任 偉， 蘇文斌， 孫 輝， 劉燦杰

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710000；2.江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司， 江蘇 徐州 221004)

引言

閥內(nèi)壓力測量對于研究液壓閥結(jié)構(gòu)與保證液壓閥控制特性具有重要意義。由于閥體結(jié)構(gòu)緊湊，測量元件安裝空間受限，在實(shí)際中進(jìn)行閥內(nèi)壓力測量非常困難。

曹秉剛等[1]搭建了閥芯錐面壓強(qiáng)分布測量裝置，研究了內(nèi)流式錐閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和閥芯錐面壓強(qiáng)分布規(guī)律；冀宏等[2]利用閥套移動(dòng)式液壓閥壓力測量裝置，對兩種典型節(jié)流槽的壓力分布進(jìn)行了分析； 張曉俊等[3]設(shè)計(jì)了一種直接測量閥芯壁面壓力分布的試驗(yàn)方案，對內(nèi)流式滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力進(jìn)行了研究。以上方案均實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下閥內(nèi)壓力的測量。美國伊頓公司[4]在ZTS16 電液比例閥中，利用薄膜式的壓力傳感器和內(nèi)嵌的控制器計(jì)算判斷外加負(fù)載的大小和方向；王雙[5]、鐘麒[6]將薄膜濺射壓力傳感器應(yīng)用于負(fù)載口獨(dú)立可編程閥，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工況下的閥口壓力檢測?？偟膩碚f，眾多學(xué)者都在測量閥內(nèi)壓力方面做了大量有益工作，但液壓閥流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致上述方案中壓力測量元件無法齊平安裝，只能利用引壓管進(jìn)行壓力傳遞[7-8]。而增設(shè)的引壓管會(huì)改變流道結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對閥內(nèi)流場產(chǎn)生影響，上述方案暫未在這方面進(jìn)行深入研究。

因此，本研究提出了一種引壓管對閥內(nèi)流場影響的計(jì)算分析方法，并以四閥芯閥口獨(dú)立控制閥為研究對象進(jìn)行了模擬仿真。首先對控制閥與引壓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；然后建立了閥腔模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；最后進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了不同引壓管內(nèi)徑對閥內(nèi)流場的影響規(guī)律，確定了引壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 四閥芯閥口獨(dú)立控制閥與引壓管結(jié)構(gòu)

圖1所示即為四閥芯閥口獨(dú)立控制閥三維圖， 主要由閥體、回油閥芯、進(jìn)油閥芯和溫壓傳感器組成， 通徑為32 mm。其中溫壓傳感器尺寸為Φ10×8 mm， 各臺(tái)傳感器分別位于四閥芯閥口獨(dú)立控制閥的進(jìn)油閥芯和回油閥芯附近，在閥體上進(jìn)行嵌入式安裝，并通過引壓管與閥腔相連，對各工作口壓力進(jìn)行測量。

1.閥體 2、5、6、9.溫壓傳感器 3、8.進(jìn)油閥芯 4、7.回油閥芯

圖2所示為進(jìn)油閥芯和回油閥芯附近的引壓管三維圖，其上部空腔用于放置環(huán)形密封圈，實(shí)現(xiàn)高壓油密封。圖3所示為引壓管的結(jié)構(gòu)簡圖，單位為mm，圖中除引壓管內(nèi)徑D外，其余參數(shù)已根據(jù)閥體與傳感器尺寸確定。

圖2 引壓管三維圖

圖3 引壓管結(jié)構(gòu)簡圖

2 閥腔模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 閥腔流量仿真

由于所研究的四閥芯閥口獨(dú)立控制閥結(jié)構(gòu)對稱，因此只需要建立單側(cè)閥腔模型。在SolidWorks中進(jìn)行布爾運(yùn)算，根據(jù)閥口遮蓋量和閥芯最大行程，依次對不同閥口開度下的閥腔進(jìn)行抽取，得到閥口開度分別為2.4, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.5 mm的幾何模型，圖4所示為8 mm閥口開度下的閥腔模型。

圖4 閥腔模型

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)常用于研究液壓閥內(nèi)部流動(dòng)特性，根據(jù)閥內(nèi)流體的動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒和能量守恒定律，聯(lián)立邊界條件，即可求出流體相關(guān)參數(shù)[9]。因此本研究將不同閥口開度下的閥腔模型依次導(dǎo)入Fluent軟件中，利用Meshing對閥腔模型進(jìn)行自動(dòng)化網(wǎng)格劃分?？紤]到入口和出口處壓力變化不大，采用較粗網(wǎng)格；閥口部分由于速度和壓力梯度較大，流動(dòng)情況復(fù)雜，為了使計(jì)算容易收斂，采用影響球?qū)ζ涓浇W(wǎng)格進(jìn)行局部加密。圖5所示為劃分好的閥腔網(wǎng)格圖，網(wǎng)格單元總數(shù)為169萬左右。

圖5 閥腔網(wǎng)格圖

假設(shè)閥內(nèi)為不可壓縮的牛頓流體，流動(dòng)狀態(tài)為紊流，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型[11-12]，并設(shè)置閥腔進(jìn)、出口壓力分別為1， 0 MPa。

2.2 閥腔流量試驗(yàn)

開展四閥芯閥口獨(dú)立控制閥流量試驗(yàn)，圖6所示為試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，主要包括液壓泵、安全閥、被試閥、位移傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集器和顯示器。圖7所示為被試四閥芯閥口獨(dú)立控制閥樣閥。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖7 四閥芯閥口獨(dú)立控制閥樣閥

試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)安全閥溢流壓力和液壓泵輸出流量，保證被試閥前后壓差為1 MPa。然后調(diào)節(jié)閥芯位移，記錄不同閥口開度下的流量數(shù)據(jù)。

2.3 閥腔流量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

如表1所示為不同閥口開度下閥腔流量的仿真和試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)閥芯位移為2.4 mm時(shí)，閥口雖未打開，但閥內(nèi)流量試驗(yàn)值已達(dá)0.02 L/min，這是因?yàn)閷?shí)際中閥芯和閥腔內(nèi)壁之間存在配合間隙，從而產(chǎn)生了微小內(nèi)泄漏[13-14]。為保持試驗(yàn)過程中不同閥口開度下被試閥前后壓差的一致性，當(dāng)閥芯位移為13.0 mm和14.5 mm時(shí)，試驗(yàn)流量值均超過被試閥額定流量600 L/min，這種情況在被試閥實(shí)際工作環(huán)境下一般不會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同閥口開度下，仿真與試驗(yàn)得出的閥內(nèi)流量并不完全重合，這是因?yàn)闃娱y存在一定加工誤差。

表1 不同閥口開度下仿真與試驗(yàn)流量

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，通過下式計(jì)算仿真與試驗(yàn)流量相對誤差δ0：

(1)

圖8所示為不同閥口開度下仿真與試驗(yàn)流量相對誤差柱狀圖。

從圖8可以看出，在不同閥口開度下，仿真與試驗(yàn)流量之間的相對誤差最大不超過18%，最小僅為0.05%，整體來看誤差較小，所以此閥腔模型可以用于后續(xù)的分析與研究。

圖8 不同閥口開度下仿真與試驗(yàn)流量相對誤差

3 引壓管對閥內(nèi)流場影響分析

3.1 引壓管對閥內(nèi)流場影響數(shù)學(xué)模型

在不考慮液壓閥外泄漏的情況下，油液在閥內(nèi)流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律[15]。將閥內(nèi)油液假設(shè)為做恒定流動(dòng)的不可壓縮流體，則增設(shè)引壓管前后，流過引壓管所在閥腔截面的流量分別為：

Q1=A1v1

(2)

Q2=A2v2

(3)

式中，A1,A2—— 增設(shè)引壓管前后，引壓管所在閥腔截面積

v1，v2—— 增設(shè)引壓管前后，引壓管所在閥腔截面油液平均流速

將引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響程度表示為：

(4)

若增設(shè)引壓管前后閥內(nèi)流量相等，則有：

(5)

油液在閥腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓降主要由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成[16]，若閥腔出口處壓力為0 MPa，則閥腔進(jìn)出油口之間的壓差為：

(6)

式中， Δp—— 閥腔進(jìn)出口之間的壓差

p—— 進(jìn)口截面的平均壓力

λ—— 沿程阻力系數(shù)

l—— 閥腔長度

d—— 閥腔內(nèi)徑

v—— 油液流速

γ—— 油液重度

ζ—— 局部阻力系數(shù)

將引壓管對閥腔前后壓差的影響表示為：

(7)

式中，δp—— 引壓管對閥腔前后壓差的影響程度

Δp1，Δp2—— 增設(shè)引壓管前后的閥腔進(jìn)出口壓差

3.2 引壓管對閥內(nèi)流場影響仿真

在已驗(yàn)證準(zhǔn)確性的閥腔模型基礎(chǔ)上，增設(shè)引壓管結(jié)構(gòu)，圖9所示為8 mm閥口開度下帶引壓管的閥腔模型。由于引壓管內(nèi)徑D超過傳感器尺寸會(huì)影響傳感器定位，因此在小于傳感器直徑10 mm的范圍內(nèi)，依次設(shè)置引壓管內(nèi)徑分別為2, 4, 6, 8 mm。

圖9 帶引壓管的閥腔模型

圖10所示為帶引壓管的閥腔網(wǎng)格圖，其閥口和引壓管附近閥腔處均進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格單元總數(shù)約為171萬。

圖10 帶引壓管的閥腔網(wǎng)格圖

在求解器中選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，并設(shè)置質(zhì)量流量入口為1.97 kg/s，壓力出口為0 MPa。

3.3 引壓管對閥內(nèi)壓力場影響仿真

圖11所示為不同引壓管內(nèi)徑下閥腔進(jìn)油截面的壓力分布。

圖11 閥腔進(jìn)油截面壓力分布

根據(jù)閥腔進(jìn)油截面壓力分布，調(diào)用后處理軟件，計(jì)算引壓管所在閥腔進(jìn)油截面的平均壓力。根據(jù)式(6)，得到不同引壓管內(nèi)徑下閥腔進(jìn)出口壓差如表2所示，其中引壓管內(nèi)徑為0 mm表示閥腔未增設(shè)引壓管。

表2 不同引壓管內(nèi)徑下閥腔進(jìn)出口壓差

根據(jù)式(7)，計(jì)算得到不同內(nèi)徑引壓管對閥腔進(jìn)出口壓差影響的柱狀圖如圖12所示。

圖12 引壓管對閥腔進(jìn)出口壓差影響

從圖12可以看出，與增設(shè)引壓管前相比，增設(shè)不同內(nèi)徑引壓管對閥腔進(jìn)出口壓差的影響較小，均不超過0.5%，這是由于引壓管尺寸遠(yuǎn)小于整個(gè)閥腔，因此引壓管對流道整體節(jié)流特征的影響較小。

3.4 引壓管對閥內(nèi)速度場影響仿真

圖13所示為進(jìn)油閥芯附近引壓管所在閥腔截面的速度分布。

圖13 引壓管所在閥腔截面速度分布

根據(jù)引壓管所在閥腔截面的速度分布，進(jìn)一步計(jì)算得到該截面的油液平均速度如表3所示。

表3 不同引壓管內(nèi)徑下截面平均速度

根據(jù)式(4)，計(jì)算不同內(nèi)徑引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響，并繪制圖14所示柱狀圖。

從圖14可以看出，引壓管對其所在閥腔截面平均速度影響最小為13.2%，最大20.9%。由于引壓管對其所在閥腔截面積的改變大于其對閥腔整體節(jié)流特征的影響，因此對比閥腔前后壓差，引壓管對其所在截面平均速度的影響更大。隨著引壓管內(nèi)徑的增大，引壓管對所在閥腔截面平均速度的影響增大， 這是因?yàn)橐龎汗軆?nèi)徑增大引起引壓管所在閥腔截面積增大，在確定流量下，由式(5)可知，此時(shí)截面平均速度相應(yīng)降低。

圖14 引壓管對其所在閥腔截面平均速度影響

3.5 引壓管內(nèi)徑確定

本研究采用的溫壓傳感器內(nèi)部感知芯片的尺寸為2.5 mm×2.5 mm×1 mm，為保證芯片表面各處均可感知到油液狀態(tài)，則引壓管內(nèi)徑應(yīng)大于芯片表面線元素的最大長度，即：

(7)

綜合考慮引壓管對閥腔進(jìn)出口壓差、引壓管所在閥腔截面平均速度的影響，以引壓管對閥內(nèi)流場影響盡量小為目標(biāo)，確定引壓管內(nèi)徑為4 mm。

4 結(jié)論

(1) 提出一種引壓管對閥內(nèi)流場影響的計(jì)算和分析方法，并以四閥芯閥口獨(dú)立控制閥為對象，在試驗(yàn)驗(yàn)證了閥腔模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，仿真研究了引壓管對閥內(nèi)壓力場和速度場的影響，揭示了引壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥內(nèi)流場的影響規(guī)律，確定了引壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)；

(2) 仿真研究結(jié)果表明，引壓管在8 mm內(nèi)徑范圍內(nèi)時(shí)，增設(shè)引壓管對閥腔進(jìn)出口壓差的影響較小，不足0.5%，而增設(shè)引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響較大，且隨著引壓管內(nèi)徑增大而增大；

(3) 為滿足溫壓傳感器的工作需求，并降低引壓管對閥內(nèi)壓力場、速度場的影響，最終確定引壓管內(nèi)徑取4 mm為宜。