基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的滑閥液動(dòng)力分析

袁俊 蔡佳敏

摘? ?要：文章以某三級(jí)電液伺服閥為研究對(duì)象，在0～3 mm的閥開口量范圍內(nèi)，研究其主閥在不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)壓力特性。文章基于CFD動(dòng)網(wǎng)格仿真技術(shù)，根據(jù)已有結(jié)構(gòu)尺寸，利用ICEM建立了主閥的二維仿真模型，得到主閥在不同時(shí)刻所受的力，分析在不同工作壓力下閥的受力影響，為功率級(jí)滑閥的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)網(wǎng)格;瞬態(tài)液壓力;Fluent平臺(tái)

電液伺服閥是連接液壓部分和電氣部分的橋梁，集機(jī)械、電氣、液壓及控制技術(shù)于一體，能將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤盒盘?hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件作為液壓伺服系統(tǒng)的核心元件。其性能的好壞對(duì)整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣有重要的影響。然而，對(duì)于實(shí)際三級(jí)電液伺服閥滑閥而言，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，尺寸千差萬別，再加上難以觀察到液流流過滑閥閥口的流動(dòng)狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)來分析影響液流流態(tài)的各種因素十分困難。

仿真技術(shù)是解決該類問題的一個(gè)重要研究途徑。Fluent軟件中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地解決計(jì)算域內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的問題，主要使求解過程中的網(wǎng)格發(fā)生運(yùn)動(dòng)和不斷更新、變化，從而解決瞬態(tài)仿真問題。運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)解決瞬態(tài)問題，可以極大地減少建模時(shí)重復(fù)的工作量，且仿真結(jié)果更直觀、更接近實(shí)際情況。因此，本文使用Fluent軟件對(duì)三級(jí)電液伺服閥功率級(jí)主閥在開啟時(shí)所受的力進(jìn)行數(shù)值仿真研究，為三級(jí)電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1? ? 滑閥ICEM模型及計(jì)算條件

1.1? 模型設(shè)置

本文研究的三級(jí)電液伺服閥額定流量為1 000 L/min，閥芯行程為3.0 mm，閥芯和閥套的控制節(jié)流邊按全周節(jié)流邊設(shè)計(jì)。三級(jí)電液伺服閥主閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。該閥有左右對(duì)稱的兩個(gè)主閥腔，每個(gè)閥腔為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量，取單個(gè)閥腔的1/2建立二維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型整體的尺寸為20×50 mm，閥口最小開口量只有幾百微米，而且本模型不是規(guī)則的幾何模型，在仿真過程中，采用整體劃分網(wǎng)格的話會(huì)發(fā)生網(wǎng)格畸變，因此，采用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1]。

理想網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置如圖2所示，是閥開口量為3 mm時(shí)閥芯閥套之間的過流空間。油液由P口流入，從A口流出，P口和A口的邊界條件分別為壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件。

實(shí)際網(wǎng)格劃分如圖3所示。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為0.3 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，左右兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域分兩次畫出。

1.2? 仿真條件與參數(shù)選取

本文中功率級(jí)滑閥閥芯直徑d1=30 mm，閥桿直徑d2=18 mm，閥芯最大位移xmax=3 mm。針對(duì)此模型的仿真在分析問題允許的誤差范圍內(nèi)，若僅考慮對(duì)結(jié)果影響較大的主要因素，忽略次要因素，則對(duì)計(jì)算模型的仿真研究提供了如下假設(shè)。

（1）假設(shè)伺服閥用滑閥為理想滑閥結(jié)構(gòu)，即認(rèn)為滑閥所有的節(jié)流邊為直角形狀且具有尖銳的棱邊，閥芯與閥體之間配合完美，無配合間隙，不可能發(fā)生泄漏。

（2）仿真中所用流體為牛頓流體，流體在壓力作用下不可壓縮。

（3）不考慮配合件之間的摩擦及摩擦與節(jié)流升溫對(duì)伺服閥用滑閥內(nèi)流場(chǎng)的影響。

本文以壓力入口和壓力出口為邊界條件，根據(jù)所選閥空載時(shí)壓力參數(shù)設(shè)定計(jì)算參考值分別為Pin=7 MPa，Pout=3.5 MPa。通過選定的閥的頻率特性曲線，根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置，初步設(shè)定滑閥運(yùn)動(dòng)速度V=1 mm/s為計(jì)算的初始條件。為了使仿真更加準(zhǔn)確和便于計(jì)算，選定水作為內(nèi)部流體，其密度ρ=916.8 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度μ=0.002 98 Pa·s，熱傳導(dǎo)系數(shù)k=0.62 W/m·K。

2? ? 動(dòng)網(wǎng)格及相關(guān)程序設(shè)置

2.1? 動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)被應(yīng)用于計(jì)算運(yùn)動(dòng)邊界問題。通過預(yù)先指定線速度或角速度來實(shí)現(xiàn)邊界的運(yùn)動(dòng)，通過迭代前一步的計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算前，必須先定義網(wǎng)格的初始狀態(tài)，在邊界運(yùn)動(dòng)后，其流域的網(wǎng)格更新遵循用戶選擇的更新方式在Fluent內(nèi)自動(dòng)完成。

本文研究滑閥在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力，仿真內(nèi)部計(jì)算域是隨著時(shí)間發(fā)生變化的，屬于非穩(wěn)態(tài)問題。因此，本文決定利用動(dòng)網(wǎng)格仿真技術(shù)，通過用戶自定義函數(shù)來定義邊界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最終模擬仿真。對(duì)比動(dòng)網(wǎng)格的幾種更新方式，結(jié)合所建立的網(wǎng)格模型，采用動(dòng)態(tài)層更新法[2]來實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格更新，并選用常值比例法進(jìn)行網(wǎng)格的切割，采用默認(rèn)設(shè)置即可，即分裂因子為0.40，收縮因子為0.04。

2.2? 用戶自定義函數(shù)與程序編寫

UDF是Fluent軟件提供的一個(gè)用戶接口，必須在C語言編譯器內(nèi)編寫，然后導(dǎo)入到Fluent軟件中編譯并加載，UDF的基本功能有指定邊界條件、定義材料屬性、修改源項(xiàng)、定義網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)等。

本文采用DEFINE_CG_MOTION宏函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊動(dòng)態(tài)域移動(dòng)的定義。本文主要是給定其中一條邊一個(gè)速度，達(dá)到開口增大的目的。UDF程序如下。

#include

#include”udf.h”

DEFINE_CG_MOTION（valve，dt，cg_vel，cg_omega，time，dtime）

{

if（time<=3）

cg_vel[0]=1.0;

else

cg_vel[0]=0.0;

}

該宏中cg_vel指平動(dòng)速度，cg_omega指轉(zhuǎn)動(dòng)速度，二者都是矢量，cg_vel[0]就是cg_vel的x方向的分量。以此類推，可以知道，cg_vel[1]和cg_vel[2]分別是cg_vel的y和z方向的分量，若是速度值定義為負(fù)的，則速度方向沿軸的負(fù)方向。cg_omega的分量也可以按照相同的方法定義。在程序中，time指運(yùn)動(dòng)時(shí)間，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間小于3 s時(shí)，所定義邊的x方向的運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s，若是超過該時(shí)間，則速度變?yōu)?。

2.3? 仿真計(jì)算中殘差及時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置

（1）殘差值的設(shè)置。將閥內(nèi)流場(chǎng)中速度、湍流動(dòng)能、湍流散耗率的殘差精度均設(shè)置為0.001。當(dāng)以上參數(shù)的殘差精度都達(dá)到0.001時(shí)，即可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂要求，本文是瞬態(tài)問題，只要當(dāng)開口到達(dá)3 mm，即停止仿真，默認(rèn)為達(dá)到收斂。

（2）時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置。在仿真過程中，避免網(wǎng)格負(fù)體積的產(chǎn)生是需要注意的問題，負(fù)體積的產(chǎn)生與許多因素有關(guān)[3]，如網(wǎng)格的劃分、塊的劃分和時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置。時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)定是根據(jù)用戶的計(jì)算需要，先粗略算出特征長(zhǎng)度除以特征速度的值，一般來說，比計(jì)算的值小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)即可作為時(shí)間步長(zhǎng)。本文特征長(zhǎng)度/特征速度為3 s，通過仿真，結(jié)合迭代次數(shù)，設(shè)定總迭代100次，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定0.03 s。

3? ?仿真結(jié)果分析

3.1? 滑閥不同時(shí)刻所受力的分析

按照上文建立模型并設(shè)置好參數(shù)后，運(yùn)行仿真模型，即可得到仿真模型中每個(gè)邊受到的力，可得出閥芯在不同時(shí)刻所受液動(dòng)力的大小。在油溫為27 ℃、工作壓力為7.0 MPa（出口壓力為3.5 MPa）的環(huán)境下進(jìn)行仿真。

根據(jù)仿真結(jié)果，繪制出液動(dòng)力與時(shí)間即開口量之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。在繪制時(shí)考慮了液動(dòng)力的符號(hào)。實(shí)際上，整個(gè)仿真過程都是以閥芯的右移為正方向的，仿真結(jié)果為負(fù)值時(shí)，表明液動(dòng)力方向向左，為正值時(shí)方向向右。

由圖4可知，滑閥所受的液動(dòng)力與時(shí)間（開口量）呈非線性關(guān)系。在時(shí)間為0.03～0.45 s，即開口量為0.60（初始開口量設(shè)定為0.60 mm）～1.05 mm區(qū)域內(nèi)滑閥受的液壓力隨著開口量的增加而減小。這是因?yàn)樵诖藚^(qū)域液流狀態(tài)完成了從附壁流到自由流的轉(zhuǎn)變，由于附壁流的流量系數(shù)大于自由流的流量系數(shù)，流量系數(shù)減小剛好抵消了閥開口量增加的影響。當(dāng)時(shí)間為0.45～1.35 s時(shí)，受力增加，因?yàn)殡S著開口量的增加，流量會(huì)逐漸增多，導(dǎo)致滑閥受力增加。在時(shí)間為1.35～3.00 s時(shí)，所受力開始減少此時(shí)滑閥的另一臺(tái)肩開始受到流體的沖擊，受到與初始臺(tái)肩相反的力，使得滑閥受到的合力減小，最終使得滑閥受到相左的合力。仿真結(jié)果表明：滑閥所受的液動(dòng)力很大，最大時(shí)壓強(qiáng)能到1.2 MPa。

3.2? 不同工作壓力對(duì)液動(dòng)力的影響

實(shí)際上，電液伺服閥的使用場(chǎng)合和工作的環(huán)境多種多樣，需要改變環(huán)境變量，探究不同工況下滑閥所受的液壓力。

保持滑閥閥口的壓降不變，液壓油的溫度27 ℃不變，只改變進(jìn)口處的壓力值，分別取工作壓力為5、7、9 MPa。根據(jù)仿真結(jié)果即可繪制出相同油液溫度和閥口壓降情況下不同工作壓力對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力影響的曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在允許的工作壓力范圍內(nèi)，在油液工作溫度和閥口壓降相同的情況下，不同工作壓力對(duì)其所受液動(dòng)力有著很大的影響。當(dāng)工作壓力增大時(shí)，閥芯所受最大液動(dòng)力也會(huì)增大，而且最大液動(dòng)力和最小液動(dòng)力之差會(huì)顯著增大，使得閥芯受到震動(dòng)，縮短閥芯的使用壽命。當(dāng)工作壓力很小時(shí)，若開口量增大，閥芯則較為平穩(wěn)。

4? ? 結(jié)語

對(duì)三級(jí)電液伺服閥功率級(jí)所受瞬時(shí)液動(dòng)力進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果如下。

（1）在滑閥向右運(yùn)動(dòng)的過程中，滑閥所受的力并非線性增加，而是與開口量有關(guān)系，開口量較少時(shí)，流態(tài)切換液動(dòng)力減少。當(dāng)流態(tài)切換完成后，隨著開口量增大，液動(dòng)力逐漸增大。當(dāng)兩臺(tái)肩都受到液動(dòng)力時(shí)，滑閥所受合力又開始減少，最終受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的合力。

（2）滑閥所受液動(dòng)力會(huì)隨著工作壓力的改變而改變。當(dāng)工作壓力增加時(shí)，滑閥所受的最大壓力和壓力極差會(huì)增加，會(huì)引起閥芯產(chǎn)生震動(dòng)。

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