流口開度，對其流量進行仿真，結果如圖6所示。可以看出，當電磁鐵不工作時，閥口開度x=4 mm，此時節流孔全開，油液的過閥流量最大；當電磁鐵通電電流最大時閥芯動作，閥口開度x=0 mm，此時節流孔全閉，過閥流量為零。

圖5　模型流體速度-壓差曲線

圖6　閥口開度-流量特性曲線

3.2　比例控制閥驅動電流-流量特性分析

結合閥口開度與過閥流量仿真數據，可得比例控制閥驅動電流與過閥流量特性曲線，如圖7所示。驅動電流與過閥流量近似線性，單調遞減。驅動電流最大的時候，節流口全閉，此時過閥流量為零；驅動電流最小的時候，節流口全開，此時過閥流量最大，并且所使用的比例控制閥滿足流量調節要求。

圖7　驅動電流-流量特性曲線

4　比例控制閥的實驗研究與驗證

4.1　比例控制閥試驗研究

為驗證所建有限元模型的正確性，并檢驗比例控制閥電控能力、壓差-流量特性、穩態流量控制特性等，以檢驗比例控制閥是否滿足葉片減振器的使用設計要求，開展了比例控制閥的實驗研究。所用實驗用儀器設備如表1所示。

表1　實驗用儀器設備

在控制電流為零時，給定一組壓差，測試各壓差時控制閥的流量值，即得比例控制閥的壓差-流量特性。在額定壓差下，比例電磁鐵輸入控制電流從0連續增加到1.5 A再連續減小到0過程中，記錄進出比例流量控制閥的流量，得到閥的輸出流量隨輸入控制電流變化曲線，即閥的穩態流量控制特性曲線。

4.2　數值仿真與試驗結果驗證

如表2所示，計算所得結果與比例控制閥的實驗結果比較吻合。但可以看出，在任意壓差時數值模擬解均大于試驗值，這是因為在比例控制閥試驗過程中實驗設備的壓降造成，導致實際流量較數值模擬解較小。因此，可以認為比例控制閥的數值模擬解是可信的，而且比較準確，也進一步驗證了有限元模型的準確性。

表2　比例控制最大模擬流量值對比

二者對比曲線如圖8示，從圖中可以看出，隨著壓差的增大，比例閥的流動速度增大，過流流量也增大。

圖8　工作油液壓強分布

5　結論

基于葉片減振器比例控制閥的工作環境，對比例控制閥的工作原理進行了介紹。接著對比例控制閥的內部流場進行了數值仿真分析，研究了具有復雜流道結構比例閥的內部流場壓強、速度分布，及不同壓差下的過閥流量，并得到試驗結果的驗證，為葉片減振器的阻尼特性分析奠定了基礎。并得到了閥口開度與過閥流量的特性以及驅動電流與過閥流量的特性，為葉片減振器半主動懸掛控制系統的設計與研究奠定了基礎。

參考文獻：

[1]王文瑞，顧亮，陳兵.車輛智能懸架發展的研究[J]. 北京汽車,2005,(8):12-16.

[2]王榮本,李兵，施樹明，李斌.世界智能車輛研究概述[J].公路交通科技,2001,(5):93-97.

[3]王文瑞,顧亮,王國麗,李強.可控葉片式減振器的阻尼特性分析[J].液壓與氣動,2008,(7):35-38.

[4]王文瑞,閆曉強,顧亮.可控葉片式減振器的阻尼特性分析[J].農業機械學報,2014,45(4):8-13.

[5]張鳴遠,景思睿,李國君.高等工程流體力學[M]. 西安：西安交通大學出版社,2006.

[6]Kalitzin G,et al. Application of Two-equation Turbulence Models in Aircraft Design [R]. AIAA Paper 96-0327, USA. American Institute of Aeronautics and Astronautics,1996.

[7]賀李平,顧亮,龍凱,肖介平.基于流—固耦合的汽車減振器動態特性仿真分析[J].機械工程學報,2012,48(13):96-101.