改進矩形節(jié)流槽滑閥閥口的流量特性仿真分析

吳躍能 李建英 李旭飛 黃宇軒 李月影 程洛

摘 要：針對滑閥的靜態(tài)特性能夠影響液壓伺服系統(tǒng)性能的問題，主要采用軟件模擬仿真的方法分析了在滑閥閥芯臺肩處設(shè)置改進矩形預(yù)開口的情況下，獲得隨著閥芯位移的變化閥芯內(nèi)部流場的壓力、流速以及流量的分布規(guī)律，從而得到閥芯的應(yīng)變情況，得出不同過流面的壓力及流速變化規(guī)律，并仿真分析了在無預(yù)開口情況下對應(yīng)的壓力，流速，流量等參數(shù)的分布情況，分析了在開設(shè)圓形預(yù)開口與無預(yù)開口情況下對液壓閥流量增益的影響。仿真結(jié)果表明滑閥采用改進矩形槽結(jié)構(gòu)之后，能明顯改善其內(nèi)部的流場分布、有效減小了閥芯變形，從而提高換向閥的動靜態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：液壓滑閥；預(yù)開口；矩形槽；流體仿真；流量增益

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.004

中圖分類號： TH137.52? 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2024）01-0035-09

Simulation Analysis of Flow Characteristics of Improved Rectangular Throttling Groove Slide Valve Port

WU Yueneng， LI Jianying， LI Xufei， HUANG Yuxuan， LI Yueying， CHENG Luo

（School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China）

Abstract：In view of the problem that the static characteristics of the slide valve can affect the performance of the hydraulic servo system， the software simulation method is mainly used to analyze the pressure， flow velocity and flow distribution law of the internal flow field of the spool with the change of the spool displacement when the improved rectangular pre opening is set at the spool shoulder of the slide valve， so as to obtain the strain of the spool and the change law of the pressure and flow velocity on different flow surfaces. The distribution of pressure， flow velocity， flow rate and other parameters without pre opening are simulated and analyzed， and the influence of rectangular pre opening and no pre opening on the flow gain of hydraulic valve is analyzed. The simulation results show that the improved rectangular groove structure can significantly improve the internal flow field distribution， effectively reduce the spool deformation， and improve the dynamic and static performance of the directional valve.

Keywords：hydraulic spool valve; pre opening; rectangular groove; fluid simulation; flow gain

0 引 言

在中國大步邁進的時代背景下，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得液壓傳動與控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，正在逐步邁向工業(yè)4.0［1］。尤其，近幾年電子信息技術(shù)深入發(fā)展到各個領(lǐng)域，液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合，從而使液壓技術(shù)的發(fā)展進入一個全新的發(fā)展階段。液壓控制技術(shù)具有功率大、重量輕、響應(yīng)速度快等特點，被廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)、航空航天、船舶制造、建筑機械、煤礦設(shè)備等領(lǐng)域［2］。液壓系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的完成對力，位移，速度等的控制，

其具有負載剛度大，響應(yīng)速度快、抗污染能力強等優(yōu)點［3-4］，液壓閥作為液壓伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換及放大元件，對液壓系統(tǒng)的性能有著極其重要的影響［5］。

滑閥作為液壓閥常用的形式，節(jié)流槽結(jié)構(gòu)及數(shù)量影響閥內(nèi)流體的流動情況，對閥的流量特性、氣穴等問題具有重要影響。目前，在液壓閥節(jié)流槽設(shè)計及仿真分析中，廣泛采用FLUENT仿真軟件，基于流體力學(xué)來分析流場的流動特性，以便對節(jié)流槽進行優(yōu)化設(shè)計，改善液壓閥工作性能［6］。液壓閥的性能指標(biāo)包括了流量增益，壓力增益，壓力流量增益等，其中為了使液壓閥的控制模型便于分析，由于閥芯結(jié)構(gòu)的影響，一般將液壓閥的流量增益近似為線性，在閥芯位移較大的情況下，其相對于模型的偏差越大。國內(nèi)對液壓閥的研究主要在于分析閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力計算、以及閥芯參數(shù)對液動力的影響［7-8］。為了使液壓閥滿足控制要求，在閥芯臺肩處設(shè)置預(yù)開口槽能夠使閥的性能更接近線性要求［9-11］，且采用非全周開口在設(shè)置預(yù)開口后能夠減少液壓閥在工作過程中的液壓沖擊，滿足流量控制特性，使換向過程更平穩(wěn)，同時能夠避免液壓閥在工作過程中的卡死或卡緊［12-15］，以及在閥芯工作時由于急劇的壓差變化造成的氣穴［16-18］，減少對液壓閥本身的損壞。節(jié)流槽則使得滑閥擁有更豐富的閥口過流面積曲線，從而實現(xiàn)液壓閥對液壓系統(tǒng)流量的節(jié)流控制，滿足液壓系統(tǒng)在啟停、換向等不同工作狀態(tài)下對流量的需求。本文主要利用流體仿真軟件分析了在改進矩形槽節(jié)流槽預(yù)開口情況下液壓閥的流量特性，提高閥的動靜態(tài)性能，也為滑閥的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和進一步探究閥芯卡滯、振動等問題奠定基礎(chǔ)。

1 液壓滑閥的結(jié)構(gòu)分析

在本文中以某型號閥芯進行仿真及分析，閥芯的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中閥芯半徑R為6mm，圓形槽部位的半徑r為1mm。

在此種節(jié)流槽的閥芯進行節(jié)流時其過流面積由兩部分組成，分別為上部和下部如圖1中A1及A2所示。在閥芯移動的過程中，其總的過流面積可分為兩種情況分別考慮。

1）當(dāng)閥芯的位移x滿足0

A1=bx（1）

過流面積A2表示為

A2=br2－（r－x）2=b2xr－x2（2）

總的過流面積A為

A=A1+A2=bx+b2xr－x2=b（x+2xr－x2）（3）

2）當(dāng)閥芯位移x滿足r≤x

A1=bx（4）

過流面積A2表示為

A2=br（5）

總的過流面積A為

A=A1+A2=bx+br=b（x+r）（6）

2 液壓滑閥建模

對液壓滑閥閥芯處流場進行三維建模，如圖2所示。采用Fluent Meshing進行網(wǎng)格劃分，并進行局部加密，F(xiàn)luent Meshing作為一款高級的前處理工具，具有多種CAD導(dǎo)入方式能夠精準(zhǔn)導(dǎo)入模型，在導(dǎo)入CAD模型時能夠?qū)δＰ瓦M行細化處理，并且具備有強大可靠的網(wǎng)格診斷工具Diagnostics，可以處理任意CFD表面網(wǎng)格（部分四邊形問題除外）存在的問題，主要包括自由邊、多重邊、網(wǎng)格自相交、面網(wǎng)格質(zhì)量過差等情況，能夠高效快速的生成網(wǎng)格。對換向閥內(nèi)流場網(wǎng)格劃分Poly-Hexcore網(wǎng)格，劃分完成的數(shù)字換向閥內(nèi)流場網(wǎng)格模型，網(wǎng)格質(zhì)量檢查良好，符合Fluent計算要求。

在節(jié)流槽部位，由于流場的流速及壓強變化較為劇烈，且此部分流場面積較小，因此可對此部分進行網(wǎng)格的局部細化，在網(wǎng)格劃分完成后就可導(dǎo)入FLUENT進行流場的邊界條件設(shè)置，液壓油參數(shù)等設(shè)置而后完成流場仿真，所選模型為標(biāo)準(zhǔn)的k－ε 模型［19-21］，其模型方程為

（ρk）t+div（ρkU）=divμtσkgradk+2μtSijSij－ρε（7）

（ρε）t+div（ρεU）=divμtσεgradε+C1εεk2μtSijSij－C2ερε2k（8）

其中：k為湍動能（（kg·m2）/s2）;ε為湍動能耗散率（m2/s3）;U為液壓油速度矢量矩陣（m/s）;μt為液壓油黏度（Pa·s）;S為平均應(yīng)變率張量;ρ為液壓油密度（kg/m3）;t為時間（s）;σk、σε、C1ε、C2ε為節(jié)流常數(shù)，分別為0.09、1.44、1.92、1、1.3。

3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過仿真分析得出了改進矩形槽預(yù)開口的節(jié)流槽在閥芯位移為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm時的壓力云圖，速度云圖以及流過閥芯的液壓油流量隨閥芯位移的關(guān)系，為了保證閥芯在運動過程不會產(chǎn)生卡死還需要對閥芯的彈性應(yīng)變進行監(jiān)測。采用Fluent軟件在Workbench平臺上，對其進行流場分析和流固耦合仿真研究，得到不同開口度下內(nèi)流場壓力云圖。

由壓力云圖可看出當(dāng)閥芯位移較小時，壓力降主要作用在過流面A1上，隨著閥芯位移的增加壓力降逐漸向過流面A2轉(zhuǎn)移，該壓力分布情況與實際情況相符。同時在云圖中可看出在閥芯開口逐漸增大時，節(jié)流槽出口一側(cè)的壓力逐漸增大，因為出口一側(cè)仍然為圓形管道存在壓力降，當(dāng)因為閥芯開口增大導(dǎo)致液壓油流速增大時，根據(jù)沿程損失公式：

pf=γldv2ρ2（9）

式中：γ為沿程阻力系數(shù)；l為管長（m）；d為管徑（m）；v為斷面平均流速（m/s）；ρ為流體的密度（kg/m3）。

當(dāng)流速增大時必然導(dǎo)致在相同的黏性管道長度阻力系數(shù)及流體密度情況下的壓力損失增大，因此造成了出口一側(cè)的壓力逐漸升高，這與實際情況相符。不同開口度下內(nèi)流場速度云圖如圖8～12所示。

由速度云圖可得在閥芯開口度較小時，流速最大點主要集中在過流面A1上，并且隨著閥芯位移的增大，流速最大點逐漸向過流面A2轉(zhuǎn)移，由伯努利方程可知在沒有總壓損失的情況下，流速越大流體的壓強越低，但本結(jié)構(gòu)中在閥芯臺肩處存在劇烈的總壓損失，因此在節(jié)流口出口處的壓強及流速已經(jīng)不用伯努利方程進行判斷了，但因為流體已經(jīng)通過節(jié)流口，流道面積增大，流速下降，總壓損失速度降低，其大致仍滿足伯努利方程，因此可以發(fā)現(xiàn)在流速較大的出口一側(cè)的流速從高到低部分的壓強同樣經(jīng)歷了從低到高的過程。而在兩過流面處，壓力變化劇烈的部位同樣也是流速變化劇烈的部位，這與理論一致。在兩個不同的油流方向上，液壓油流的射流角開始時較大，但隨著閥芯位移的增加，射流角逐漸減小。通過流固耦合得到閥芯變形云圖，如圖13～17所示。

由圖可知，閥芯的最大變形主要集中在預(yù)開口槽處，并且其隨著閥芯位移的增大，發(fā)生了類似于壓力降分布的變化，在入口壓強不變的情況下，推測是由閥芯位移增大導(dǎo)致的流量增大帶來的液動力增大造成的。

通過進一步仿真分析可得出在閥芯臺肩處不設(shè)置預(yù)開口時流場的壓力云圖，速度云圖及閥芯的應(yīng)變圖分別為圖18～20。

仿真結(jié)束后可得到在閥芯位移為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm時矩形槽預(yù)開口及改進矩形槽預(yù)開口閥芯的流場的出口流量，

整理閥芯仿真結(jié)果，并得到不同開口度下出口流量曲線圖21所示。

從仿真結(jié)果中可得出設(shè)置改進矩形槽預(yù)開口的閥芯位移造成的流量變化相對于矩形槽預(yù)開口時更接近線性，其流量增益也略大于矩形槽預(yù)開口時的情況，結(jié)合仿真結(jié)果分析帶有節(jié)流槽的流場的射流角度變化穩(wěn)定，閥芯內(nèi)流場壓力變化穩(wěn)定，在改進矩形槽下閥芯的變形集中，在開口度較小時最大變形量小于矩形槽預(yù)開口閥芯的變形量，使液壓閥啟停平穩(wěn)。

4 結(jié) 論

建立了液壓滑閥內(nèi)流場的三維模型，對帶有改進矩形槽閥芯結(jié)構(gòu)進行了Fluent仿真研究。滑閥作節(jié)流槽結(jié)構(gòu)及數(shù)量影響閥內(nèi)流體的流動情況，對閥的流量特性具有重要影響。本文通過研究得出在液壓閥臺肩上開設(shè)改進矩形預(yù)開口能夠在一定程度上增加閥的流量增益的線性度，增大閥的流量增益，并且在不同過流面上隨著閥芯位移的變化，其壓力分布及流速分布也會發(fā)生變化，同時會造成閥芯的最大應(yīng)變量發(fā)生變化，而射流角將隨著閥芯位移的增大而逐漸減小，通過閥芯內(nèi)流場仿真云圖可知其射流角與射流區(qū)域變化穩(wěn)定，有利于閥芯周向表面受力均勻減小閥芯變形從而減少閥芯所受摩擦力，提高換向閥靜態(tài)性能。滑閥采用改進矩形槽結(jié)構(gòu)之后，能明顯改善其內(nèi)部的流場分布、有效減小了閥芯變形，從而提高換向閥的動靜態(tài)性能。通過Fluent流固耦合分析得出的結(jié)論對閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化具有指導(dǎo)和實際意義。

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（編輯：溫澤宇）

基金項目： 國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（202110214001）.

作者簡介：吳躍能（1999—），男，碩士研究生；

李旭飛（2001—），男，碩士研究生.

通信作者：李建英（1980—），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：ljyhit@163.com.