胡林華，孔 備，張 健,王伯天

(1.鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南鄭州 450005；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱 150080； 3.一汽-大眾汽車(chē)有限公司,吉林長(zhǎng)春 130013)

引言

由于多路閥可以同時(shí)控制多個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量的雙重控制，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械中。多路閥的性能對(duì)工程機(jī)械整體性能有重要影響，是工程機(jī)械的核心元件。長(zhǎng)期以來(lái)由于我國(guó)在多路閥自主開(kāi)發(fā)方面起步晚，基礎(chǔ)薄弱，研究多路閥相關(guān)技術(shù)問(wèn)題有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前已有很多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)多路閥的研究工作。陳源流等[1]研究了多路閥閥芯拓?fù)湫螒B(tài)設(shè)計(jì)的流量參數(shù)模型，為閥芯設(shè)計(jì)提供了參考。XU Liping等[2]利用熱流固耦合方法對(duì)多路閥進(jìn)行了仿真研究。王安麟等[3-5]研究了多路閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。LI Rong等[6]仿真研究了多路閥鋁合金閥體。陳東寧等[7]研究了比例多路閥摩擦補(bǔ)償。張晉等[8]研究了多路閥進(jìn)口節(jié)流流場(chǎng)和壓降特性。孫澤剛等[9]研究了多路閥節(jié)流槽對(duì)氣穴的影響。CHEN Qianpeng等[10]利用多個(gè)軟件聯(lián)合對(duì)多路閥閥芯液動(dòng)力進(jìn)行了研究。ZHANG Dawei等[11]利用有限元方法研究了載荷作用下多路閥閥體變形。劉偉等[12]研究了多路閥控制問(wèn)題。陳革新等[13]研究了多路閥的微動(dòng)特性。徐志剛[14]對(duì)防爆負(fù)載敏感比例多路閥進(jìn)行了研究。

近年來(lái)學(xué)者們對(duì)多路閥做了很多有益的研究工作，但對(duì)于多路閥的流固熱耦合問(wèn)題研究還較少，而溫度對(duì)多路閥性能的影響是不可忽視的，故以模型多路閥閥芯為研究對(duì)象，采用流固熱耦合方法對(duì)多路閥閥芯區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行研究，分析流固熱共同作用下閥芯的變化情況，以期對(duì)多路閥設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 基礎(chǔ)理論

液壓油流過(guò)閥芯流道由于流道突然變窄，油液流速急劇增加形成湍流，假設(shè)油液不可壓縮，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，方程為:

2μtSij·Sij-ρε

(1)

(2)

式中,ρ—— 液壓油密度,kg/m3

k—— 湍動(dòng)能,kg·m2/s2

ε—— 湍動(dòng)能耗散率,m2/s3

U—— 油液速度矢量矩陣,m/s

μt—— 湍流黏度,Pa·s

S—— 平均應(yīng)變率張量

t—— 時(shí)間,s

湍流黏度μt表達(dá)式為：

(3)

式(1)～式(3)中,系數(shù)Cμ,σk,σε,C1ε,C2ε為調(diào)節(jié)常數(shù)，值分別為Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

在ADINA中湍動(dòng)能k及湍動(dòng)能耗散率ε的表達(dá)式分別為:

k=1.5((0.01～0.1)U)2

(4)

式中,U為油液速度，m/s。

本研究選取k=1.5(0.05U)2。

ε=k1.5/(0.3L)

(5)

式中，L為特征長(zhǎng)度，m，等于管道直徑。

2 流固熱仿真研究

2.1 仿真模型建立

閥芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用ADINA軟件對(duì)閥芯流場(chǎng)進(jìn)行流固熱耦合分析，分別建立固體仿真模型和流體仿真模型，進(jìn)行流固熱耦合分析研究時(shí)流體模型要包含固體模型，模型的網(wǎng)格劃

圖1 閥芯結(jié)構(gòu)

圖2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

表1 閥芯材料參數(shù)

表2 液壓油參數(shù)

表3 仿真參數(shù)

圖3 網(wǎng)格劃分

分采用四面體網(wǎng)格，如圖3所示。由于閥芯處通流截面會(huì)有較大突變極易形成湍流，因此仿真采用k-ε湍流模型。閥芯和液壓油的材料參數(shù)分別如表1和表2所示，仿真參數(shù)如表3所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4～圖7為在各種進(jìn)油壓力、進(jìn)油流速、進(jìn)油溫度時(shí)的溫度分布情況。

圖4 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度298 K時(shí)的溫度分布情況

圖5 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度303 K時(shí)的溫度分布情況

圖6 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度308 K時(shí)的溫度分布情況

圖7 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度313 K時(shí)的溫度分布情況

從圖4～圖7可知，油液溫度對(duì)閥芯的影響主要集中在閥芯與油液接觸區(qū)域，隨著油液溫度的升高閥芯受影響區(qū)域逐漸增大。

圖8～圖11為各種進(jìn)油壓力、進(jìn)油流速、進(jìn)油溫度時(shí)的閥芯溫度分布情況。由圖可知，節(jié)流槽處受油液溫度的影響較大，需要將溫度影響考慮到閥芯節(jié)流槽設(shè)計(jì)中，同時(shí)距離油液較遠(yuǎn)的區(qū)域基本沒(méi)有受到油液溫度的影響。

圖12～圖15為各種條件下的閥芯變形情況。

圖8 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度298 K時(shí)的閥芯溫度分布情況

圖9 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度303 K時(shí)的閥芯溫度分布情況

圖10 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度308 K時(shí)的閥芯溫度分布情況

圖11 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度313 K時(shí)的閥芯溫度分布情況

圖12 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度298 K時(shí)的閥芯變形情況

圖13 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度303 K時(shí)的閥芯變形情況

圖14 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度308 K時(shí)的閥芯變形情況

圖15 進(jìn)油壓力30 MPa，進(jìn)油流速0.5 m/s，進(jìn)油溫度313 K時(shí)的閥芯變形情況

從圖12～圖15可知，隨著油液溫度的升高閥芯變形明顯增大，同時(shí)閥芯越靠近回油的區(qū)域變形越大，說(shuō)明如因?yàn)闇厣y芯卡死主要是由于靠近回油區(qū)域的閥芯結(jié)構(gòu)變形角度，因此在設(shè)計(jì)閥芯時(shí)靠近回油的閥芯結(jié)構(gòu)尺寸可適當(dāng)縮小。

圖16 不同進(jìn)油溫度影響下的工作腔壓力

圖16所示為不同進(jìn)油溫度條件下的工作腔壓力隨時(shí)間的變化情況。圖17所示為不同進(jìn)油溫度條件下的出油口流速隨時(shí)間的變化情況。從圖16和圖17可知，當(dāng)油液溫度升高時(shí)工作腔壓力會(huì)隨溫度升高，而回油流量會(huì)隨溫度升高而降低，這是因?yàn)闇囟壬呤归y芯變形造成間隙減小，液阻增大。

圖17 不同進(jìn)油溫度影響下的出油口流速

3 結(jié)論

為探究溫度對(duì)多路閥閥芯及其流場(chǎng)的影響，本研究采用流固熱耦合仿真方法獲得如下結(jié)論：

(1) 油液溫度對(duì)閥芯的影響集中在油液與閥芯接觸區(qū)域，遠(yuǎn)離接觸區(qū)的閥芯部分受油液溫度的影響很小；

(2) 閥芯上節(jié)流槽處受油液溫度影響較大，因此在設(shè)計(jì)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)時(shí)不能忽略溫度對(duì)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的影響；

(3) 閥芯的變形主要發(fā)生在靠近回油區(qū)域，受溫度影響的閥芯卡滯將在此區(qū)域產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)閥芯時(shí)可適當(dāng)放寬閥芯的尺寸公差；

(4) 隨著油液溫度的升高，工作腔壓力將增大，回油流量將減小。

本研究的結(jié)論可為多路閥閥芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，下一步應(yīng)進(jìn)一步考慮閥體和閥芯相互影響的流固熱耦合研究。