基于FLUNT仿真軟件的液壓多路閥的旁通設計及挖掘機整車試驗驗證

于曉晨

三一重機有限公司，中國·江蘇 昆山 215300

1 引言

按照挖掘機常用的液壓系統，10t 以上的挖掘機常用的液壓系統有負流量和正流量系統。液壓系統中當挖掘機不工作時，主泵輸出的液壓油會通過旁通油路直接回液壓油箱，從而降低怠工時的油耗。

論文介紹一種基于FLUNT 仿真軟件設計過程中的早期介入，通過仿真驗證得到設計方向后再進行正向設計，從而得到更優化的設計方案。設計完成后，通過挖掘機主機的整個實驗來驗證設計的有效性。

2 挖掘機多路閥傳統的旁通設計

挖掘機多路閥主要是以日本川崎為主的日本廠商長期與中國合作，形成了中國挖掘機及液壓系統都是以日本技術為主的現象。川崎主閥（10t 以上的主閥）旁通都是以主閥芯匹配主閥孔進行流量通路和截止，如圖1川崎13RB 閥剖面圖所示。其中殼體中間串聯各個主閥芯的Y 型流道配合主閥芯的結構達到了中位旁通的目的。

圖1 川崎13RB 閥剖面圖

如圖2川崎13RB 閥旁通流道說明所示，當所有閥芯處于中位狀態時，從液壓泵提供的液壓油從P1 口流入主閥，液壓油通過流道（1）流經直線行走閥芯，左行走閥芯、鏟斗閥芯、動臂1 閥芯和斗桿2 閥芯流入中位旁通油路（2）完成中位M 形滑閥機能，從回油口R1 流回挖掘機的液壓油箱[1]。

圖2 川崎13RB 閥旁通流道說明

2.1 傳統旁通回油的缺點

由于挖掘機要實現行走動作和挖掘機其他動作的聯動，行走的閥芯都會設計布置在多路閥進油口的位置，讓液壓油先通過行走和直線行走閥芯后再供到其他動作的閥芯上去。

由整體布局可以看出，傳統旁通在主泵進油的入口處液壓油通過的空間很小。從液壓原理上可以推斷出此處的壓力損失會比較大。

2.2 傳統旁通油路的壓力損失仿真

計算流體力學仿真前處理采用ICEM CFD 軟件進行流道建模及網格劃分，仿真計算采用FLUENT 軟件，后處理采用CFD-POST 軟件[2]。

條件設置：46 號液壓油，密度875kg/m3，按照GB/T265 測定標準，40℃時，運動粘度為46（mm2/s）；60℃時，運動粘度為20（mm2/s）；0℃時，運動粘度為500（mm2/s）。其在液壓系統中的流動可以看作為不可壓縮黏性流體的定常流動。

網格劃分如圖3所示。

圖3 川崎13RB 閥旁通模型網格劃分

邊界條件：采用SIMPLEC（semi-implicit method for pressure linked equations）算法對流道流場進行求解。SIMPLEC 算法為解壓力耦合方程的半隱式法，是目前工程應用最為廣泛的一種流場計算方法。控制方程的對流項和擴散項分別采用二階迎風和二階中心差分格式進行離散。進口邊界為速度進口，湍流強度取5%，水力半徑為0.022m，出口邊界為壓力出口，湍流強度取5%，水力半徑為0.022m。可以得出圖4所示仿真壓力云圖及壓損數據。

圖4 川崎13RB 閥仿真壓損云圖

3 優化設計及優化后仿真

針對傳統旁通設計的壓力損失集中點，閥芯和閥孔的節流位置，擬通過曲線鑄件流道的復雜結構配合閥芯中位的取消來減小壓損[3]。其中直線行走閥芯和行走閥芯均進行了優化設計，取消中位上的節流旁通結構，具體結果裝配后見圖5。

圖5 優化設計流道及閥芯

通過在直線行走和行走閥芯上進行優化設計，大大簡化了閥芯和閥孔的通流結構。通過一樣的條件在FLUENT軟件下仿真。可得到優化后的結果。壓力云圖如圖6所示。

圖6優化設計流道及閥芯仿真結果

由兩次FLUENT 軟件仿真結果可以得出表1的數據，通過數據的對比可以得出表2的結果。

表1 仿真壓力數據匯總

表2 仿真數據對比結果

優化效果明顯，平均壓損降幅在70%以上。

4 試驗驗證

優化設計后的多路閥裝配到挖掘機之后同搭載傳統旁通油路的川崎13RB 多路閥挖掘機進行作業油耗和效率對比試驗。試驗結果見表3。

表3 搭載主機測試數據結果

由表3可知，在挖掘機常用的三個檔位下，更換優化后的挖掘機多路閥后再效率增加的情況下；油耗還能降低15%以上。

5 結論

通過論文的研究可以得出以下結論：

①通過對挖掘機多路閥直線行走閥芯和行走閥芯的降壓損優化設計可以節省挖掘機的燃油經濟性。

②通過FLUENT 軟件的提前介入仿真，驗證優化方案。可以給低壓損的結構設計提供方向性參考。

③對于液壓驅動的行走機械，只要涉及行走和其他液壓驅動一同執行的情況。此類旁通設計可以推廣應用。