基于動網(wǎng)格的液壓錐閥動態(tài)特性研究

　, 　, , , (解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京　210007)

引言

液壓錐閥以其密封性好、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速等優(yōu)點在液壓元件中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在壓力控制和流量控制閥中，因此對于液壓錐閥的研究是一個熱點。但目前關(guān)于彈簧剛度對液壓錐閥動態(tài)特性影響的研究較少，通常僅考慮穩(wěn)態(tài)特性[1]。當前，利用流體力學相關(guān)原理對液壓閥的開啟過程進行分析越來越得到重視，文獻[2]、[3]在給定閥芯運動速度或固定閥口開度的前提下，對流體在液壓錐閥內(nèi)的流動狀態(tài)進行了可視化計算和研究，但液壓錐閥的開啟并不是一個勻速的過程，這就會造成一定的誤差；文獻[4]在給定入口壓力的前提下，討論了液壓錐閥結(jié)構(gòu)對動態(tài)性能的影響，但僅僅給出了閥芯位移隨時間的變化情況。針對上述問題，基于動網(wǎng)格技術(shù)，以流體軟件CFD-ACE+為技術(shù)平臺建立了液壓錐閥動態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型，得到了彈簧剛度對錐閥開啟過程動態(tài)特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果對于液壓錐閥的設(shè)計具有重要的借鑒意義。

1　三維數(shù)值模型的建立

1.1　動網(wǎng)格條件下的控制方程

動網(wǎng)格技術(shù)可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。在網(wǎng)格運動過程中，流場內(nèi)控制體將發(fā)生改變，一般采用積分形式來表示諸守恒方程[5]：

(1)

式中，φ為通用變量，代表u、v、p等；Γ為廣義擴散系數(shù)，代表μeff、μ+μt/σk、μ+μt/σε；Sφ為φ的源項；?V為控制體積V的邊界。

1.2　動網(wǎng)格生成方法

由于液壓錐閥啟閉過程中閥芯相對運動區(qū)域較小，本研究采用網(wǎng)格彈性變形技術(shù)生成動網(wǎng)格。在網(wǎng)格彈性變形過程中，將網(wǎng)格節(jié)點間的連線假想為連接節(jié)點的彈簧，初始網(wǎng)格的分布作為假想彈簧的平衡狀態(tài)，邊界網(wǎng)格點的位移使所有與之相連的連線產(chǎn)生相應(yīng)的彈性應(yīng)力。根據(jù)胡克定律，網(wǎng)格節(jié)點上的應(yīng)力可表示為：

(2)

1.3　幾何模型

借鑒文獻[6]歸納抽象出的具有共性的液壓錐閥作為研究對象，確定的結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。

圖1　液壓錐閥結(jié)構(gòu)

該錐閥內(nèi)流體的流動具有對稱性，為提高計算效率，只取流動區(qū)域的一半作為研究對象，建立的用于流體力學分析的幾何模型如圖2所示。

1.4　網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分直接影響到計算精度和效率，根據(jù)研究對象的特點，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用前處理軟件GEOM實現(xiàn)，為更好地捕捉閥口處流場，對閥口區(qū)域網(wǎng)格進行細化。在大量試算的基礎(chǔ)上確定了網(wǎng)格的數(shù)量為47222個，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2　液壓錐閥幾何模型

圖3　網(wǎng)格劃分

2　邊界條件與參數(shù)選取

根據(jù)液壓錐閥使用的一般工況，其邊界條件和參數(shù)設(shè)置如下：

入口條件：壓力入口，選取6.3 MPa；

出口條件：壓力出口，設(shè)為大氣壓；

液壓油：按VG46選取，密度ρ=885 kg/m3；運動黏度μ=46 mm2/s；由于液壓油壓縮性很小[7]，設(shè)為不可壓縮流體；

彈簧剛度：分別取100 N/mm、125 N/mm、150 N/mm、175 N/mm、200 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型；仿真步長為10-5s。

3　液壓錐閥動態(tài)特性分析

3.1　流量分析

對于液壓系統(tǒng)來說，流量特性尤為重要，直接影響執(zhí)行機構(gòu)的運動情況。通過仿真，得到液壓錐閥開啟過程中流量的變化情況，如圖4所示。

從圖4看出，在錐閥開啟過程中流量會有一定的波動，并且隨著彈簧剛度的增加波動幅度相應(yīng)減小。流量的不穩(wěn)定會導致執(zhí)行機構(gòu)在錐閥開啟過程中的速度增加或減小，從而影響到液壓系統(tǒng)的性能。

圖4　閥芯開啟過程流量變化

實際工作中，液壓錐閥穩(wěn)態(tài)流量通常采用理論公式進行計算[4]：

(3)

將計算得到的理論值與仿真值進行比較，得到表1。

由表1可以看出，兩者變化趨勢一致，均是隨彈簧剛度的增加而減小；仿真計算結(jié)果與理論值存在誤差，這是由于理論計算所采用的流量系數(shù)一般通過經(jīng)驗得到，并不十分準確；同時，仿真計算結(jié)果與理論值誤差較小，這也證實了仿真的可靠性。

3.2　液動力分析

在入口壓力一定的前提下，彈簧剛度不同會使得閥口開度不同，導致閥芯所受的液動力不同，液動力反過來又會影響到閥芯的位移， 所以液動力和閥芯運動過程是相互影響的。在溢流閥中，穩(wěn)態(tài)液動力的存在也會增大錐閥的調(diào)壓偏差[8]。因此有必要對閥芯移動完畢的穩(wěn)態(tài)液動力和閥芯運動過程的瞬態(tài)液動力進行研究。

1) 穩(wěn)態(tài)液動力

穩(wěn)態(tài)液動力是指閥芯移動到平衡位置時，流體因動量改變而附加作用在閥芯上的力。穩(wěn)態(tài)液動力的理論計算公式為[8]：

F′=-ρQv1cosα

(4)

通過仿真得到的穩(wěn)態(tài)液動力Fw=F-F0。其中，F(xiàn)為液壓錐閥閥芯所受總力，F(xiàn)0為仿真得到的閥口靜壓力(F0=356 N)。仿真得到的穩(wěn)態(tài)液動力與理論值如表2所示。

由表2可知，隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的總流體力增加，這會增加閥芯所受的應(yīng)力；穩(wěn)態(tài)液動力均為負值，表明液動力的方向使得閥芯趨于閉合，利于閥芯的穩(wěn)定；隨著彈簧剛度的增加，閥芯受的穩(wěn)態(tài)液動力的絕對值變小，這是由于雖然隨著彈簧剛度增加導致液流在閥后的流速增加，但是液壓錐閥流量相應(yīng)減小。從表2還可看出，仿真值與理論值存在一定誤差，但在可以接受的范圍內(nèi)，這是由于在公式計算中使用半錐角代替節(jié)流口處的液流角，但是實際的液流角并不等于閥芯的錐角，同時理論計算并沒有考慮到錐閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同以及流場微觀流動情況帶來的影響。

2) 瞬態(tài)液動力

瞬態(tài)液動力是閥芯在移動過程中(即開口大小發(fā)生變化時) 閥腔內(nèi)液流因加速或減速而作用在閥芯上的力。將閥芯在不同瞬時所受的總力減去穩(wěn)態(tài)時閥芯表面所受的力即可得到不同彈簧剛度下閥芯的瞬態(tài)液動力，變化情況如圖5所示。

表1　穩(wěn)態(tài)流量理論值與仿真結(jié)果

表2　穩(wěn)態(tài)液動力理論值與仿真值對比

圖5　閥芯受瞬態(tài)液動力

從圖5可以看出：① 錐閥瞬態(tài)液動力存在波動，峰值隨著彈簧剛度的增加而減小；② 隨著彈簧剛度的增加，瞬態(tài)液動力減小到零所需的時間也逐漸縮短； ③ 瞬態(tài)液動力為負值表示其力方向與閥芯運動方向相反，起到正阻尼作用，利于錐閥的穩(wěn)定，反之則對閥芯起到不穩(wěn)定作用。

3.3　閥芯運動情況分析

閥芯的運動情況是由閥口壓力、液動力以及彈簧力共同決定的，不同彈簧剛度下仿真得到的閥芯瞬態(tài)位移、速度以及加速度變化情況分別如圖6所示。

從圖6中位移變化情況可以看出，隨著彈簧剛度的增加，閥芯穩(wěn)態(tài)位移減小，并且當彈簧剛度較大時，位移減小不明顯，即閥芯的穩(wěn)態(tài)位移與彈簧剛度不成線性關(guān)系，這是由不同彈簧剛度下錐閥所受液動力不同而引起的；閥芯位移超調(diào)量隨著剛度的增加而減小。

從圖6中速度變化情況可以看出，隨著彈簧剛度的增加，閥芯運動速度的峰值減小，并且更快地達到平衡位置，閥芯速度的波動也會影響到內(nèi)部流場的流動狀態(tài)。

從圖6中加速度變化情況可以看出，不同彈簧剛度下加速度數(shù)值均較大且峰值隨著彈簧剛度增加而減小；隨著彈簧剛度的增加，加速度趨于零所需時間變短；在整個過程中，加速度的值都存在小范圍內(nèi)的波動，這是由于液流不穩(wěn)定造成沖擊引起的。

4　結(jié)論

通過對液壓錐閥開啟過程的仿真分析，得到了彈簧剛度對液壓錐閥動態(tài)特性的影響規(guī)律， 可以為提高液壓錐閥的動態(tài)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論包括：

圖6　不同彈簧剛度下閥芯動態(tài)響應(yīng)

(1) 在壓力一定的條件下，隨著彈簧剛度的增加，錐閥穩(wěn)態(tài)流量、瞬態(tài)流量波動幅度均減小。

(2) 隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的總力增大；但是，穩(wěn)態(tài)液動力的絕對值、瞬態(tài)液動力的波動幅值均減小；閥芯受總力的增大會減小液壓錐閥的使用壽命，而穩(wěn)態(tài)液動力的減小可降低調(diào)壓偏差，瞬態(tài)液動力波動幅值的減小可以改善閥芯瞬時的受力情況。

(3) 隨著彈簧剛度的增加，閥芯的穩(wěn)態(tài)位移減小；閥芯運動的位移、速度和加速度波動幅值均減小，并且更快地達到穩(wěn)定位置，利于減小沖擊和振動。

參考文獻：

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