陳震，王鶴，閻宇，豐健，高有山

(1.太原理工大學(xué)，新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西太原 030024；2.太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 前言

隨著計算機和微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，液壓元件數(shù)字化已成為液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。高速開關(guān)閥作為典型的數(shù)字液壓閥，通過數(shù)字信號控制流量輸出，具有響應(yīng)速度快、抗污染能力強、可集成性高、價格低等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，高速開關(guān)閥均為滑閥、錐閥或者球閥，利用電-機轉(zhuǎn)換器驅(qū)動閥芯作往復(fù)運動控制閥口啟閉，存在閥芯行程與開關(guān)頻率之間的矛盾，使得開關(guān)頻率難以提高。針對這一問題，提出一種閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥，通過閥芯旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)油路切換，突破閥芯往復(fù)運動結(jié)構(gòu)的限制，提高閥的開關(guān)頻率。

高速開關(guān)閥在閥口開啟過程初期，過流面積較小，油液流經(jīng)窗口時流道急劇變化，流速升高，壓力急劇下降。當壓力低于油液的空氣分離壓時，油液內(nèi)溶解的空氣會大量分解出來，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。氣穴不僅會誘發(fā)閥體的振動和噪聲，還會破壞液流的流動特性，造成流量不穩(wěn)定，影響閥的輸出特性。因此，抑制高速開關(guān)閥氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生對提高高速開關(guān)閥的的性能具有重要意義。

針對液壓閥內(nèi)氣穴現(xiàn)象，研究人員進行了大量研究。白繼平和阮健對極端環(huán)境下的高頻電液數(shù)字閥閥腔流場的氣穴變化規(guī)律進行了研究。陸倩倩等研究了2D伺服閥矩形先導(dǎo)控制閥口的氣穴特性及其對閥芯穩(wěn)定性的影響。張圓等人分析了錐形節(jié)流閥的氣穴現(xiàn)象并得到內(nèi)部流場隨閥桿行程的變化關(guān)系。WANG等通過研究板式高速開關(guān)閥，發(fā)現(xiàn)改變閥芯孔數(shù)可以抑制氣穴，提高閥內(nèi)流場穩(wěn)定性。馬丁等人針對煤礦水壓安全閥的氣穴現(xiàn)象，對閥內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析。孫澤剛等分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對V形節(jié)流槽氣穴性能的影響，并利用改進遺傳算法對模型進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而，不同結(jié)構(gòu)的液壓閥產(chǎn)生的氣穴現(xiàn)象有很大差異，現(xiàn)有研究結(jié)果不適用于新型閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥中。

因此，本文作者對閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥閥口的氣穴現(xiàn)象進行研究，運用SolidWorks軟件建立閥內(nèi)流體模型，選用Fluent中的兩相流模擬流體模型在不同運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣穴現(xiàn)象。根據(jù)仿真結(jié)果中閥口氣穴范圍和氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律，分析氣穴現(xiàn)象發(fā)生的主要位置及氣穴特性的影響因素，為高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供參考。

1 閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。該閥由閥芯、閥套、閥體、套筒、堵頭等部分組成。

圖1 閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

閥芯有2個相互獨立的自由度，可同時進行旋轉(zhuǎn)運動和軸向運動，閥芯左端的套筒聯(lián)接伺服電機，由電機直接驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)；右端的堵頭聯(lián)接步進電機，驅(qū)動閥芯作軸向運動。閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案：在閥芯中部凸肩左右兩端分別開設(shè)8個三角形溝槽，沿圓周方向均勻分布，左右兩端溝槽對稱分布，每個溝槽的外圓周所對應(yīng)的圓心角為45°，相鄰兩凸肩溝槽所對應(yīng)的圓心角為45°。在閥套上開設(shè)兩圈菱形窗口與閥芯上三角形溝槽相對應(yīng)，窗口均沿圓周方向分布，相鄰兩窗口所對應(yīng)的圓心角為180°。

1.2 工作原理

閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥的閥套嵌入閥體孔內(nèi)，閥套配合閥芯的高速轉(zhuǎn)動，通過閥芯旋轉(zhuǎn)改變閥芯凸肩上三角形溝槽與閥套上菱形窗口之間的相對位置來實現(xiàn)油路通斷。閥芯旋轉(zhuǎn)一圈，溝槽與窗口之間會發(fā)生8次通斷。閥口完成一次啟閉即為一個周期，而溝槽與窗口的重疊時間在周期內(nèi)的占比為占空比，由軸向運動調(diào)節(jié)，用字母表示。占空比控制輸出流量的通流時長，增大占空比可以減小流量脈動，提高輸出流量的穩(wěn)定性。以左端入口為例，當步進電機驅(qū)動閥芯右移時，占空比增大。伺服電機驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)，閥芯溝槽旋轉(zhuǎn)至與窗口有重疊部分的位置時，閥口打開，油液由出口流出；當閥芯溝槽旋轉(zhuǎn)至與窗口無重疊部分時，閥口關(guān)閉，出口無油液流出。圖2中陰影區(qū)域即為重疊部分，閥芯旋轉(zhuǎn)不斷改變重疊部分的面積大小，使得閥口流量周期性通斷，實現(xiàn)高速開關(guān)。

圖2 閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥工作原理

2 氣穴理論分析

2.1 混合相的控制方程

Mixture模型是一種簡化的多相流模型，將流體中各相視為相互混合的單流體，通過求解混合物中的連續(xù)方程、動量方程及氣相體積分數(shù)方程來模擬氣液兩相流體的運動。

(1)混合相連續(xù)方程：

(1)

=+(1-)

式中:為混合相密度;為混合相速度;為氣相體積分數(shù);為液相密度;為氣相密度。

(2)動量方程：

(2)

=+(1-)

式中:為混合相動力黏度;為混合相速度;為液相動力黏度;為氣相動力黏度。

(3)氣相體積分數(shù)方程：

(3)

式中:為傳質(zhì)源項(與氣泡的生長和破裂有關(guān))。

2.2 氣泡動力學(xué)方程

在大多數(shù)工程情況下，假設(shè)空化是由于有大量氣核生成的。在液相與氣相之間無滑移運動時，氣泡動力學(xué)模型可由廣義Rayleigh-Plesset方程推導(dǎo)得到：

(4)

式中:為氣泡半徑;為液體表面張力系數(shù);為液體運動黏度;為氣泡表面壓力;為環(huán)境壓力。

忽略氣泡動力學(xué)方程中的二階項和表面張力，式(4)可簡化為氣穴擴散方程，如式(5)所示：

(5)

2.3 Schnerr-Sauer空化模型

Schnerr-Sauer空化模型基于Rayleigh-Plesset方程，能夠描述液相中單個氣泡的生長。將式(1)與式(3)聯(lián)立，得到氣相質(zhì)量變化率與氣相體積分數(shù)變化率之間的關(guān)系：

(6)

其中:氣相體積分數(shù)可由氣泡數(shù)密度與氣泡半徑表示：

(7)

對式(7)求導(dǎo)可得氣相體積分數(shù)變化率與氣泡半徑變化率之間的關(guān)系式：

(8)

Schnerr-Sauer空化模型表達式：

式中:為空氣分離壓。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

文中主要研究菱形窗口處的流場，忽略閥套流道結(jié)構(gòu)對該流場的影響。流體從進口流入，經(jīng)過閥套與閥芯形成的閥腔到溝槽與窗口重疊位置，最后由出口流出。因閥芯為左右對稱結(jié)構(gòu)，故只研究左端進油口到出口的流場即可。根據(jù)閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks軟件建立流體模型，如圖3所示。為便于描述氣穴現(xiàn)象的變化規(guī)律，將閥套上菱形窗口的4個側(cè)面分別設(shè)為、、、面，如圖4所示。

圖3 高速開關(guān)閥的流體模型 圖4 菱形窗口的流體模型

3.2 網(wǎng)格劃分

流體模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，故只取模型的1/2部分作為研究對象即可，忽略閥芯與閥套上的倒角，通過上述對模型的簡化處理來提高計算的收斂速度。采用ANSYS中Mesh模塊的四面體網(wǎng)格方式劃分流體模型，并對閥套窗口以及接觸面進行局部加密，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

將劃分后的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，選擇壓力基瞬態(tài)求解器，忽略質(zhì)量力的影響。閥芯轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，運用滑移網(wǎng)格技術(shù)，將與閥芯壁面接觸的面設(shè)為旋轉(zhuǎn)運動壁面。湍流模型選擇Realizable k-epsilon(2 eqn)。選用兩相流中Mixture模型，主相為液壓油，密度為850 kg/m，動力黏度為0.035 Pa·s；次相為空氣，密度為1.225 kg/m，動力黏度為1.789 4×10Pa·s，兩相間的相互作用選擇cavitation機制，空化模型默認Schnerr-Sauer模型。采用耦合、隱式求解器，可以提高求解的精度。流體模型的入口為壓力入口，出口為壓力出口。

4 仿真結(jié)果及量化分析

為直觀反映不同運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣穴變化趨勢，需要對氣穴大小進行量化處理。利用Fluent后處理模塊中Volume-Ave功能計算出氣相的體積占比，用氣相體積分數(shù)描述氣穴現(xiàn)象。氣相體積為

(9)

式中：為單位區(qū)域內(nèi)的氣相體積分數(shù)；為單位區(qū)域內(nèi)的體積。

氣相體積分數(shù)：

(10)

式中：為混合相體積。

4.1 閥芯旋轉(zhuǎn)角度對氣穴現(xiàn)象的影響

研究閥芯溝槽與閥套窗口的重疊部分(即閥芯旋轉(zhuǎn)角度)逐漸增大時，閥口氣穴范圍與氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律。圖6所示為出口壓力為3 MPa，占空比為0.4，閥芯旋轉(zhuǎn)角度分別為1°、3°、5°、7°的氣穴分布云圖。初始時刻，窗口與溝槽的重疊面積為零?？芍洪y芯旋轉(zhuǎn)角度為1°時，面及其相鄰兩面的氣穴現(xiàn)象嚴重，氣相體積分數(shù)為0.63，面和面的氣穴范圍呈對稱分布且兩面產(chǎn)生的氣穴與面相連，氣穴高度約為窗口總高度的2/3；旋轉(zhuǎn)角度為3°時，氣穴范圍整體大幅度減小，窗口處氣相體積分數(shù)急劇下降，降至0.15，氣相體積分數(shù)最大值主要集中在面和面的中下部區(qū)域，面上氣穴范圍大但氣相體積分數(shù)較小；閥芯旋轉(zhuǎn)為5°時，氣穴現(xiàn)象主要出現(xiàn)在面及其相鄰兩面下部的較小區(qū)域內(nèi)，氣穴形狀與閥芯旋轉(zhuǎn)為3°時相似，氣穴范圍縮小趨勢放緩，與圖7中窗口處氣相體積分數(shù)下降速度減小相一致；閥芯旋轉(zhuǎn)7°時，氣穴范圍有小幅度增加，但氣相體積分數(shù)為0.01，可以忽略不計。綜上可知，當閥芯旋轉(zhuǎn)角度較小時，會產(chǎn)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，氣穴主要發(fā)生在面及其相鄰兩面上，隨旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小，在旋轉(zhuǎn)角度為5°時氣穴現(xiàn)象幾乎消失。通過對比不同閥芯旋轉(zhuǎn)角度的氣穴分布云圖，發(fā)現(xiàn)面與面的氣穴范圍對稱分布且在有規(guī)律縮小，氣相體積分數(shù)最大值所在面未發(fā)生變化，這說明閥芯旋轉(zhuǎn)沒有干擾流場的穩(wěn)定性。

圖6 不同閥芯旋轉(zhuǎn)角度的氣穴分布云圖

圖7 不同閥芯旋轉(zhuǎn)角度的氣相體積分數(shù)變化曲線

4.2 出口壓力對氣穴現(xiàn)象的影響

圖8所示為旋轉(zhuǎn)角度為3°，占空比為0.4，出口壓力分別為0 、1 、3 和5 MPa的氣穴分布云圖?？芍撼隹趬毫? MPa時，氣穴現(xiàn)象非常嚴重，氣穴主要集中在面與相鄰兩面的交界處，兩部分氣穴軸對稱分布，氣相體積分數(shù)為0.60；當出口壓力增大到1 MPa時，氣相體積分數(shù)下降至0.38，氣穴發(fā)生的位置未變化但范圍明顯減小，面與相鄰兩面的氣穴高度下降，面上氣穴范圍小幅度縮?。怀隹趬毫? MPa時，氣穴發(fā)生的主要區(qū)域與前兩者相同，氣穴范圍繼續(xù)下降且處于各面的下半部分，氣相體積分數(shù)下降速度不變，降至0.15；出口壓力為5 MPa時，氣穴現(xiàn)象極小范圍地發(fā)生在面和面上，氣相體積分數(shù)趨于0。綜上可知，在保持其他參數(shù)不變的情況下增大出口壓力，氣穴范圍及氣相體積分數(shù)的最大值減小，但氣穴發(fā)生的主要區(qū)域不變，當出口壓力為5 MPa時，氣穴現(xiàn)象急劇縮小并在旋轉(zhuǎn)角度為3°時幾乎消失。圖9所示為不同出口壓力的氣相體積分數(shù)變化曲線。可知：增大出口壓力，氣相體積分數(shù)的下降速度增大，這表明改變出口壓力可以影響氣穴變化趨勢。

圖8 不同出口壓力的氣穴分布云圖

圖9 不同出口壓力的氣相體積分數(shù)變化曲線

4.3 占空比對氣穴現(xiàn)象的影響

圖10所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉(zhuǎn)角度為3°，占空比分別為0.4、0.7、0.9的氣穴分布云圖。與圖10(a)相比，(b)中面和面上的氣穴高度增加，寬度減小，面上氣穴范圍縮小。占空比為0.9時，氣穴總體形狀保持不變，面和面上的氣穴高度繼續(xù)增加，頂端寬度減小，氣相體積分數(shù)最大值所占區(qū)域上移。綜上可知，改變占空比，氣穴范圍整體形狀不變，只有氣相體積分數(shù)最大值區(qū)域有小幅度變化。圖11所示為不同占空比的氣相體積分數(shù)變化曲線?？芍翰煌伎毡鹊臍庀囿w積分數(shù)變化曲線基本重合，只在旋轉(zhuǎn)角度為3°和4°時有差異，但氣相體積分數(shù)小于0.2，數(shù)值較小。因此，可以說明占空比的變化對氣穴現(xiàn)象的影響較小。

圖10 不同占空比的氣穴分布云圖

圖11 不同占空比的氣相體積分數(shù)變化曲線

4.4 菱形窗口邊長對氣穴現(xiàn)象的影響

圖12所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉(zhuǎn)角度為3°，邊長分別為2、3 mm時的氣穴分布云圖。與圖12(a)相比，圖(b)中氣穴現(xiàn)象只在面和面上發(fā)生且范圍極小。增大窗口邊長，會增加窗口的流通面積，使得窗口處速度變化率減小，壓力梯度下降。圖13所示為不同窗口邊長的氣相體積分數(shù)變化曲線?？芍哼呴L為3 mm時，氣相體積分數(shù)急劇減小，閥芯旋轉(zhuǎn)角度為3°時趨向于0，窗口邊長的增大提高了氣穴現(xiàn)象的下降速度，同時也帶來了一個問題，增大窗口邊長也增加了窗口的最大流通面積，增大了流量脈動，不利于閥口流量的穩(wěn)定輸出。

圖12 不同窗口邊長的氣穴分布云圖

圖13 不同窗口邊長的氣相體積分數(shù)變化曲線

4.5 閥芯結(jié)構(gòu)對氣穴現(xiàn)象的影響

以上研究的閥芯結(jié)構(gòu)為空心閥芯，優(yōu)點是閥芯質(zhì)量小、易驅(qū)動且閥芯旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩小。為研究旋轉(zhuǎn)過程中不同閥芯結(jié)構(gòu)氣穴現(xiàn)象的變化規(guī)律，建立實心閥芯的流體模型如圖14所示。

圖14 實心閥芯流體模型

圖15所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉(zhuǎn)角度為3°，占空比為0.7，閥芯分別為空心閥芯、實心閥芯時的氣穴分布云圖。可知：兩者的氣穴范圍大致相同，但結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變引起了氣相體積分數(shù)最大值范圍的轉(zhuǎn)移，即在面上減小而在面上增加。圖16所示為不同閥芯結(jié)構(gòu)的氣相體積分數(shù)變化曲線。可知：實心閥芯的氣相體積分數(shù)變化曲線在空心閥芯之下，但兩者在數(shù)值上相差較小。結(jié)果表明，兩種閥芯結(jié)構(gòu)的氣穴現(xiàn)象變化規(guī)律相近，且實心閥芯質(zhì)量遠大于空心閥芯，故空心閥芯具有更好的結(jié)構(gòu)性能。

圖15 不同閥芯結(jié)構(gòu)的氣穴分布云圖

圖16 不同閥芯結(jié)構(gòu)的氣相體積分數(shù)變化曲線

4.6 菱形窗口傾斜角度對氣穴現(xiàn)象的影響

觀察上述氣穴分布云圖可知，氣穴現(xiàn)象易發(fā)生在靠近閥芯溝槽的一側(cè)，若改變閥芯溝槽與閥套窗之間的夾角，可能會減少氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，提高輸出流量的穩(wěn)定性。

因此，研究不同菱形窗口傾斜角度下氣穴現(xiàn)象，分析氣穴現(xiàn)象的變化規(guī)律。窗口傾斜角度是傾斜軸線與軸的夾角，該軸線所在截面分別穿過面與面的交線以及面與面的交線，如圖17所示。

圖17 傾斜軸線截面

圖18所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉(zhuǎn)角度為3°，占空比為0.4，傾斜角度分別為0°、10°、15°、20°、25°時的氣穴分布云圖。對比圖18(a)與(b)發(fā)現(xiàn)，傾斜角為10°時，氣穴范圍急劇減小，氣相體積分數(shù)的下降速度增大，只在面與面有極小范圍的圓形氣穴產(chǎn)生。當傾斜角度增加到15°時，圓形氣穴的范圍繼續(xù)縮小，且氣相體積分數(shù)最大值僅為0.065。繼續(xù)增大傾斜角，氣穴范圍基本不再變化，這與圖19中為15°、20°、25時的氣相體積分數(shù)變化趨勢相一致。

圖18 不同傾斜角的氣穴分布云圖

圖19 不同傾斜角的氣相體積分數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

(1)利用Fluent軟件對閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥閥口的氣穴現(xiàn)象進行數(shù)值模擬及量化分析，發(fā)現(xiàn)氣穴現(xiàn)象主要發(fā)生在靠近閥芯溝槽一側(cè)。在閥芯旋轉(zhuǎn)角度較小時閥口氣穴現(xiàn)象嚴重，氣穴范圍隨旋轉(zhuǎn)角度的增加而減小。

(2)分析不同運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣穴現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)增大出口壓力可以提高氣穴現(xiàn)象的下降速度，當出口壓力為5 MPa時，氣穴范圍急劇縮小并在旋轉(zhuǎn)角度為3°時基本消失；增大菱形窗口邊長可以抑制氣穴發(fā)生，同時會增大閥口流量脈動，不利于閥口輸出流量的穩(wěn)定性；改變占空比對氣穴現(xiàn)象的影響較??；空心閥芯比實心閥芯具有更好的結(jié)構(gòu)性能。

(3)針對易產(chǎn)生氣穴的流道結(jié)構(gòu)問題，分析不同菱形窗口傾斜角度對氣穴現(xiàn)象的影響，發(fā)現(xiàn)增大傾斜角度，可以減少氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生。當傾斜角度為15°時，氣相體積分數(shù)變化曲線最低，氣相體積分數(shù)最大值僅為0.065，氣穴抑制效果顯著。

(4)通過對閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥閥口的氣穴特性的研究，為減少氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供了參考。