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(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所， 北京 100076)

引言

閉式液壓伺服系統(tǒng)在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量熱能引起油液升溫，如果油液體積膨脹到低壓腔的最大容積后繼續(xù)膨脹就會(huì)引起系統(tǒng)低壓升高。在液壓源上設(shè)置一個(gè)低壓安全閥，以防止低壓升得過(guò)高引起液壓系統(tǒng)損壞：當(dāng)系統(tǒng)低壓達(dá)到低壓安全閥的開啟壓力后，一部分低壓油通過(guò)低壓安全閥卸到油箱外，這樣就限制了系統(tǒng)低壓的上限，保護(hù)了液壓系統(tǒng)。

低壓安全閥是液壓伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其啟閉特性是影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至飛行任務(wù)成敗的關(guān)鍵特性。為保證低壓安全閥的排油功能，在伺服系統(tǒng)單元測(cè)試過(guò)程中設(shè)置了低壓安全閥檢查項(xiàng)目。

全開流量是啟閉特性中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如果全開流量偏低導(dǎo)致低壓安全閥未能及時(shí)有效地卸荷，系統(tǒng)仍會(huì)存在低壓緩慢上升并破壞液壓系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，危害較大，甚至影響任務(wù)成敗。某型號(hào)低壓安全閥產(chǎn)品在研制初期的啟閉特性檢查中，全開流量測(cè)試值均低于指標(biāo)要求。因此，必須對(duì)全開流量偏低的原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析并以此對(duì)閥的流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低壓安全閥工作原理

低壓安全閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.密封墊 2.閥芯 3.彈簧 4.閥體 5.彈簧座圖1 低壓安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

該低壓安全閥采用單級(jí)彈簧加載式直動(dòng)型結(jié)構(gòu)，其工作原理：初始狀態(tài)時(shí)伺服系統(tǒng)的低壓油直接作用在閥芯和密封墊上，當(dāng)液壓力小于設(shè)定的調(diào)壓彈簧力時(shí)，閥芯和密封墊在彈簧的作用下處于關(guān)閉位置，彈簧力使密封墊變形從而將進(jìn)、出油口密封隔斷；當(dāng)液壓力等于或大于設(shè)定的調(diào)壓彈簧力時(shí)，閥芯開啟，膨脹油液以一定的流量順利排出，有效地穩(wěn)定低壓油路壓力，保護(hù)油箱和低壓管路；當(dāng)液壓力降至低于調(diào)定的彈簧力時(shí)，閥芯和密封墊在彈簧力的作用下返回并壓緊在閥體上阻斷進(jìn)油口，低壓安全閥再次關(guān)閉。

2 全開流量偏低的原因分析

2.1 理論計(jì)算與分析

低壓安全閥開啟后的三維剖視圖見圖2，其中箭頭為閥內(nèi)部液壓油流動(dòng)方向，閥芯處的局部流道放大圖見圖3。

圖2 低壓安全閥內(nèi)部流道三維剖視圖

低壓安全閥開啟瞬間，閥芯受力平衡方程式如下：

pc·AY=k·xc

(1)

式中，k—— 調(diào)壓彈簧剛度

xc—— 調(diào)壓彈簧預(yù)壓縮量

AY—— 進(jìn)油口過(guò)流面積

pc—— 彈簧調(diào)定的開啟壓力

圖3 閥芯局部流道放大圖

系統(tǒng)低壓達(dá)到全開壓力后，全開壓力在閥芯端面的有效作用范圍主要集中在進(jìn)油口過(guò)流面的投影內(nèi)，而閥芯端面在投影區(qū)域外所受液壓力趨近于閥出口大氣壓(近似為0)。在忽略摩擦力、液動(dòng)力且不考慮油液的壓縮性時(shí)，列出閥芯在穩(wěn)態(tài)狀況下的受力平衡關(guān)系式：

p1·AY=pc·AY+k·x

(2)

式中，p1—— 全開壓力

x—— 從開啟壓力到全開壓力后彈簧的壓縮量，即閥芯開度

由式(2)計(jì)算得出，x=0.244 mm。

油液流經(jīng)低壓安全閥閥芯的流動(dòng)屬于兩平行圓盤縫隙間的徑向流[1]：流動(dòng)由閥芯端面進(jìn)、出口的壓差引起，在閥芯左端面與閥體入口右端面間的圓盤縫隙中形成流量。全開流量是指閥芯在全開壓力作用下流經(jīng)閥口的液壓油流量。

閥芯開啟后溢流的壓力-流量方程[2]如下：

(3)

式中，QY—— 全開流量

Cd—— 流量系數(shù)

ρ—— 油液密度

Δp—— 閥芯端面進(jìn)、出口壓差

A—— 閥芯處圓周過(guò)流面積[1]，A=2πr·x

r—— 進(jìn)油口半徑

由式(3)可知，流量系數(shù)Cd和油液密度ρ均為定值，全開流量與閥芯過(guò)流面積A和閥芯端面進(jìn)、出口壓差Δp有關(guān)。

由式(2)可知，若閥的全開壓力p1和開啟壓力pc一定，在不改變閥進(jìn)油口過(guò)流面積AY的前提下，閥芯開度x(即過(guò)流面積A)也一定；而閥芯端面進(jìn)、出口壓差Δp=p1-p2與閥芯端面出口壓力p2(如圖3所示)有關(guān)。若忽略不計(jì)閥芯端面出口“爪部倒角”處及其下游的壓力損失，則p2為大氣壓(約為0)，Δp=p1-p2≈p1。

將低壓安全閥實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(3)計(jì)算，得出上述前提下的低壓安全閥全開流量QY=1.2 L/min，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求QY≥0.8 L/min。但這與實(shí)際測(cè)試結(jié)果不一致，因此需進(jìn)一步進(jìn)行閥內(nèi)流場(chǎng)的仿真分析。

2.2 仿真計(jì)算與分析

利用CFD軟件對(duì)全開壓力下低壓安全閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算[3]，仿真的基本模型如圖2所示。

CFD網(wǎng)格劃分[4-6]：

將低壓安全閥三維模型導(dǎo)入CFD軟件中進(jìn)行流道的網(wǎng)格劃分。根據(jù)閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在復(fù)雜的流場(chǎng)處(如閥口和流道的拐角處)細(xì)化網(wǎng)格以達(dá)到精確快速求解的目的。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 低壓安全閥流道網(wǎng)格劃分模型

計(jì)算的邊界條件[7-9]：

(1) 閥內(nèi)的液壓油假設(shè)為不可壓縮流體，流動(dòng)是單相流；

(2) 液壓油的流動(dòng)為絕熱流動(dòng)；

(3) 液壓油在流動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)；

(4) 閥進(jìn)油孔取為壓力入口，閥出口取為壓力出口：入口為1.5 MPa，出口為大氣壓101325 Pa(約等于0.1 MPa)；

(5) 流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面；

(6) 流動(dòng)狀態(tài)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型；

(7) 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：閥芯開度0.244 mm；

(8) 計(jì)算所用的其他液壓油參數(shù)：密度ρ=860 kg/m3，動(dòng)力黏度為μ=0.27 N·s·m-2。

通過(guò)對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的仿真可得到閥內(nèi)壓力場(chǎng)的分布圖，結(jié)果以壓力云圖的形式給出。圖5為閥內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖，圖6為壓力云圖的局部放大圖。

從仿真的壓力云圖結(jié)果可以看出，流道中閥芯爪部倒角處壓力p2遠(yuǎn)大于閥出口大氣壓(約為0)，存在局部壓力損失。說(shuō)明閥芯端面出口的爪部倒角處是明顯的節(jié)流結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致流道中p2升高，而閥芯端面進(jìn)、出口的壓差Δp也因此降低。將此Δp仿真值代入式(3)計(jì)算，得到全開流量的仿真值小于理論計(jì)算值且不滿足要求值，與實(shí)測(cè)情況相符。因此，閥芯爪部倒角的大小直接影響其局部壓力損失大小，進(jìn)而影響閥芯端面進(jìn)、出口壓差和流量的大小。

圖5 閥內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖

圖6 閥內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖局部放大圖

圖7為閥芯結(jié)構(gòu)三維模型，爪部倒角原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖8所示。為進(jìn)行對(duì)比研究[10]，調(diào)整爪部倒角參數(shù)再次進(jìn)行閥內(nèi)流道的CFD仿真。倒角結(jié)構(gòu)一般不超過(guò)45°，在45°之內(nèi)將模型中的閥芯爪部倒角增加為如圖9所示的0.6×30°。

圖7 閥芯結(jié)構(gòu)三維模型示意圖

圖8 閥芯爪部倒角原結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖9 閥芯爪部倒角增大后的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖10為閥芯倒角增大為0.6×30°后的閥內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖，圖11為壓力云圖的局部放大圖。

圖10 閥芯爪部倒角增大后的閥內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖

圖11 閥芯爪部倒角增大后的閥內(nèi)流場(chǎng)局部放大圖

由圖6和圖11放大圖可見，閥芯爪部倒角的增加明顯改善了流道內(nèi)油液的漩渦流動(dòng)，油液過(guò)流更加通暢。這是因?yàn)橐簤河土鞯介y芯爪部倒角處局部壓力損失和壓力p2降低，閥芯端面進(jìn)、出口壓差變大，液壓油流動(dòng)速度提高，從而流量也有所提高。因此，增加閥芯爪部倒角會(huì)使油液在低壓安全閥內(nèi)部流道的流動(dòng)更加通暢，增加閥芯進(jìn)、出口壓差，從而提高低壓安全閥的全開流量。

根據(jù)壓力云圖計(jì)算[3]可知，閥芯爪部倒角為30°的低壓安全閥比閥芯爪部倒角為15°的低壓安全閥閥芯端面進(jìn)、出口壓差增加約33%.在閥芯開口相同的情況下，全開流量也相應(yīng)增加約16%.根據(jù)仿真分析的對(duì)比結(jié)果，初步確定了低壓安全閥閥芯爪部倒角為30°的優(yōu)化改進(jìn)[11-12]方案。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證閥芯爪部倒角經(jīng)過(guò)改進(jìn)增大后全開流量是否有所提高，并驗(yàn)證內(nèi)部流場(chǎng)仿真的正確性及優(yōu)化改進(jìn)的合理性，將15°爪部倒角和30°爪部倒角的2種閥芯分別裝配在不同的低壓安全閥中進(jìn)行啟閉特性檢查。調(diào)定開啟壓力pc≥1.2 MPa時(shí)，固定好彈簧座。當(dāng)流經(jīng)低壓安全閥的液壓油在出口處呈細(xì)線狀時(shí)，判斷為低壓安全閥開啟。復(fù)測(cè)開啟壓力，合格后測(cè)試全開壓力下的流量。將油壓升至全開壓力1.5 MPa，此時(shí)測(cè)試排油管流出的液壓油流量即為全開流量，如圖12所示。

圖12 低壓安全閥啟閉特性測(cè)試試驗(yàn)

用2件不同的低壓安全閥(編號(hào)分別為C01017、C01015)分別裝配2種不同的閥芯進(jìn)行啟閉特性測(cè)試，全開流量測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

表1 低壓安全閥(編號(hào)：C01017)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 低壓安全閥(編號(hào)：C01015)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，低壓安全閥在裝配0.6×30°爪部倒角閥芯時(shí)，全開流量較大，過(guò)流通暢，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果趨勢(shì)相符。

因此，將低壓安全閥產(chǎn)品的閥芯爪部倒角結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)[11-12]為0.6×30°。經(jīng)驗(yàn)證，采用優(yōu)化方案的低壓安全閥產(chǎn)品的全開流量調(diào)試合格率在90%以上，此結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功地應(yīng)用在型號(hào)伺服液壓源產(chǎn)品上。

4 結(jié)論

(1) CFD軟件的流場(chǎng)仿真能夠?qū)Φ蛪喊踩y內(nèi)液壓油的流動(dòng)特性進(jìn)行精確模擬，對(duì)于研究分析低壓安全閥全開流量偏低的原因具有重要作用，有利于產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)；

(2) 節(jié)流結(jié)構(gòu)“閥芯爪部倒角”的增大，改善了閥內(nèi)部流動(dòng)，降低了此處的局部壓力損失和閥芯端面出口壓力，進(jìn)而提高了閥芯端面進(jìn)、出口壓差。而在閥芯過(guò)流面積已確定的前提下，最終提高了全開流量的大小。