馬 超， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

某自卸車液壓系統(tǒng)集成塊內(nèi)部管路仿真與優(yōu)化

馬 超， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

根據(jù)某自卸車液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，采用計(jì)算流體力學(xué)方法基于Fluent軟件對其集成塊內(nèi)浮動狀態(tài)工作管路進(jìn)行數(shù)值模擬，得出管路工作時(shí)的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖。通過分析油液產(chǎn)生壓力損失的規(guī)律機(jī)理，找出工藝孔容腔和直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是造成壓力損失的主要原因。最后，根據(jù)分析結(jié)論對該管路進(jìn)行減小工藝孔容腔容積以及取消直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)管路壓力損失的減小。

液壓集成塊；流場；數(shù)值模擬；壓力損失

0 引言

液壓集成塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、泄漏少、便于安裝和維修等優(yōu)點(diǎn)，在液壓系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。集成塊上安裝多個不同的控制閥體，各個閥體通過集成塊內(nèi)部的管路連通以實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于多采用鉆、鏜等方法加工管路，不可避免地會在其內(nèi)部產(chǎn)生孔道直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)及附帶的刀尖容腔及工藝孔容腔。集成塊內(nèi)復(fù)雜的管路網(wǎng)絡(luò)，特殊的管路結(jié)構(gòu)(如直角轉(zhuǎn)向、孔徑突變和交叉管路等)和不合理的管路設(shè)計(jì)是造成其局部壓力損失的主要原因。局部壓力損失占液壓集成塊壓力損失的絕大部分[3]。壓力損失增加將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，發(fā)熱量加大，使系統(tǒng)性能下降[1-2]。

采用計(jì)算流體動力學(xué)方法可仿真液壓集成塊內(nèi)部油液的三維復(fù)雜流動[4]，可進(jìn)行管路的壓力分布進(jìn)行計(jì)算，得出可能產(chǎn)生壓力損失的環(huán)節(jié)，為集成塊的設(shè)計(jì)提供參考。

針對某自卸車液壓系統(tǒng)在高溫環(huán)境條件使用時(shí)出現(xiàn)發(fā)熱的問題，在分析其液壓系統(tǒng)可能的發(fā)熱的環(huán)節(jié)之后，液壓集成閥塊是一個未知環(huán)節(jié)。因此本文采用Fluent軟件完成對舉升集成閥塊的管路分析，找出可能出現(xiàn)最大壓力損失的部位，為系統(tǒng)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1 集成塊模型

自卸車液壓舉升系統(tǒng)可完成舉升、保持、浮動和下降4個動作。在自卸車的實(shí)際工作中，完成舉升、保持和下降3個動作所花費(fèi)的時(shí)間相對而言很少，液壓舉升系統(tǒng)大多時(shí)間都處在浮動工況中。在浮動工況時(shí)，液壓泵輸出的油通過舉升集成閥塊的卸荷閥返回油箱。盡管在此工況下系統(tǒng)壓力損失相對較小，但由于系統(tǒng)流量較大，較小的壓力損失在長時(shí)間工作也將產(chǎn)生大量的熱量累積，導(dǎo)致油溫升高。因此，取浮動工況，從舉升泵輸出的液壓油流經(jīng)集成閥塊管路為研究對象進(jìn)行仿真分析，可得出集成閥塊管路的壓力損失。

圖1 浮動工況管路模型

舉升閥塊上安裝有插裝閥控制蓋板，內(nèi)部管路分為主油路和控制油路。

圖1為集成塊中浮動工況下的油液流通管路。1，2為液壓油入口，管徑為32 mm；3為液壓油出口，管徑為40 mm；A，B為集成閥塊與其上安裝的外部閥相連的油腔，外部閥在浮動狀態(tài)時(shí)常閉；C，D，E和F為結(jié)構(gòu)限制需連接其他控制油路所形成的工藝孔容腔，端部采用螺堵封閉。油液從1、2口進(jìn)入管路并流向A、B容腔，油液在A容腔中匯合后經(jīng)直角轉(zhuǎn)向流向F容腔，在E、F中產(chǎn)生渦旋等復(fù)雜流動，并最終從3口流出管路。

假設(shè)自卸車在浮動工況下油泵穩(wěn)定運(yùn)行，液壓油液為粘性不可壓縮流體，所以油液的三維流動可視為定常流動。油液在管網(wǎng)復(fù)雜且結(jié)構(gòu)特殊的集成塊內(nèi)的流動多為湍流流動，因此由標(biāo)準(zhǔn)兩方程湍流模型描述，并遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律(本文主要分析管路結(jié)構(gòu)對流體壓力損失的影響，為簡化計(jì)算并提高精度故不計(jì)能量守恒方程)[5]。

2 網(wǎng)格處理及計(jì)算方法

將圖1模型導(dǎo)入到Fluent的前處理軟件ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格處理。由于該模型有直角轉(zhuǎn)向等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分，內(nèi)部管路的網(wǎng)格類型采用Tetra/Mixed(即四面體/混合網(wǎng)格)，并在壁面附近生成良好的邊界層棱柱網(wǎng)格。進(jìn)行網(wǎng)格光順化，以提高求解精度。

將處理好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，進(jìn)行網(wǎng)格檢查，得最小單元體積2.945 59×10-11m3，最大單元體積4.404 42×10-8m3。根據(jù)有限體積法對模型內(nèi)部管路進(jìn)行數(shù)值模擬，采用壓力耦合方程的半隱式方法(SIMPLE)對控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，各參數(shù)的離散采用二階精度的迎風(fēng)格式。壁面設(shè)置為無滑移的固定剛性壁面，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)做近壁處理。

假定入口流為充分發(fā)展流，速度方向?yàn)槿肟谶吔绶ň€方向。定義邊界條件為速度入口，壓力出口。根據(jù)發(fā)動機(jī)及液壓泵相關(guān)參數(shù)計(jì)算得入口速度為8.94 m/s，出口壓力設(shè)為0 MPa。定義系統(tǒng)所用的液壓油密度為ρ=900 kg/m3，動力黏度為μ=0.26 kg/(m·s)，對所建立的模型進(jìn)行求解計(jì)算[6-8]。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)部管路特性分析

圖2 模型管路流道壓力云圖

由圖2的壓力分布情況分析可知，充分發(fā)展流由入口1、2進(jìn)入管路，經(jīng)直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ后產(chǎn)生了明顯的壓力損失，大小約0.12 MPa，且在工藝孔容腔C、D處形成了相對高壓區(qū)域。隨后，油液經(jīng)孔道流進(jìn)容腔A、B，沿程壓力損失較小且在容腔內(nèi)無明顯的壓力損失。容腔A、B里的流體匯集流向F容腔，管路截面尺寸相對容腔較小，產(chǎn)生了約為0.1 MPa壓力損失。最后，油液經(jīng)直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ由出口3流出管路，在直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ處產(chǎn)生了明顯的壓力損失，大約為0.14 MPa，并且在工藝孔容腔E、F處形成了相對高壓區(qū)域。由計(jì)算可得，流體從入口到出口共產(chǎn)生了約0.41 MPa的壓力損失。

圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別為管路中心截面的速度云圖、壓力云圖和速度矢量圖。

結(jié)合圖3(a)和圖3(c)可知，液壓油從入口進(jìn)入管路經(jīng)直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ流向容腔A、B。在剛經(jīng)過轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)時(shí)，流束截面收縮，速度矢量密集，速度值較大且趨于直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)外側(cè)，油液出現(xiàn)分離脫流現(xiàn)象，而在工藝孔容腔C、D內(nèi)總體液流速度很低。隨后，速度逐漸降低，呈現(xiàn)中心部分速度低，四周部分速度高的現(xiàn)象。速度矢量顯示為趨于分散，中心部分速度矢量稀疏，四周部分密集。油液開始擴(kuò)散、附壁，趨于平穩(wěn)。根據(jù)圖3(b)分析知，此處產(chǎn)生壓力損失是由于當(dāng)油液流經(jīng)直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)時(shí)，速度變化較大，流動情況復(fù)雜，在工藝孔容腔C、D內(nèi)和結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了不同尺度的渦旋(轉(zhuǎn)向處渦旋尺度較大)，形成了流動滯止區(qū)，油液流動時(shí)需要克服滯止區(qū)內(nèi)液壓油粘性作用力從而產(chǎn)生了能量損失。油液沖擊管壁導(dǎo)致速度突變同樣會增加能量損失。此外，滯止區(qū)內(nèi)渦旋轉(zhuǎn)動也會產(chǎn)生能量消耗。

圖3 管路中心豎直截面數(shù)值模擬結(jié)果

液壓油流入容腔A、B內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)規(guī)則尺寸逐漸變大導(dǎo)致速度變化減小，所以在容腔A、B內(nèi)油液擴(kuò)散，速度比較平穩(wěn)。但根據(jù)圖3(a)和圖3(c)顯示，在容腔A、B內(nèi)仍有幾處尺度較小的渦旋產(chǎn)生。渦旋油液內(nèi)有不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)、碰撞和回流運(yùn)動產(chǎn)生，這些復(fù)雜的運(yùn)動與主流運(yùn)動參雜在一起，對主流運(yùn)動形成干擾，成為主流運(yùn)動的阻礙。所以，正如圖3(b)中顯示，容腔A、B中也有較小且不規(guī)律的壓力變化。

當(dāng)容腔B的液壓油流向容腔A時(shí)，由于孔道尺寸突然減小，導(dǎo)致流速升高，速度矢量密集，油液需克服粘性作用力增大，從而產(chǎn)生了一定的壓降。

而當(dāng)來自入口1和入口2的液壓油在容腔A內(nèi)匯集并流向出口管路時(shí)，由于流量增大且管路尺寸(直徑)相對于容腔減小很多，導(dǎo)致管路內(nèi)油液速度突增(如圖3(a)所示)，加之管路較短，油液運(yùn)動紊亂并未形成充分發(fā)展流，需克服的粘性作用力增加，故產(chǎn)生明顯壓降。

油液流經(jīng)直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ時(shí)，流動方向突變，速度急劇上升，流動復(fù)雜，開始分離和脫流。流束截面收縮，速度矢量在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)外側(cè)十分密集，而在內(nèi)側(cè)較為稀疏，同時(shí)在內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了一個分離渦旋區(qū)(此區(qū)域在圖3(b)中相應(yīng)位置為壓力降低區(qū)域)。在渦旋區(qū)內(nèi)，速度矢量稀疏，壓力較低，形成流動滯止區(qū)，主流流動需要克服滯止區(qū)內(nèi)的粘性作用力而產(chǎn)生了能量損失。此外，在工藝孔容腔E、F內(nèi)總體油液速度很低，有尺度大小不同的渦旋產(chǎn)生(由于容腔F正對速度方向，所以其內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋尺度較容腔E內(nèi)的大)，形成了較大的流動滯止區(qū)，進(jìn)一步對主流運(yùn)動形成干擾，造成能量損失。如之前分析，渦旋的自身旋轉(zhuǎn)也會消耗一部分能量。綜上所述，造成了在直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ明顯的壓力降低。

3.2 管路部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)會改變液流特性，工藝孔容腔對液流形成干擾，均會使管路內(nèi)的流動產(chǎn)生較大的能量消耗，導(dǎo)致壓力損失。

根據(jù)自卸車舉升液壓系統(tǒng)集成塊的實(shí)際安裝位置以及集成閥塊管網(wǎng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的特點(diǎn)和限制，對直角轉(zhuǎn)向Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)對的改進(jìn)：縮短了結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ處的工藝孔容腔，僅保留了刀尖角；取消了直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ，充分利用該處周圍結(jié)構(gòu)，采取直流出口，由于加工工藝原因，原出口用特殊工藝方法封堵。如圖4為原來結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為改進(jìn)后示意圖。

圖4 原結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖5 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ改進(jìn)前后的壓力云圖模擬結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯谶吔鐥l件相同的情況下，管路結(jié)構(gòu)不同將導(dǎo)致液流特性的差別。

圖6 結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ改進(jìn)前、后壓力云圖模擬結(jié)果

圖7 結(jié)構(gòu)Ⅲ改進(jìn)前后壓力云圖模擬結(jié)果

由于取消了較長的工藝孔容腔，也就沒有了容腔內(nèi)復(fù)雜液流和渦旋的影響，使改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在直角轉(zhuǎn)向處的液流更加平穩(wěn)，速度矢量分布也更加均勻。從圖6中可以看到，在直角轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的渦旋較改進(jìn)前更小，在外側(cè)產(chǎn)生的高速集中區(qū)也較改進(jìn)前更小，并且改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)有足夠長的管路使油液在經(jīng)轉(zhuǎn)向后擴(kuò)散、附壁、充分發(fā)展，形成平穩(wěn)流。這樣，對下流容腔內(nèi)的油液壓力影響也相對減少。經(jīng)計(jì)算得出，改進(jìn)前結(jié)構(gòu)從入口到出口共產(chǎn)生了約0.072 MPa的壓力損失，而改進(jìn)后的只有0.051 MPa。

直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)Ⅲ改進(jìn)前后的模擬結(jié)果如圖7所示。同樣，改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)不同使得在壓力云圖上的體現(xiàn)也不同。對比壓力云圖可知，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)的壓力變化較改進(jìn)前明顯減少且壓力分布更加均勻，在工藝孔容腔內(nèi)沒有明顯的壓力升高區(qū)域。經(jīng)計(jì)算得出，改進(jìn)前結(jié)構(gòu)從入口到出口共產(chǎn)生了約0.098 MPa的壓力損失，而改進(jìn)后的只有0.008 MPa。

圖8 改進(jìn)后模型管路流道壓力云圖

如前所述，對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，運(yùn)用Fluent對浮動狀態(tài)工作管路進(jìn)行整體計(jì)算分析，得壓力云圖如圖8所示。此改進(jìn)針對于集成塊內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)，對集成塊外形而言并無變化且內(nèi)部管路主體結(jié)構(gòu)基本不變，集成塊外部空間足夠，故只需重新調(diào)整和布置出入口處外部閥體即可完成安裝。

從圖8中可見，該管路壓力變化較為均勻，未出現(xiàn)較大的壓力集中區(qū)域，計(jì)算得從入口到出口的壓降為0.28 MPa。比原有方案降低了32%。

4 結(jié)論

本文通過建立某自卸車舉升液壓系統(tǒng)集成塊內(nèi)部管路的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Fluent軟件對其內(nèi)部管路流場進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)集成塊內(nèi)的壓力損失的最大部位就在直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處，在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了尺度較大的渦旋，形成了流動滯止區(qū)，主流運(yùn)動需要克服滯止區(qū)內(nèi)的粘性作用力而造成能量損失。此外，渦旋的自身旋轉(zhuǎn)流動和轉(zhuǎn)向時(shí)速度不均勻?qū)е掠鸵簝?nèi)部的相對碰撞同樣產(chǎn)生了大量的能量消耗。

(2)工藝孔容腔內(nèi)產(chǎn)生的渦旋和回流，改變了油液流動特性，對主流運(yùn)動造成了較大的干擾，使主流產(chǎn)生大量的能量損失。

(3)避免使用直角轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，減少工藝孔容腔數(shù)量或縮小工藝孔容腔體積會明顯地降低壓力損失，故在集成塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免此類結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，達(dá)到簡化目的。

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Simulation and Optimization for Channel Inside Manifold Block of Hydraulic System of Dump Truck

Ma Chao， Ni Wenbo， Wang Xuemei

(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031, China)

According to the actual work of the hydraulic system of a dump truck,using computational fluid dynamics methods to simulate its working pipeline of floating state within the manifold block based on Fluent,the results of the calculation are expressed by the figure of pressure contour,velocity contour and velocity vector.By analyzing the law of pressure loss of liquid flow,it is found that the pressure loss is mainly caused by the technique-cavities and the right-angle turning structure.At last, according to the analysis conclusion, some corresponding improvements of the pipeline are made to reduce the volume of technique-cavities and cancel the right-angle turning structure, thus the pressure loss of the pipeline is significantly decreased.

hydraulic manifold block;flow field;numerical simulation;pressure loss

2015-12-13 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.17

馬超(1992-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)檐囕v液壓系統(tǒng)分析。E-mail:machao.54@qq.com

U469.4

A

2095-0373(2017)01-0091-05

馬超，倪文波，王雪梅.某自卸車液壓系統(tǒng)集成塊內(nèi)部管路仿真與優(yōu)化[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(1):91-94.