霍佳波 卓成強(qiáng) 劉忠 張玉璽 扶佳

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

液壓集成塊已成為液壓系統(tǒng)中不可或缺的組成元件，是液壓閥的主要載體，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、泄露少、安裝方便、維護(hù)保養(yǎng)容易、件與元件直接無(wú)油管連接、容易實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和集成塊程度高等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。其內(nèi)部主要以網(wǎng)絡(luò)流道為主，表面分布著作用不同的孔，主要為螺紋安裝孔、公共油孔、工藝孔等孔道。隨著液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造越來(lái)越復(fù)雜，使得液壓集成塊的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜。采用單泵工作的液壓設(shè)備較為普遍，而如要研制一些既要高壓大流量又要在野外完成特殊作業(yè)的液壓設(shè)備，那么就需要多臺(tái)液壓泵集中供給液壓動(dòng)力[5-6]。針對(duì)液壓設(shè)備對(duì)動(dòng)力源壓力、流量的需求，使用Gambit建立多泵合流用液壓集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的三維造型，采用基于κ-ε湍流模型對(duì)集成塊內(nèi)部孔道流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，從而掌握孔道結(jié)構(gòu)壓力損失及速度分布規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計(jì)集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)[7-10]。

1 基于κ-ε湍流模型

在液壓集成塊中，因其內(nèi)部管道變化而引起的局部壓力損失是液壓系統(tǒng)主要損失形式。局部壓力損失與流動(dòng)液壓油的動(dòng)能有著直接的關(guān)系，采用式(1)計(jì)算液壓系統(tǒng)壓力損失：

(1)

式中：ζ是局部阻力系數(shù)，其值與障礙的形式和雷諾數(shù)有關(guān)；ρ是孔道液壓油的密度，單位是kg/m；v為孔道液壓油的平均流速,單位是m/s；從式(1)中可知，液壓集成塊的局部壓力損失與液壓油的流速成正比關(guān)系，液壓油的流速越大，局部壓力損失也就越大，所以在液壓集成塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證其滿(mǎn)足要求的情況下，設(shè)定的液壓油流速可適當(dāng)小些。

由于液壓油具有黏性且是不可壓縮的流體，因此液壓集成塊內(nèi)流動(dòng)的液壓油在經(jīng)過(guò)直角轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)發(fā)生湍流流動(dòng)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε湍流模型[6]：

(2)

式中，μ1為湍流的黏度，k為湍動(dòng)能，ε為湍動(dòng)耗散率，Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取值0.09。

湍動(dòng)能k的運(yùn)輸方程：

(3)

耗散率ε的運(yùn)輸方程：

(4)

其中Cε1、Cε2、σk、σε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取值1.44、1.92、1.3、1.0。

2 建立結(jié)構(gòu)仿真模型

為滿(mǎn)足野外進(jìn)行特殊作業(yè)的液壓施工設(shè)備對(duì)高壓大流量的需求，需設(shè)計(jì)多泵合流用液壓集成塊。由多臺(tái)液壓泵集中供給液壓動(dòng)力，通過(guò)設(shè)計(jì)一種多泵合流用液壓集成塊將各液壓泵提供的壓力油進(jìn)行合流，并經(jīng)過(guò)電液比例壓力流量復(fù)合閥對(duì)合流后壓力油的壓力、流量根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步滿(mǎn)足多種液壓設(shè)備對(duì)泵站的需求。以三泵合流為例設(shè)計(jì)該集成塊，其閥組裝配見(jiàn)圖1。

圖1 集成塊閥組裝配圖

結(jié)合工程實(shí)際，集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)三維模型

液壓集成塊內(nèi)部是縱橫交錯(cuò)的孔道，若采用圓弧轉(zhuǎn)彎，則會(huì)大大提高加工難度和成本，采用直角轉(zhuǎn)彎，加工簡(jiǎn)單、效率高、成本低，故在工程上液壓集成塊內(nèi)部孔道的轉(zhuǎn)彎通常采用直角轉(zhuǎn)彎。由三泵合流液壓集成塊內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)三維模型可知，其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜及直角轉(zhuǎn)彎比較多，其內(nèi)部管道變化而引起的局部壓力損失是液壓系統(tǒng)主要損失形式。因此選取其等比直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖3)，采用基于κ-ε方法的湍流模型對(duì)集成塊內(nèi)部孔道流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析其液壓油在液壓集成塊的流動(dòng)特性和局部壓力損失規(guī)律。

圖3 集成塊等比直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)模型

3 基于κ-ε湍流模型仿真分析

在Gambit中建立仿真結(jié)構(gòu)模型完成后，根據(jù)要求設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，將其保存為msh格式并導(dǎo)入Fluent軟件中，在Fluent軟件中選定進(jìn)口速度為4 m/s，出口壓力可任意值，此處設(shè)定為0 MPa，液壓油的密度為875 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.045 kg/m·s，通過(guò)計(jì)算出入口的壓力差即可測(cè)算壓力損失值。在實(shí)際工況下，該集成塊主要工作形式有三泵同時(shí)供油和單泵供油。

當(dāng)三泵同時(shí)工作，其仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 三泵同時(shí)工作的壓力云圖

圖5 三泵同時(shí)工作的速度云圖

由分布云圖及表1數(shù)據(jù)分析可知，液壓油在孔道內(nèi)各處的壓力大小和流速大小都不同；當(dāng)液壓油剛進(jìn)入液壓集成塊孔道時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，流線保持平行，液壓油流經(jīng)直角彎道時(shí)，壓力減小，說(shuō)明壓力發(fā)生了損失，在三個(gè)孔道中，3號(hào)孔道內(nèi)及出口處的壓力最?。蝗椎纼?nèi)的液壓油進(jìn)入合流以后，流速加快，壓力減小；當(dāng)流經(jīng)第二個(gè)直角彎道時(shí)，壓力再次發(fā)生損失，同時(shí)在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)一個(gè)較大渦旋，由于渦旋流線較大，渦旋中心的速度幾乎為0，液壓油流動(dòng)需要克服此漩渦的黏性力，故造成液壓能損失。

表1 最大流速和壓力損失

現(xiàn)在對(duì)單泵供油時(shí)進(jìn)行分析(以1號(hào)孔泵油為例)，其仿真結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 僅1號(hào)工作的壓力云圖

圖7 僅1號(hào)孔工作的速度云圖

由分布云圖及表2數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)只有單孔進(jìn)油(1號(hào)孔)進(jìn)油時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔道內(nèi)最大壓力出現(xiàn)在1號(hào)孔對(duì)應(yīng)的工藝孔內(nèi)，三條進(jìn)油孔道中，2號(hào)孔壓力最小，1號(hào)孔道內(nèi)每經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)彎，壓力就會(huì)發(fā)生損失，同樣在第二個(gè)轉(zhuǎn)彎處，出現(xiàn)了一個(gè)較大旋渦，工藝孔和2、3號(hào)進(jìn)油孔道速度基本為0，1號(hào)孔油流入公共孔道內(nèi)時(shí)，速度出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在進(jìn)入第二個(gè)轉(zhuǎn)彎后，速度明顯降低。依據(jù)上述分析結(jié)果，現(xiàn)針對(duì)集成塊內(nèi)部孔道T字形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，其分析結(jié)果如圖8、9所示。

表2 僅1號(hào)孔工作時(shí)最大流速和壓力損失

圖8 T字形結(jié)構(gòu)分流壓力分布云圖

圖9 T字形結(jié)構(gòu)分流速度分布圖

由上述分布圖及表3可知，當(dāng)液壓油進(jìn)入分流點(diǎn)時(shí)，在孔道各形成一個(gè)較小壓力旋渦，同時(shí)在分流孔道形成一個(gè)高壓旋渦區(qū)域，液壓油流經(jīng)此區(qū)域時(shí)發(fā)生分流，液壓集成塊分流孔道中，兩側(cè)液壓油的流速不同。該結(jié)構(gòu)壓力的損失主要是液壓油在分流處突然發(fā)生擴(kuò)散從而導(dǎo)致流速壓力沖擊損失和轉(zhuǎn)向損失，可通過(guò)改變分流處結(jié)構(gòu)降低壓力損失。

表3 T字形分流結(jié)構(gòu)最大流速及壓力損失

4 結(jié)論

本文運(yùn)用fluent軟件對(duì)三泵合流液壓集成塊內(nèi)部孔道三泵結(jié)構(gòu)、T字形結(jié)構(gòu)、單泵進(jìn)油結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)分析了三泵合流結(jié)構(gòu)孔道流動(dòng)特性、單孔道進(jìn)油結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性以及T字形孔道流動(dòng)特性。分析結(jié)果表明，孔道內(nèi)流體每經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)彎都會(huì)發(fā)生壓力損失，同時(shí)容易出現(xiàn)紊流，還會(huì)出現(xiàn)旋渦，漩渦是產(chǎn)生局部壓力損失的主要原因。