掘進(jìn)機(jī)插裝式平衡閥液固熱耦合分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙美卿

摘要：針對掘進(jìn)機(jī)螺紋插裝式平衡閥熱效應(yīng)明顯的現(xiàn)象，考慮插裝式平衡閥的熱應(yīng)力場和機(jī)械應(yīng)力場的綜合應(yīng)力相互作用，對螺紋插裝式平衡閥的內(nèi)部流場特性進(jìn)行了液固熱耦合仿真分析。建立實(shí)際使用的插裝式平衡閥整體三維模型，包括閥芯閥體，根據(jù)液壓閥流體流動過程的傳熱特點(diǎn)，對液流流動過程流場、溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同的閥芯錐角和開口度參數(shù)條件下，可獲得閥芯錐角和開口度對應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，錐角開口影響閥芯溫度與出口溫度，開口越大更有利于抑制液壓油溫度增加，錐角大小對油液溫度的影響比較小;開口大小對錐角處應(yīng)力有影響，開口越小應(yīng)力越大，錐角越大應(yīng)力越大。

關(guān)鍵詞：螺紋插裝式平衡閥;液固熱耦合;流場模擬;閥芯錐角;開口度

中圖分類號：TH137.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0030-02

0? 引言

平衡回路常應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械以及起升下降的液壓傳動系統(tǒng)中。螺紋插裝式平衡閥具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高和安裝維修方便等特點(diǎn)，因此在安裝空間狹小的場合中常被使用。由于以上優(yōu)點(diǎn)，插裝式平衡閥常被應(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)鏟板的升降油缸、后支撐油缸，以及截割部的升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸等液壓平衡回路中。掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境較為惡劣、且工況復(fù)雜多變，插裝式平衡閥易產(chǎn)生節(jié)流發(fā)熱、低頻抖動、氣穴、漩渦和噪聲等現(xiàn)象。

液固熱耦合是指由流體、固體和溫度場同時(shí)存在的系統(tǒng)中三者之間的相互作用的問題。對掘進(jìn)機(jī)插裝式平衡閥多物理場耦合分析，可為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)[1]。國內(nèi)外學(xué)者對插裝式平衡閥的物理場特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。姚平喜等利用MATLAB/Simulink對平衡閥進(jìn)行了動態(tài)特性分析 [2]。楊國來等采用AMESim對螺紋插裝式平衡閥動態(tài)特性進(jìn)行了研究[3]。管傳寶對插裝平衡閥在液壓舉升回路特性進(jìn)行分析[4]。鄭淑娟對插裝型錐閥配合副流固熱耦合分析[1]。鄧龍研究了螺紋插裝式平衡閥的穩(wěn)定性[5]。本研究利用 FLUENT 軟件模擬掘進(jìn)機(jī)用螺紋插裝式平衡閥流固熱耦合，主要研究閥芯錐角和開口度對應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

1? 螺紋插裝式平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

掘進(jìn)機(jī)用螺紋插裝式平衡閥可分為主閥和單向閥2，其主要結(jié)構(gòu)見圖 1。

2? 螺紋插裝式平衡閥仿真模型的搭建

計(jì)算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）是融合流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)科，主要原理是基于控制體積理論并應(yīng)用離散化數(shù)值計(jì)算方法解決流體問題[6]。本文采用軟件Fluent對內(nèi)部流場進(jìn)行仿真研究。

進(jìn)行CFD液固熱耦合分析需要使用三維模型，本文使用Solidworks三維建模軟件，建立插裝式平衡閥的閥口三維模型進(jìn)行分析。按照插裝式平衡閥實(shí)際尺寸參數(shù)建立平衡閥的三維數(shù)值模型，包括閥芯、閥體和閥內(nèi)液流，包括流體域和固體域組成的整個(gè)完整的流動系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)，閥口三維模型如圖2所示。

將模型導(dǎo)入FLUENT，在Geometry中創(chuàng)建流體模型，并設(shè)置流固耦合面。將閥腔內(nèi)流體節(jié)流損失產(chǎn)生熱量視為穩(wěn)定熱源，閥外表面與空氣為自然對流換熱，閥內(nèi)液體與閥固體邊壁之間是強(qiáng)制對流換熱。計(jì)算過程中假設(shè)進(jìn)口油液溫度保持恒定。

圖 3為流體域的網(wǎng)格劃分情況，流體模型見于圖3（a），流固耦合網(wǎng)格情況圖見于3（b）。利用軟件mesh功能對液固耦合模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因平衡閥節(jié)流損失產(chǎn)生熱量較多，而流體部分與固體部分?jǐn)?shù)值交換較多，故將節(jié)流損失部位網(wǎng)格細(xì)化。建模過程盡量與平衡閥一致，以盡可能模擬實(shí)際模型和工況。

3? 仿真條件設(shè)置

設(shè)置邊界條件，液體密度ρ=860kg/m3，粘度η=0.04kg·m-1·s-1，湍流模型使用Standard k-epsilon model，近壁函數(shù)選擇Standard Wall Functions。考慮溫度對模型的影響打開粘性熱（Energy Equation）選項(xiàng)。參考單向閥在實(shí)際某工況下承載壓力為3.5MPa，本次仿真將使用此壓力對平衡閥進(jìn)行模擬。入口溫度25℃（298K），設(shè)置好參數(shù)后，進(jìn)行迭代運(yùn)算。可以得到流場結(jié)果。繼續(xù)接入Static Structural模塊，導(dǎo)入溫度場和流體壓力進(jìn)行流固熱耦合，得到最后仿真結(jié)果。

4? 仿真結(jié)果分析

該螺紋插裝式平衡閥中，主閥芯外徑 9mm，閥腔內(nèi)徑為13mm，閥腔長度 5.5mm，閥進(jìn)油口直徑8mm，閥出油口直徑 3.5mm。該螺紋插裝式平衡閥在某型號掘進(jìn)機(jī)搖臂升降液壓平衡回路應(yīng)用中，在搖臂舉升過程中，平衡閥主閥芯開啟時(shí)，閥芯開口處的液壓系統(tǒng)壓力為3.5MPa。本研究在上述工況下，選擇了三組主閥芯開口度、錐角參數(shù)對主閥芯開啟處的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了模擬仿真。第一組參數(shù)，錐角30°，開口度為0.7mm;第二組參數(shù)，錐角30°，開口度為0.5mm;第三組參數(shù)，錐角45°，開口度為0.5mm。仿真云圖包括：（a）耦合溫度場、（b）總變形、（c）應(yīng)力云圖、（d）應(yīng)變云圖、（e）閥芯應(yīng)變云圖、（f）閥芯應(yīng)力云圖。錐角30°，開口度為0.7mm仿真云圖見圖4所示。

統(tǒng)計(jì)三組參數(shù)，其仿真結(jié)果見于表1。由表1可知，錐角開口影響閥芯溫度與出口溫度，開口越大有利于控制溫度上升。而錐角大小對溫度的影響很小;錐角大小與開口大小對錐角處應(yīng)力與出口應(yīng)力都有影響，開口越小應(yīng)力越大，錐角越大應(yīng)力越大。

5? 結(jié)論

本文使用三維建模軟件建立實(shí)際使用的插裝平衡閥模型，包括閥芯和閥體等，進(jìn)行液固熱耦合仿真分析。設(shè)置不同的閥芯錐角和開口度參數(shù)，研究分析閥芯錐角和開口度對應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。仿真結(jié)果對閥套閥芯設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭淑娟.插裝型錐閥配合副流固熱耦合分析及流場可視化[D].太原理工大學(xué)，2015.

[2]姚平喜，張恒，王偉.負(fù)載敏感平衡閥動態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化研究[J].機(jī)床與液壓，2011，39（7）：29-32.

[3]冀宏，梁宏喜.基于AMESim的螺紋插裝式平衡閥動態(tài)特性的分析[J].液壓與氣動，2011（10）：80-83.

[4]管傳寶，羅瑜，李屹，趙麗梅.鋼拱架安裝機(jī)插裝式平衡閥動態(tài)特性分析[J].機(jī)床與液壓，2019，47（17）：173-176.

[5]鄧龍.螺紋插裝式平衡閥在平衡回路中穩(wěn)定性研究[D].蘭州理工大學(xué)，2016.

[6]楊華勇，周華，路甬祥.水液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國機(jī)械工程，2000，11（12）：1430-1434.