許家祥,林振浩,2,聶家熙,錢錦遠

(1.浙江大學 能源工程學院,浙江 杭州 310027; 2.閥源智能科技(杭州)有限公司,浙江 杭州 310058)

引言

液壓滑閥作為液壓系統(tǒng)的控制元件,運行時通過改變其節(jié)流面積控制介質(zhì)流量進而控制整個液壓系統(tǒng)[1],因此液壓滑閥的性能直接關(guān)系著液壓系統(tǒng)的整體性能和質(zhì)量[2-3]。隨著液壓行業(yè)的快速發(fā)展,對液壓閥也提出了更高性能的要求。流體流經(jīng)節(jié)流槽口時流動狀態(tài)較為復雜并產(chǎn)生黏性加熱效應,使得液壓閥發(fā)生熱膨脹變形,導致閥芯發(fā)生卡滯現(xiàn)象,可能會嚴重降低液壓閥的精度和靈敏度。國內(nèi)外眾多學者對液壓閥內(nèi)部流場特性進行了深入的研究。石金艷等[4]運用軟件STAR-CD仿真得到雙三角形節(jié)流槽液壓滑閥在不同閥口開度時的穩(wěn)態(tài)液動力數(shù)值;鄭智劍等[5]采用數(shù)值模擬方法研究得出,在高壓入口條件下,液壓滑閥節(jié)流槽區(qū)域內(nèi)及其出口處存在多個空化區(qū)域;白瓊等[6]用Fluent仿真軟件數(shù)值計算得出,在相同的進出口壓力差和相同的開口度下,V形槽的穩(wěn)態(tài)液動力最小,然后依次是U形槽、K形槽,全周開口穩(wěn)態(tài)液動力最大。張鑫等[7]研究結(jié)果表明,增大閥口壓差會導致流體的最大流速以及閥芯的最高溫度和最大變形增大,而增加節(jié)流槽數(shù)量則會導致閥芯的最大變形增大,但流體流速及閥芯最大溫度變化微弱;陳曉明等[8]使用COMSOL對滑閥的熱變形進行研究后發(fā)現(xiàn),節(jié)流槽底面為高溫主要出現(xiàn)區(qū)域并沿著節(jié)流槽徑向區(qū)域發(fā)生變形,固體顆粒在變形后的間隙均壓槽內(nèi)聚集,這些原因都可能導致滑閥發(fā)生卡滯;YIN Y等[9]建立了滑閥徑向配合間隙隨溫度變化的數(shù)學模型;LIU J等[10]提出了一種基于不規(guī)則形狀節(jié)流槽參數(shù)的建模方法;ABDALLA M O等[11]對于液壓閥內(nèi)的能量損失做了分析,仿真結(jié)果表明,閥芯的小開口或者間隙所造成的高湍流和流體的高速度,導致了液壓閥內(nèi)極大的能量損失;LU L等[12]通過數(shù)值模擬分析了U形節(jié)流槽形成大蒸氣腔的缺口流動特性及其喘振不穩(wěn)定性;張洋等[13]提出一種新型組合槽結(jié)構(gòu)可有效改善閥芯受力變形;梁海琴等[14]提出一種可靠性分析流程為滑閥中的彈簧選型提供參考從而改善卡滯現(xiàn)象。

當節(jié)流槽口形狀不同時,槽口的有效過流面積和介質(zhì)通過流量都會不同,相應的溫升都有所不同,本研究采用熱-流-固耦合方法對不同形狀節(jié)流槽液壓閥的流體動力學和閥芯的溫度特性進行了數(shù)值模擬。獲得了U形、V形、C形節(jié)流槽的流動特性,然后將流體分析的結(jié)果應用于結(jié)構(gòu)分析,并利用Workbench軟件分析了芯體之間的接觸應力,為減小閥芯卡滯的措施提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

液壓閥在實際工作中一般保持恒定開度下長時間運行,閥內(nèi)流量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),因此,在計算過程中不考慮方程中與時間相關(guān)的項。液壓滑閥和閥芯之間的流體為黏性不可壓縮流體。閥內(nèi)流體流動與能量的傳遞必須滿足的基本控制方程具體如下。

首先是連續(xù)性方程和動量方程:

(1)

▽·(ρvv)=-▽p+(μl+μt)▽2v+ρg

(2)

式中,v——流體速度

ρ——流體密度

μl,μt——分子擴散率(運動黏度)和湍流擴散率

能量守恒定律:

(3)

式中,Cp——比熱容

T——溫度

K——流體的傳熱系數(shù)

ST——黏性耗散的一部分

k-ε兩方程湍流模型是ANSYS/Fluent軟件常用的湍流模型,其中湍動能k及其耗散率ε采用如下方程計算:

(4)

(5)

式中,Gk——由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能

Gb——浮力沖擊產(chǎn)生的湍流動能

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響

μ——黏度系數(shù)

xi——流向的坐標

模型系數(shù)由C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0和Cμ=0.09給出,湍流動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為Sk=1.0和Sε=1.3。

本研究在傳熱分析中所采用的邊界條件是第三邊界條件Robin條件,固體內(nèi)部存在熱傳導:

(6)

式中,q——熱流密度

λ——導熱系數(shù)

對流換熱的發(fā)生是因為固體和流體之間存在溫差,此時熱流密度與溫度范圍呈正比關(guān)系:

(7)

式中,h——對流換熱系數(shù)

TW,Tf——邊界溫度和流體溫度

根據(jù)初始值,溫度分布可以表示為:

T|t=0=T0orT|t=0=φ(x,y,z)

(8)

根據(jù)溫度場求解應力方程:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中,αT——熱膨脹系數(shù)

E——彈性模量

G——剪切模量

ν——泊松比

1.2 熱流固耦合方法

由于閥芯與閥體的變形量數(shù)量級與整體閥門結(jié)構(gòu)尺寸的數(shù)量級差距明顯,所以由于閥體及閥芯變形所產(chǎn)生的流場特征變化影響較小,可以忽略不計,故采用的研究方法是單向熱流固耦合。單向熱流固耦合的具體思路如下:先對閥內(nèi)的流場進行模擬仿真分析得到油液流場的溫度場分布,然后熱仿真模擬分析獲得熱應力分布,最后將模擬得到的流體力及熱應力作為載荷應用到結(jié)構(gòu)應力分析中從而得到對應結(jié)構(gòu)的變形值。通過ANSYS Workbench完成數(shù)值仿真求解,圖1是熱流固耦合界面。

圖1 ANSYS Workbench熱流固耦合界面

2 數(shù)值方法

2.1 數(shù)值模型

本研究選擇工程實際中使用的液壓滑閥為研究對象,并對其進行了簡化,結(jié)構(gòu)上由閥體、帶有節(jié)流槽口的閥芯以及流入和流出通道等組成。閥芯是圓柱形的階梯軸,閥芯上下各有一個對稱的節(jié)流槽槽口。圖2顯示了液壓滑閥的幾何尺寸,閥門入口和出口直徑為12 mm,閥體與閥芯配合的內(nèi)徑為16 mm。

圖2 液壓滑閥結(jié)構(gòu)尺寸

本研究主要研究對象為不同節(jié)流槽形狀的液壓滑閥,圖3為本研究所用的不同節(jié)流槽結(jié)構(gòu)尺寸,分別為U形、C形、V形。這3種節(jié)流槽形狀均為典型節(jié)流槽形狀,U形節(jié)流閥口前端為半圓槽式,后端為矩形式等截面通道,該類節(jié)流槽在一定流量范圍內(nèi),流量增益較為平緩,線性度好,可減少滑閥換向時的液壓沖擊與振動;C形節(jié)流實際為橢圓形節(jié)流槽,結(jié)構(gòu)簡單,加工工藝優(yōu)良,流量調(diào)節(jié)范圍寬,并且其水力半徑大,節(jié)流口不容易堵塞;V形節(jié)流槽過流流體狀態(tài)變化平穩(wěn),閥芯徑向力平衡,易于調(diào)節(jié)流量控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行端速度穩(wěn)定[15]。截面尺寸選擇與合作單位提供的液壓滑閥樣機相一致,槽口深度為1.5 mm,同時選擇固定開度為2 mm。

圖3 不同液壓滑閥節(jié)流槽示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件計算參數(shù)設(shè)置

流體域和固體域的網(wǎng)格劃分均在ANSYS Workbench中進行。由于結(jié)構(gòu)復雜,該模型混合使用了結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。此外,為了提高計算精度,在流體流動狀態(tài)較為復雜的節(jié)流閥槽區(qū)域進行了相應的網(wǎng)格加密,如圖4所示。液壓滑閥的模型在y-z平面上完全對稱,兩側(cè)的狀態(tài)相同,因此,為了簡化計算,將原模型簡化為一半,將截面設(shè)置為對稱平面進行數(shù)值模擬。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

為了消除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響,進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,采用5種不同尺寸的網(wǎng)格獲取相應的最高溫度,網(wǎng)格無關(guān)性驗證曲線如圖5所示,可以看到當流體域網(wǎng)格數(shù)量達到78萬時已經(jīng)能確保數(shù)值模擬的準確性,而為了數(shù)據(jù)的精確,本研究流體域模擬網(wǎng)格數(shù)量均大于78萬,而相應的固體域網(wǎng)格取1125777。

圖5 流體域網(wǎng)格無關(guān)性驗證曲線

在Fluent中計算流量,流體介質(zhì)為油,其特性如表1所示。采用k-ε方程的雙程湍流模擬。入口壓力為10 MPa,出口壓力為0。忽略重力對流場的影響,假設(shè)流道中的介質(zhì)為不可壓縮流體。初始油溫設(shè)定為30 ℃,環(huán)境溫度為25 ℃,忽略溫度變化對液體黏度的影響。在Workbench中穩(wěn)態(tài)熱分析和靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析下進行結(jié)構(gòu)分析。閥體和閥芯的材料設(shè)定為鋼,閥體和閥芯之間的接觸假定為摩擦,基于工程經(jīng)驗將摩擦系數(shù)設(shè)為0.1,并將固定約束添加到閥體底部。

表1 介質(zhì)油的物理參數(shù)

3 閥門流動特性研究

3.1 流速分布

圖6分別為U形、C形、V形液壓滑閥的流體域?qū)ΨQ面的流速分布,進口處和出口處為低速區(qū),而高速區(qū)主要集中在節(jié)流口處,這是流體經(jīng)過節(jié)流槽時受到了節(jié)流作用,流速迅速上升,形成了較大速度梯度的同時形成高速射流。而這局部較大的速度梯度將造成能量損失,迫使油液溫度快速升高,這會使與流體有接觸的閥體閥芯產(chǎn)生膨脹熱變形從而造成閥芯卡滯。

圖6 流速分布圖

對比3種不同節(jié)流槽形狀的流速分布圖可以看到,不同節(jié)流槽流速分布與射流角θ(射流方向與豎直方向的夾角)都存在區(qū)別,V形節(jié)流閥高速區(qū)相較于U形與C形明顯更大,這說明流體在流經(jīng)V形節(jié)流槽口時節(jié)流作用明顯,而射流角的大小呈現(xiàn)θV<θC<θU,其中V形液壓閥射流角明顯小于其他兩類液壓閥,而射流角越大,就會有更多的流體沖擊閥芯窄頸段表面從而產(chǎn)生回流現(xiàn)象,對滑閥的影響也更嚴重。

3.2 壓力分布

圖7分別為U形、C形、V形液壓滑閥的流體域?qū)ΨQ面的壓力分布,進口處為高壓區(qū),出口處為低壓區(qū),而壓降區(qū)主要分布在節(jié)流槽口處,這是由于流體流經(jīng)節(jié)流槽時受到節(jié)流作用,壓力迅速下降。而當流體流入出口流道后,流通面積較節(jié)流槽處增大,流體流速下降,從而導致此處的流體壓力開始回升,出現(xiàn)一部分壓力升高區(qū)。

圖7 壓力分布圖

對比3種不同節(jié)流槽形狀的壓力分布圖可以明顯看出壓降區(qū)的不同,壓降梯度大小呈現(xiàn)ΔpV>ΔpC>ΔpU,的情況。

3.3 溫度分布

圖8分別為U形、C形、V形液壓滑閥的流體域的溫度分布,入口處是低溫區(qū),出口處為高溫區(qū),溫升區(qū)主要為節(jié)流槽口出處,這是因為受到節(jié)流槽的節(jié)流作用后流體流速迅速上升,流場狀態(tài)復雜化并形成脈動,流體脈動黏性應力為抵抗脈動變形做功,這一過程中消耗湍動能轉(zhuǎn)換為熱能,同時,由于黏度系數(shù)大,高溫油會附著在滑閥上,導致節(jié)流槽及其附近區(qū)域溫度較高。

圖8 溫度分布圖

通過對比3種不同節(jié)流槽形狀的溫度分布圖,可以看到U形液壓閥高溫區(qū)域較小。

4 閥芯閥體溫度場及結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 閥芯溫度分布

將流場計算出的閥芯溫度加載到閥芯表面,在之前的分析中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)流體流經(jīng)節(jié)流槽時會產(chǎn)生黏性熱,溫度升高,而與流體接觸的閥芯閥體固體會與流體產(chǎn)生熱交換,閥體和閥芯的溫度將逐漸升高。圖9分別為U形、C形、V形液壓滑閥的閥芯溫度分布,閥芯兩端為低溫區(qū),同時閥芯出口端溫度要略高于閥芯入口端溫度,這是因為流體流經(jīng)節(jié)流槽產(chǎn)生的黏性熱主要存在于出口處并且通過熱交換傳遞給閥芯。而閥芯節(jié)流槽處溫度升高明顯,并且在其附近存在高溫區(qū),這是節(jié)流槽處流體流動狀態(tài)較為復雜使得該處流體溫度無法快速傳導,產(chǎn)生的高溫只能傳遞至對應的閥芯節(jié)流槽口,從而造成了局部高溫出現(xiàn)在槽口處附近的現(xiàn)象,而越遠離節(jié)流槽,可以發(fā)現(xiàn)閥芯溫度越低。

圖9 閥芯溫度分布圖

通過對比3種不同節(jié)流槽形狀的閥芯溫度分布圖,V形液壓閥閥芯整體溫度相對偏低。

4.2 閥芯熱變形

在熱變形分析中,將液壓滑閥閥體底部設(shè)置為固定約束,閥芯閥體材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼。圖10分別為U形、C形、V形液壓滑閥的閥芯熱變形,因為影響液壓閥卡滯的主要原因是閥芯的徑向變形δ,故重點分析3種液壓閥閥芯的徑向變形δ,可以看到3種不同形狀的液壓閥閥芯變形趨勢基本一致,閥芯整體變形形式為受熱膨脹,同時變形量最大處為節(jié)流槽口處,而入口端閥芯的整體形變量要小于出口端閥芯,這是因為閥芯出口端溫度略高于入口端溫度。節(jié)流槽處為主要變形量區(qū)域,槽口出口是徑向變形最大的區(qū)域,說明這是閥芯卡滯現(xiàn)象發(fā)生的主要區(qū)域。

圖10 閥芯熱變形(放大400倍)

對比3種不同節(jié)流槽形狀的閥芯變形可以發(fā)現(xiàn)3種不同形狀的液壓閥閥芯徑向變形關(guān)系為δU>δC>δV。

5 結(jié)論

本研究通過對不同節(jié)流槽形狀的液壓滑閥進行熱流固耦合模擬,得出以下結(jié)論:

(1) 在流場計算中,高射流區(qū)主要產(chǎn)生在節(jié)流槽處,射流角的大小呈現(xiàn)θV<θC<θU,且V形節(jié)流閥高速區(qū)相較于U形與C形明顯更大;

(2) 在熱固耦合計算中,得到了不同液壓閥閥芯閥體表面溫度分布,不同形狀的液壓閥閥芯閥體表面溫度分布基本相同,節(jié)流槽處溫度升高明顯,并且在其附近存在高溫區(qū);

(3) 在閥芯閥體熱變形計算中,閥芯閥體的明顯變形區(qū)主要出現(xiàn)在最高溫度區(qū)也就是節(jié)流槽及其附近區(qū)域,而閥芯閥體徑向熱變形關(guān)系為δU>δC>δV。