平衡閥節(jié)流區(qū)閥芯的溫升及熱變形分析*

王 恒,尚明明,徐義程,張 超,汪世益

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

目前,平衡閥已發(fā)展為集負(fù)載鎖定、防壓力沖擊、抗空化及負(fù)載可控下放等多功能為一體的運(yùn)動控制閥[1],在工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,是液壓提升系統(tǒng)中的核心元件,其性能直接影響整個液壓系統(tǒng)的性能。

平衡閥對液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能主要是通過調(diào)節(jié)節(jié)流口或者節(jié)流口組的流量來實(shí)現(xiàn)的。國內(nèi)外眾多學(xué)者對平衡閥的內(nèi)部流場特性做了深入研究。

趙美卿等人[2]對螺紋插裝式平衡閥進(jìn)行了模擬仿真,結(jié)果發(fā)現(xiàn),增大平衡閥的錐角角度可以減少其氣蝕等現(xiàn)象的發(fā)生。劉兆領(lǐng)等人[3]對內(nèi)縮型平衡閥進(jìn)行了氣穴與噪聲數(shù)值仿真研究,得到了平衡閥噪聲幅值的變化規(guī)律。冀宏等人[4]對幾種典型的液壓閥口過流面積進(jìn)行了分析計(jì)算,其結(jié)果對液壓復(fù)雜閥口的研究及設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的參考價值。蘭秋華等人[5]采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD),對滑閥的節(jié)流口進(jìn)行了流量特性研究,提出了“流量數(shù)”(流量系數(shù)×過流面積)的概念。賀輝[6]設(shè)計(jì)了新型工程機(jī)械液壓平衡閥,并將其與傳統(tǒng)平衡閥進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究。陳波[7]對平衡閥進(jìn)行了流場特性分析,得到了其閥口在不同條件下的流量系數(shù)變化,并推出了其流量系數(shù)隨著壓差和開度變化的一般規(guī)律。BEUNE A等人[8]采用流固耦合方法,研究了高壓安全閥的開口特性,證明了在較高的設(shè)定壓力下,只有入口壓力快速上升才能迫使閥門打開;采用該方法可以評估安全閥的操作特性,以優(yōu)化閥門設(shè)計(jì)。DENG J等人[9]研究了滑閥中,穩(wěn)定的高速流體和凹口周圍的局部溫度分布,證明了黏性加熱會導(dǎo)致其局部溫度升高,從而引起閥芯的變形。

目前,眾多學(xué)者對平衡閥進(jìn)行了研究,但對平衡閥節(jié)流溫升導(dǎo)致形變的問題研究較少。平衡閥的工作條件復(fù)雜多變,研究平衡閥的工作性能,溫度是不可缺少的因素。

為此,筆者先建立平衡閥三維模型,并進(jìn)行內(nèi)部流場的有限元分析,研究平衡閥節(jié)流口處溫度變化的特性以及閥芯變形的情況,為平衡閥的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 計(jì)算方法

筆者仿真求解流程為:首先,將建立的平衡閥三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺中,提取平衡閥主閥芯內(nèi)部流體的三維模型,再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分;然后,將網(wǎng)格模型輸入到Fluent軟件中,選擇合適的求解模型進(jìn)行仿真;最后,把所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Static Structural中,進(jìn)行結(jié)構(gòu)求解,再對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

仿真求解流程的具體流程如圖1所示。

圖1 仿真研究的求解流程

2 平衡閥的工作原理及模型

2.1 工作原理

在提升系統(tǒng)工作過程中,有3種運(yùn)動狀態(tài)[10],即舉重上升、承載靜止和負(fù)載下行。

在承載靜止過程中,要求閉鎖性能好。上升工況時,重物的受力方向向下,重物的運(yùn)動方向向上,此時,負(fù)載的作用是阻礙重物的運(yùn)動,這樣的負(fù)載稱之為正負(fù)載;當(dāng)重物下落工況時,重物的受力方向依然向下,但運(yùn)動方向變成了向下,負(fù)載對運(yùn)動起到促進(jìn)作用,這樣的負(fù)載稱之為負(fù)負(fù)載。

而平衡閥主閥芯只在重物下落時,即負(fù)負(fù)載狀態(tài)時開啟,維持重物穩(wěn)定下降,防止由重物加速下降而導(dǎo)致設(shè)備損壞和事故的發(fā)生。

2.2 仿真模型與幾何參數(shù)

平衡閥的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 平衡閥結(jié)構(gòu)模型

主閥芯的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 主閥芯結(jié)構(gòu)模型

圖3中,平衡閥主閥為滑閥結(jié)構(gòu),主閥芯為圓柱類元件,閥口為多組圓孔沿圓周對稱布置。

主閥芯的進(jìn)口直徑(內(nèi)徑)D5=4.55 mm,出口直徑D4=4.5 mm,D3=3 mm,D2=1.25 mm,D1=0.75 mm。

3 流體控制方程及CFD仿真設(shè)置

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)逐漸走向了成熟,可以滿足對實(shí)際負(fù)載的流場進(jìn)行求解分析。

目前，CFD被廣泛應(yīng)用于流體流場可視化分析領(lǐng)域,主要用于研究流體在液壓閥、泵以及管道內(nèi)隨著不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件變化的流場特性,以及液壓閥的閥芯受力,與熱結(jié)構(gòu)耦合分析[11-14]。

3.1 控制方程

任何流體的流動都遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

(1)質(zhì)量守恒方程。

流體微元體在單位時間內(nèi)的質(zhì)量增加與同一時間內(nèi)流入該微元體的流體凈質(zhì)量相等[15],其方程式為:

(1)

式中:ρ—流體密度;t—時間;u—速度矢量;u,v,w—分別為速度矢量在x、y和z方向的分量。

(2)動量守恒方程。

流體微元體的動量對時間的變化率與外界作用在該微元體上的合力相等[16],其方程式為:

(2)

(3)

(4)

(3)能量守恒方程。

當(dāng)流動系統(tǒng)中包含有熱交換時,流體流動遵守能量守恒定律。流體微元體中的能量增加率和力對該微元體所做的功與進(jìn)入該微元體的凈熱流量之和相等[17],其方程式為:

(5)

該式的展開形式為:

(6)

式中:T—系統(tǒng)溫度;kp—傳熱系數(shù);cp—比熱容;ST—黏性耗散。

3.2 CFD仿真設(shè)置

網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

仿真邊界條件:

(1)選擇基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解模式;

(2)流體介質(zhì)選擇液壓油,密度:880 kg/m3,熱導(dǎo)率:0.145 W/(m·K),動力黏度:0.035 5 kg/(m·s);

(3)介質(zhì)為不可壓縮的單相牛頓流體;

(4)忽略流體重力的影響;

(5)選擇Realizable k-epsilon的湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算,并激活黏性加熱;

(6)固體材料為結(jié)構(gòu)鋼,密度:8 030 kg/m3,熱導(dǎo)率:16.27 W/(m·K)。

4 仿真及結(jié)果分析

筆者對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化處理。可視化處理一般是對流場進(jìn)行剖視切片。流場剖視選取的截面位置如圖5所示。

圖5 選取截面示意圖

圖5中,截面1為過Y-Z軸且平分閥芯的平面;截面2為過X-Y軸線且平分閥芯的平面。

仿真的工況參數(shù)如表1所示。

表1 仿真工況參數(shù)

4.1 速度場分析

截面1處的速度云圖如圖6所示。

圖6 截面1處的速度云圖

由于閥芯開度為1.0 mm時,截面1上的節(jié)流口流量較小,故該處筆者對其不予分析。

截面2處的速度云圖,如圖7所示。

由7圖可知:節(jié)流口處流體流速最高,這是因?yàn)榱黧w在流經(jīng)節(jié)流口時,面積減小而導(dǎo)致速度增加;閥口開度為1.5 mm、2.0 mm時,可以觀察到流體沿閥芯溝槽壁面形成渦形環(huán)流,且渦流只在截面2上產(chǎn)生,截面1未觀察到渦流。

圖7 截面2處的速度云圖

4.2 溫度場分析

流體溫度分布云圖,如圖8所示。

由圖8可知:溫度升高的區(qū)域主要集中在節(jié)流口處,此時最高溫度為368 K;遠(yuǎn)離節(jié)流口的區(qū)域溫度變化不明顯。這是因?yàn)榱黧w在流經(jīng)節(jié)流口時速度增加,與壁面產(chǎn)生摩擦,發(fā)生能量交換,以溫度升高的形式表現(xiàn)出來。

圖8 流體溫度分布云圖

進(jìn)出口壓差分別為:5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa時,閥口開度分別為:0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm時,筆者對閥內(nèi)流體溫度的變化進(jìn)行分析。

其中,最高溫度隨壓差的變化曲線,如圖9所示。

由圖9可知:當(dāng)進(jìn)出口壓差一定,開度不同時,流量不同,閥內(nèi)流體溫度也隨之變化,在閥口開度為2.0 mm時為最高溫度;隨著主閥芯進(jìn)出口壓差的增大,閥內(nèi)流體的溫度也隨著升高。這是因?yàn)閴翰钤龃?流體在節(jié)流口處的流速上升,所以更多的壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能。

圖9 不同壓差和不同開度下閥內(nèi)最高溫度

4.3 閥芯的熱變形

截面1處的閥芯變形云圖,如圖10所示。

圖10 截面1處的閥芯變形云圖

截面2處的閥芯變形云圖,如圖11所示。

圖11 截面2處的閥芯變形云圖

不同開度下閥芯的最大形變量,如圖12所示。

圖12 不同開度下閥芯最大形變量

由圖12可知:當(dāng)閥芯進(jìn)出口壓差一定,在一定范圍內(nèi),閥口開度增大時,流量隨之增大,閥芯的最大形變量有所提升;閥芯在開度為2.0 mm時的形變量較大,這與圖9的閥內(nèi)流體溫度變化相符,此時最大變形量為1.79。

仿真工況參數(shù)如表2所示。

表2 仿真工況參數(shù)

不同壓差下閥芯的最大形變量,如圖13所示。

圖13 不同壓差下閥芯最大形變量

不同壓差下,截面1處閥芯的變形云圖如圖14所示。

圖14 截面1處的閥芯變形云圖

不同壓差下,截面2處閥芯的變形云圖如圖15所示。

由圖15可知:當(dāng)閥口開度一定,進(jìn)出口壓差增大時,流體的溫度進(jìn)一步升高,其壓差在25 MPa時溫度最高,此時閥芯的形變量較大,最大變形量為2.28,閥芯向四周隆起,在節(jié)流口處尤其明顯,這將導(dǎo)致閥芯發(fā)生卡滯的現(xiàn)象。

圖15 截面2處的閥芯變形云圖

5 結(jié)束語

筆者首先采用SolidWorks建立了平衡閥的三維模型;然后,應(yīng)用ICEM對平衡閥進(jìn)行了網(wǎng)格劃分;最后,應(yīng)用ANSYS Workbench平臺對平衡閥進(jìn)行了不同工況下的模擬仿真。

研究結(jié)果表明:

(1)閥內(nèi)流體存在溫度分布不均勻。在節(jié)流口處溫度較高,遠(yuǎn)離節(jié)流口處的溫度變化并不明顯,這是由于閥口處流體速度增加,與壁面摩擦產(chǎn)生能量交換,導(dǎo)致溫度升高;

(2)節(jié)流口受溫度影響會產(chǎn)生一定變形,在設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)注意溫度對節(jié)流口的影響。閥口開度在1.5 mm～2.0 mm時,閥芯內(nèi)流體容易產(chǎn)生渦流;

(3)受溫度影響,閥芯會發(fā)生變形,局部直徑變大,易導(dǎo)致閥芯發(fā)生卡滯的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)時可適當(dāng)放寬閥芯的尺寸公差;

(4)為了保證平衡閥的工作性能,閥芯變形應(yīng)不超過2.0,筆者建議閥的進(jìn)出口壓差保持在15 MPa以內(nèi),盡量避免2.0 mm時的閥口開度。

在后續(xù)的工作中,筆者將進(jìn)一步研究節(jié)流口形狀及分布規(guī)律對主閥芯溫升和形變的影響。