李 成， 廖瑤瑤， 袁紅兵， 廉自生， 劉 可

(1． 太原理工大學機械與運載工程學院， 山西太原 030024；2． 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室， 山西太原 030024)

引言

綜采液壓支架是煤礦綜采工作面的重要組成部分，隨著“智慧煤礦、智能開采”[1]理念的提出，對綜采工作面提出了更高的要求。液壓支架作為綜采工作面關(guān)鍵的支護設(shè)備， 也必須走向智能化方向。電液控制閥作為液壓支架核心控制部件，通過控制流體的流量及流動方向來滿足液壓支架的動作要求。目前液壓支架用閥基本為開關(guān)閥，控制方式簡單，液壓支架動作單一。為了對液壓支架進行姿態(tài)調(diào)節(jié)，必須使控制閥流量連續(xù)可控，基于此，設(shè)計出一款新型礦用高壓大流量水壓比例閥，用于滿足煤礦行業(yè)開采需求。

該新型礦用水壓比例閥使用水作工作介質(zhì)，由于水的汽化壓力高，可壓縮性小，密度大，所以水壓閥更易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象[2]，從而影響比例閥流量特性。近年來，液壓行業(yè)學者將流體力學理論及計算機技術(shù)相結(jié)合，即CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)，借助CFD技術(shù)對液壓閥內(nèi)部復(fù)雜流場進行模擬仿真和可視化分析，引入兩相流氣穴模型，可分析氣穴現(xiàn)象對閥流量特性的影響。RICCARDO A等[3]對比例換向閥進行了氣穴現(xiàn)象的試驗與數(shù)值分析，利用高壓出口模擬無氣穴現(xiàn)象流場，利用低壓出口模擬氣穴現(xiàn)象流場，通過Fluent仿真與試驗結(jié)果對比分析，得到氣穴對閥口流量系數(shù)的影響規(guī)律。EDWARD L等[4]對比例閥閥芯所受液動力進行分析與補償研究，通過對閥芯進行圓弧凹槽設(shè)計，利用Fluent仿真及試驗，驗證此設(shè)計可以有效補償閥芯液動力。LIAO等[5]將單通道入口改為雙通道入口，利用Fluent對不同結(jié)構(gòu)閥內(nèi)部流場進行可視化研究，得到雙通道入口可以有效降低閥芯徑向不平衡力。RICCARDO A等[6]利用Fluent軟件對閥內(nèi)部流場進行可視化分析，通過優(yōu)化閥芯結(jié)構(gòu)尺寸，補償閥芯液動力，從而使最大開度時驅(qū)動力減小近30%。段博崧等[7]利用試驗檢測閥口壓差對氣穴發(fā)光的影響規(guī)律，介紹產(chǎn)生發(fā)光的原因及影響氣穴大小及發(fā)光強弱的影響因素，進而找到減弱氣穴發(fā)光的方法。張健等[8]基于ADINA流固耦合模塊對3種不同形狀閥芯內(nèi)部流場進行了仿真研究，從壓力和氣穴的角度分析得出45°三角形閥芯的節(jié)流閥性能最優(yōu)，矩形較差，U形閥芯最差。郭永昌等[9]利用Fluent仿真安全閥內(nèi)部流場，通過高速攝像機得到溢流照片驗證了仿真結(jié)果。韓明興等[10]提出了一種具有雙U型閥口的大流量水壓比例插裝閥結(jié)構(gòu)，并利用Fluent研究了不同閥口參數(shù)對液動力的影響，最終通過優(yōu)化閥口參數(shù)減小液動力，加快閥的響應(yīng)特性。陸倩倩等[11]通過Fluent中Cavitation模型研究了雙自由度(2D)伺服閥先導控制閥口處氣穴現(xiàn)象的影響因素及對閥芯穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究了氣穴發(fā)育過程，通過理論進行了驗證。曹飛梅等[12]利用Fluent對模型進行穩(wěn)態(tài)仿真，得到閥內(nèi)流場速度和湍動能分布規(guī)律，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低湍動能損失，抑制流場旋渦的產(chǎn)生。

由于該新型礦用水壓比例閥先導回液閥與水箱連通，相比先導進液閥及主閥，更易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。本研究以先導回液閥內(nèi)部流場氣穴現(xiàn)象對流量特性的影響為主，對先導回液閥內(nèi)部流場進行分析，探明氣穴對閥口流量特性的影響規(guī)律，對該新型比例閥流量穩(wěn)定性研究有一定參考意義。

1 建立模型

1.1 幾何模型

圖1所示為新型礦用水壓比例閥，其工作原理為：比例閥開啟過程，電機驅(qū)動絲杠螺母驅(qū)動先導進液閥打開，P口高壓液體經(jīng)過先導閥流入主閥控制腔，先使主閥回液閥關(guān)閉，主閥控制腔壓力繼續(xù)上升，驅(qū)使主閥進液閥芯右移，使P口與工作口連通。由于先導進液閥鑲嵌在主閥進液閥芯中，兩者可以實現(xiàn)同步動作，直至先導進液閥關(guān)閉時，主閥進液閥芯停止動作；比例關(guān)閉過程，電機驅(qū)動絲杠螺母向左移動，使先導回液閥打開，主閥控制腔與O連通，使主閥控制腔泄壓，主閥進液閥芯在左右腔壓差下回程，主閥進液閥芯跟隨先導回液閥左移，直至先導回液閥關(guān)閉，主閥進液閥芯停止左移。通過控制電機輸入信號，從而控制先導進液閥及先導回液閥閥芯位移，進而控制主閥進液閥芯位移，實現(xiàn)對主閥流量的精確控制。

1.電機 2.主閥回液閥套 3.絲杠 4.先導回液閥 5.單向閥6.開關(guān)閥 7.先導進液閥 8.主閥進液閥芯 9.主閥回液閥芯10.主閥閥座 11.主閥進液閥套圖1 新型礦用水壓比例閥結(jié)構(gòu)圖

液壓閥內(nèi)部流場模型的正確建立及網(wǎng)格質(zhì)量直接決定了模擬仿真結(jié)果的準確性，為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，在對內(nèi)部流場建模時需要進行適當?shù)暮喕?。圖2所示為先導回液閥結(jié)構(gòu)簡圖。

根據(jù)圖2，利用三維設(shè)計軟件Solidworks對先導閥內(nèi)部流場進行優(yōu)化建模，設(shè)置閥開口度x分別為：0.1, 0.2, 0.3 mm，閥口節(jié)流陶瓷球直徑3.2 mm，三維流場模型如圖3所示，流場中心對稱面如圖4所示。

圖3 流場三維模型

圖4 流場中心對稱面

1.2 湍流模型

流體的流動狀態(tài)可分為層流和湍流，湍流在流體流動中特別常見，工程中的液流一般都是慣性力起主導作用，所以大部分為湍流模型[13]。

湍流模型主要由隨機性、擴散性和耗散性等特點，湍流也稱亂流、擾流或紊流[14]。對于液壓閥內(nèi)部流體，由于流速較高及節(jié)流口節(jié)流作用，使得閥內(nèi)流體雷諾數(shù)很大，因此液壓閥內(nèi)部流體流動狀態(tài)為湍流，所以在仿真中選擇標準k-ε模型。

1.3 兩相流模型

為了研究先導回液閥內(nèi)部流場氣穴現(xiàn)象，因此，仿真時選擇mixture兩相流模型，首相為water，次相為vapor，兩相之間轉(zhuǎn)換滿足cavitation模型。

2 計算網(wǎng)格及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

采用有限元分析軟件ANSYS的前處理模塊GAMBIT對流場三維模型進行網(wǎng)格劃分。由于流場結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對閥口速度梯度較大處網(wǎng)格進行加密，效果如圖5、圖6所示。

圖5 開口0.1 mm時網(wǎng)格模型

圖6 局部網(wǎng)格加密

2.2 邊界條件

在模擬仿真時，邊界條件采用壓力入口及壓力出口，對不同開度設(shè)置入口壓力分別為18.5～30.5 MPa(間隔為2 MPa)，出口壓力設(shè)置為0。

3 流場仿真結(jié)果

3.1 不同入口壓力時氣體分布云圖

設(shè)置閥口開度為0.1 mm，對不同入口壓力時流場進行單相流及兩相流模擬仿真。由于單相流仿真結(jié)果作為流量對比，只列出兩相流仿真結(jié)果。圖7所示為閥口開度0.1 mm，入口壓力分別為18.5， 24.5， 30.5 MPa 時中心對稱面氣體分布圖。

圖7 開度0.1 mm時流場中心對稱面氣體分布圖

從圖7氣體分布圖可以看出，當閥口開度一定時，隨著入口壓力升高，流場內(nèi)氣體占比增大。這是由于入口壓力升高，流場內(nèi)速度增大，負壓區(qū)域加大，析出氣體增多。

3.2 不同閥口開度時氣體分布云圖

設(shè)置入口壓力為30.5 MPa，對不同閥口開度時流場進行單相流及兩相流模擬仿真。由于單相流仿真結(jié)果作為流量對比，只列出兩相流仿真結(jié)果。圖8所示為入口壓力為30.5 MPa，閥口開度為0.1， 0.2， 0.3 mm時中心對稱面氣體分布圖。

圖8 入口壓力30.5 MPa時流場中心對稱面氣體分布圖

從圖8氣體分布圖可以看出，當設(shè)置入口壓力一定時，隨著閥口開度增大，流場內(nèi)氣體占比減小，開度為0.3 mm時，閥口處已經(jīng)無氣體產(chǎn)生。由于閥口開度增大，閥口節(jié)流作用減小，閥口處速度梯度降低，負壓區(qū)域減小，析出氣體減少。

4 先導閥壓力流量特性分析

4.1 氣體對流量特性的影響

根據(jù)單相流仿真以及兩相流仿真結(jié)果得到先導閥流量特性曲線，如圖9所示。

由圖9可知，隨著閥口開度增大，單相流仿真與兩相流仿真流量結(jié)果逐漸接近。根據(jù)兩相流仿真流量曲線可知，氣穴現(xiàn)象幾乎不影響流量線性度。

圖9 流量特性曲線

對不同閥口開度下，單相流仿真流量減去兩相流仿真流量，得到流量差(Δq)變化曲線，見圖10。由圖10可知，相同壓力下，當開度增大時，單相流與兩相流仿真得到流量差減小，氣體對流量影響程度變小；相同開度下，隨著入口壓力增大，流量差增大，氣體對流量影響程度增大。

圖10 單相流與兩相流流量差

根據(jù)流量公式得到流量系Cd數(shù)計算公式如下：

(1)

式中，qv—— 流量，m3/s

A—— 閥口過流面積，m2

ρ—— 水密度，kg/m3

Δp—— 閥口壓差，MPa

通過式(1)計算得到閥口流量系數(shù)曲線，見圖11。

圖11 流量系數(shù)曲線

由圖11可知，單相流仿真計算得到的流量系數(shù)比兩相流仿真計算得到的流量系數(shù)大，這是由于兩相流仿真考慮了氣穴現(xiàn)象對流量的影響，從而使流量系數(shù)減??；隨閥口開度增大，流量系數(shù)減小。

4.2 不同背壓下氣穴分布情況

在相同計算環(huán)境下，對閥口開度0.1 mm時流場設(shè)置不同出口背壓(入口壓力30.5 MPa)進行仿真，得到流場氣穴分布如圖12所示。

圖12 流場氣穴分布圖

由圖12可知，在出口背壓為0時，節(jié)流口下游流場及節(jié)流口處氣穴較為明顯；當背壓提升至0.25 MPa時，節(jié)流口下游流場氣穴明顯降低，但節(jié)流口處氣穴仍較明顯；當背壓提升至0.5 MPa時，節(jié)流口下游流場氣穴基本消失；當背壓提升至5 MPa時，節(jié)流口處氣穴強度明顯降低，整個流場基本無氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。為了使比例閥得到穩(wěn)定的輸出流量，可在先導回液閥出口處設(shè)置合適背壓，從而減弱或消除氣穴對流量特性的影響。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)對流量特性的影響

對閥口進行圓角結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖13所示，圓角半徑R分別為0.1 mm及0.2 mm。

圖13 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后流場中心對稱面

在相同計算環(huán)境下，設(shè)置閥口開度0.1 mm，入口壓力30.5 MPa，對優(yōu)化后流場進行兩相流模擬仿真。圖14所示分別為圓角半徑0.1 mm及0.2 mm時流場中心對稱面氣體分布圖。

圖14 流場中心對稱面氣體分布圖

根據(jù)兩相流仿真所得流量，由式(1)計算得到閥口流量系數(shù)曲線，如圖15所示。

圖15 流量系數(shù)曲線

由圖15可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以增大閥口流量系數(shù)，圓角半徑0.1 mm時流量系數(shù)增大較為明顯，圓角0.2 mm流場氣體占比相比0.1 mm減小，但由于圓角0.2 mm時過流面積大，所以圓角0.2 mm時流量系數(shù)比0.1 mm小。

5 結(jié)論

本研究對新型礦用水壓比例閥先導回液閥內(nèi)部流場進行了仿真研究，通過單相流和兩相流仿真結(jié)果對比手段，分析了氣穴對流量特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著閥口開度增大，氣體對流量影響減小，單相流仿真結(jié)果與兩相流仿真結(jié)果越接近；根據(jù)流量特性曲線可得到，氣穴現(xiàn)象對閥口流量線性度影響不大；

(2) 閥口開度一定情況下，隨著進出口壓差增大，單相流仿真與兩相流仿真結(jié)果流量差增大，即氣體對流量的影響加大。當流場易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象時，須考慮氣體對流量影響，采用兩相流模擬仿真，更接近真實流場狀況；通過在出口處設(shè)置合適數(shù)值的背壓，可以有效減弱或消除氣穴現(xiàn)象，從而保證比例閥流量穩(wěn)定性；

(3) 閥口流量系數(shù)與閥口開度、進出口壓差密切相關(guān)。進出口壓差相同條件下，閥口過流面積增大，流量系數(shù)減?。婚y口開度相同條件下，進出口壓差增大，流量系數(shù)減??；閥口圓角優(yōu)化可減小氣體占比，增大流量系數(shù)，由圓角0.1 mm時比圓角0.2 mm時流量系數(shù)大，可知閥口過流面積對流量系數(shù)影響較為明顯。