基于CFD的液壓滑閥U形槽閥口的穩態液動力仿真研究?

石金艷 李 輝 周 會 史時喜 楊 文

（1.湖南鐵道職業技術學院 株洲 412001）（2.四川川潤股份有限公司 成都 610031）（3.株洲電力機車研究所有限公司 株洲 412001）（4.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

1 引言

與電氣傳動、機械傳動相比較，液壓傳動具有安裝方便靈活、驅動力大、工作穩定性好、可實現較大范圍的無級調速、易于實現自動化控制等優點，因而在工業機械裝備、工程機械、航空航天、海洋工程等領域得到了廣泛應用。因此，國家應用液壓傳動技術的程度已成為衡量一個國家的工業水平高低的一項標準。

液壓閥又稱液壓控制元件，它主要是用來控制液壓系統中油液流動的方向、壓力大小和流量的多少。液壓閥是液壓傳動系統的重要組成之一，液壓閥的特性直接影響了液壓傳動系統的運行效果。液壓閥按照結構形式主要分為滑閥、座閥、射流管閥等，其中液壓滑閥應用最廣。該文中的液壓滑閥閥口為U形槽形式，在閥芯凸肩上對稱加工兩個U形節流槽，以便進行液壓閥的流量和穩態液動力控制。液壓滑閥上作用的穩態液動力是影響液壓滑閥的工作性能的主要因素，影響液壓滑閥的換向控制性能，開展液壓滑閥的閥芯上的穩態液動力的研究具有重要的意義。

論文運用CFD方法通過三維流體計算軟件STAR-CD對U形槽液壓滑閥內流場進行求解，計算分析得出液壓滑閥閥口流入和流出方向上的穩態液動力。

2 液壓滑閥的結構分析

該文選取的研究對象如圖1所示，在閥芯凸肩上對稱加工兩個U形節流槽。該液壓滑閥的U形槽閥口的主要結構參數（見圖1），其數值分別為:節流槽深度h=1.5mm，U形槽端口的半徑r=2.5mm，閥芯半徑R=10mm，其中x1為該液壓閥閥口的開度大小。

圖1 液壓閥閥口主要結構參數

3 仿真計算建模

在本研究中，選取軟件I-deas作為三維建模軟件，進行仿真計算模型的建立和劃分網格，建立的仿真計算模型如圖2。本研究對象液壓滑閥在結構上具有對稱性，為了節約計算耗時，減輕計算工作量，在進行仿真計算模型構建時只選取液壓滑閥的一半流道進行建模與仿真分析。在進行網格劃分時，考慮到液壓滑閥的閥口周圍、液壓閥的出口腔內壓力明顯變化大，流體在這些部位的流速明顯較大，采取局部網格細化處理，以獲得準確的仿真結果。運用I-deas建模和劃分網格后，模型導入Star-CD軟件中對其進行液壓仿真計算。

在運用Star-CD軟件仿真計算時，對仿真模型規定如下:1）假設文中的研究對象為理想的液壓閥，也就是閥芯與閥座是理想配合，視為無間隙；2）研究中的液壓介質為不可壓縮的恒定的牛頓流體；3）忽略液壓介質的重力，忽略閥腔內部液壓介質產生的傳熱影響；4）液壓工作介質的參數設定:密度ρ=880kg/m3，動力粘度為 0.058 Pa?s，進口壓力P1=25Mpa，出口壓力P2=23Mpa；5）設定仿真計算模型的高低壓邊界、對稱邊界見圖2。

圖2 仿真計算三維模型

4 計算結果分析

4.1 穩態液動力的計算

液壓滑閥的閥芯運動是通過操縱裝置讓其沿著閥芯軸線方向上產生移動，使得閥口開度處于不同的大小，使得液壓系統油路實現接通或斷開，實現油液流動方向、壓力大小及流量多少的調節。液壓滑閥在實際工作時閥芯有各種外力作用其上，比如控制閥芯運動的操縱力、彈簧預緊力、摩擦力、慣性力、液動力等。液壓滑閥上作用的穩態液動力是影響液壓滑閥的工作性能的主要因素，影響液壓滑閥的換向控制性能。

由于液壓流體在流過液壓閥的閥口均會產生一定大小的壓力損失，即產生一定的壓降，引起液壓滑閥閥芯的壁面壓力分布的變化，宛如給閥芯作用了一個附加力。文中研究的液壓滑閥的節流槽為兩個且均勻分布，故可知閥芯所受的徑向力是平衡的，閥芯沿著軸線方向受力壁面上的壓力值就是作用于液壓滑閥閥芯的穩態液動力。閥芯受力壁面上壓力分布不均勻，閥芯的液動力可以通過壓力積分求解得到:

式（1）中:p是壁面的壓力值，n是液壓滑閥的閥芯軸線的正方向，Ai是閥芯的受力壁面，dA為面積分。

1）穩態液動力的理論分析

運用流體力學動量定理對U形節流槽滑閥的穩態液動力開展理論分析。分析中的控制體是由閥芯的左右壁面、U形節流槽壁面、閥芯中間桿壁面、閥體的壁面和閥芯凸肩圓周壁面圍成（見圖3）。

圖3 U形節流槽滑閥的穩態液動力分析

（1）流出方向

根據圖3得到液動力的動量公式為

流出節流槽方向時，流體的流入速度v1很小，

其流入動量忽略不計，得到則其液動力公式為

式中:cv為速度系數值；θ1為閥口的流束射流角數值；θ2為閥口的流束射流角數值。

可見，液動力的理論計算關鍵是確定射流角θ1、θ2和面積A，此處射流角θ1、θ2取流場計算所得的角度數值大小。

（2）流入節流槽方向

圖3 b）為流入該節流槽的控制體，根據分析，可得穩態液動力計算公式為

4.2 穩態液動力的仿真結果分析

采用CFD進行流場的解析計算，進口壓力為25MPa，且出口壓力為23MPa，獲得液壓滑閥U形槽不同的閥口開度情況下的穩態液動力計算流場，得到穩態液動力曲線如圖4所示。

圖4 穩態液動力曲線圖

從圖4我們可以得到在油液流入和流出節流槽的兩個不同方向上，閥芯上的穩態液動力均有使閥口關閉的趨勢；在流出和流入節流槽兩個不同的方向上閥口射流角有所不同，導致在流入和流出節流槽兩個方向上得到的液動力差值較大。

同時，液壓滑閥U形槽閥口，當閥口開度較小時，隨著閥口開度增大穩態液動力緩慢增加。當閥口開度大于2.5mm時，通過分析得知液壓閥口面積為恒定，而射流角急劇減小，此時閥芯的穩態液動力隨著閥口開度增大而顯著增大。穩態液動力曲線顯示在U形節流槽的流入和流出方向，穩態液動力均使閥口趨于關閉，且流出方向的液動力要比流入方向大一些。

5 結語

論文采用軟件I-deas進行三維建模及網格劃分，運用三維流體計算軟件STAR-CD對U形槽液壓滑閥內流場進行求解，通過解析計算得到滑閥不同閥口開度下穩態液動力的數值，結果表明:在該U形節流槽的流入和流出方向上，穩態液動力均使閥口趨于關閉，流出方向的液動力要比流入方向大一些，且當閥口開度大于2.5mm時，射流角急劇減小，穩態液動力有所增加。