程昱杰,陳冬京,張昊天,張 晉,周東波

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004; 2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200125;3.上海港口機(jī)械工程技術(shù)研究中心,上海 200125)

引言

液壓系統(tǒng)因其具有高功重比、響應(yīng)速度快、控制方式多樣等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中[1]。研究表明,70%左右的液壓元件和系統(tǒng)故障都是由于油液污染造成的[2]。液壓油中混入空氣等污染物會(huì)影響液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,氣體會(huì)影響油液的體積彈性模量,導(dǎo)致執(zhí)行元件出現(xiàn)動(dòng)作誤差,造成液壓缸的爬行與系統(tǒng)運(yùn)行過程中的振動(dòng),影響系統(tǒng)性能[3]。同時(shí)導(dǎo)致油液劣化變質(zhì),氣泡在被壓縮時(shí)會(huì)釋放大量的熱,局部燃燒氧化液壓油,導(dǎo)致油液使用壽命降低[4]。在高壓狀態(tài)下會(huì)影響油膜的建立,造成滑動(dòng)面擦傷,導(dǎo)致元件氣蝕使金屬表面發(fā)生點(diǎn)狀磨損,降低元件的使用壽命。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,由于回油油液對(duì)油箱內(nèi)部油液的沖擊作用,會(huì)造成油箱內(nèi)部油液翻騰卷入空氣現(xiàn)象,造成油液內(nèi)氣體污染物含量增加。為了減少油箱內(nèi)液面晃動(dòng)產(chǎn)生的卷氣現(xiàn)象,對(duì)油箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),減少氣體污染物卷入油液內(nèi)。

現(xiàn)階段,針對(duì)抑制液體晃動(dòng)的研究主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域[5]和公路運(yùn)輸領(lǐng)域[6]。在航天器發(fā)射過程中燃油油箱內(nèi)液面的晃動(dòng)會(huì)影響航天器的飛行姿態(tài),影響航天器的飛行軌跡,需要對(duì)液面的晃動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行抑制。王照林[7]等,通過研究液倉內(nèi)液體晃動(dòng)的等效力學(xué)模型求解液體對(duì)箱壁的反力,并得到添加隔板后有較為明顯的防晃效果。楊瑞[8]等通過對(duì)肋板減重孔的研究發(fā)現(xiàn),肋板的形狀對(duì)油箱內(nèi)流場(chǎng)的狀態(tài)有較大影響。

油罐車內(nèi)液體在運(yùn)輸過程中受到道路環(huán)境的影響,內(nèi)部液體會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象[9],油液與壁面的摩擦?xí)斐伸o電火花的產(chǎn)生,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生油罐內(nèi)的液體自燃,造成安全事故,需要對(duì)油罐內(nèi)的液面晃動(dòng)進(jìn)行抑制。張恩惠等[10],通過VOF模型對(duì)油箱內(nèi)部液面的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析,通過添加不同形狀的擋板對(duì)油箱內(nèi)液面晃動(dòng)進(jìn)行抑制,并得到了不同種類擋板對(duì)抑制效果的評(píng)價(jià)。石坤等[11]在對(duì)燃油箱內(nèi)液面晃動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)表明,添加防浪板改變流體運(yùn)動(dòng)的速度和方向是抑制油箱內(nèi)液面晃動(dòng)產(chǎn)生噪聲的有效手段,能從根源上解決問題。

據(jù)此表明抑制液面晃動(dòng)產(chǎn)生的常用手段是根據(jù)液倉內(nèi)油液的流動(dòng)狀態(tài),添加相應(yīng)的擋板對(duì)液面晃動(dòng)進(jìn)行遮擋。但現(xiàn)有研究的工況多針對(duì)于由外部激振導(dǎo)致箱體內(nèi)油液產(chǎn)生晃動(dòng),對(duì)油液沖擊產(chǎn)生的液體晃動(dòng)還少有研究。

本研究針對(duì)AGV油箱在實(shí)際應(yīng)用過程中,由于回油時(shí)的油液沖擊造成的液面晃動(dòng),導(dǎo)致透氣帽處有油液滲出的現(xiàn)象進(jìn)行分析。應(yīng)用VOF模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型分析氣液交界面在不同時(shí)刻的狀態(tài),針對(duì)性的對(duì)油箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),消除透氣帽處油液滲出現(xiàn)象,并減少油箱內(nèi)的液面晃動(dòng),減少卷氣現(xiàn)象的發(fā)生。

1 模型分析

1.1 數(shù)值仿真模型

VOF模型是通過研究不同網(wǎng)格單元中不同流體所占用網(wǎng)格的體積比來確定自由面,進(jìn)而追蹤流體變化的計(jì)算方法[12]。通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過不同區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù),來模擬不同組分的不能混合流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

本研究中的油箱液面晃動(dòng)模型,其中含有70%高度的油液和30%高度的空氣,忽略空氣在油液中的微量溶解,模擬在回油過程中油液液面由于油液沖擊在油箱中的晃動(dòng)情況,觀察油液與空氣交界面的運(yùn)動(dòng)情況,因此應(yīng)用VOF模型捕捉相界面的流動(dòng)狀態(tài)。

在數(shù)值模擬過程中,模型的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)性方程式(1)、式(2)、連續(xù)性方程式(3)以及動(dòng)量方程式(4)分別為[13]:

(1)

(2)

(3)

▽uT)]+ρg+F

(4)

式中,α1,α2——不同組分的體積分?jǐn)?shù),α1+α2=1

ρ——密度

μ——?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)

t——時(shí)間

u——速度

p——靜壓力

g——重力加速度

F——表面張力的等價(jià)體積力

物質(zhì)整體屬性由各個(gè)部分組成的百分比所決定,由此相關(guān)的計(jì)算表達(dá)式為:

β=α1ρ1+α2ρ2

(5)

μ=α1μ1+α2μ2

(6)

式中,ρ1,ρ2——液體和氣體密度

μ1,μ2——液體和氣體動(dòng)力黏度系數(shù)

VOF模型正是基于對(duì)氣液相體積分?jǐn)?shù)α對(duì)氣液分布進(jìn)行構(gòu)造,從而監(jiān)測(cè)氣液交界面的狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是在表征湍流流動(dòng)脈動(dòng)動(dòng)能k方程模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雙方程模型,具有較為廣泛的適用性[14]。該模型解決了k方程模型中含有渦流特征長(zhǎng)度由經(jīng)驗(yàn)公式給出的缺點(diǎn)。

根據(jù)湍流黏性假設(shè),k-ε湍流模型由式(7)～式(9)組成[15]。

關(guān)于k的模型輸運(yùn)方程:

(7)

關(guān)于ε的模型輸運(yùn)方程:

(8)

湍流黏性規(guī)范方程:

vT=Cμk2/ε

(9)

式中,pk為湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng),以下系數(shù)是模型參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值,其中Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

該模型為回油過程中,由于油液沖擊造成的油箱內(nèi)液面的卷氣現(xiàn)象發(fā)生,油箱內(nèi)處于湍流狀態(tài),適用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1.2 物理模型

根據(jù)AGV油箱結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建流場(chǎng)有限元模型。其主要尺寸如表1所示。通過SolidWorks建立油箱流場(chǎng)的有限元模型,油箱結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,油箱流體域模型如圖2所示。首先分析在油箱中未加入隔板時(shí),在回油管回油過程中,油箱內(nèi)含有70%液面高度油液情況下,由于油液沖擊造成的油箱內(nèi)液面的晃動(dòng)情況。

圖1 油箱結(jié)構(gòu)模型

圖2 油箱流場(chǎng)

表1 油箱主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真分析

2.1 油箱回油過程仿真設(shè)置

利用ANSYS Fluent軟件中的Mesh模塊對(duì)油箱流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了得到高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格,在保證油箱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)不改變的情況下,對(duì)油箱流體域進(jìn)行簡(jiǎn)化,主要針對(duì)邊界處存在的銳角特征和邊緣處的窄小縫隙。簡(jiǎn)化后模型相對(duì)規(guī)則,大面積區(qū)域采用六面體網(wǎng)格劃分法,小部分不規(guī)則區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分方法。整體網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到50萬,如圖3所示。

圖3 油箱流場(chǎng)整體網(wǎng)格

在CFD計(jì)算過程中,網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)直接決定計(jì)算的精度等級(jí),因此進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是十分必要的。本研究選取最小網(wǎng)格尺寸3,3.4,3.8,4.2 mm,在相同的計(jì)算環(huán)境下對(duì)油箱回油口處的壓力進(jìn)行誤差對(duì)比分析,如表2所示。

表2 網(wǎng)格尺寸誤差對(duì)比分析

根據(jù)表2可知,當(dāng)網(wǎng)格尺寸在3 mm時(shí),誤差最小,但是隨著網(wǎng)格尺寸的減小,需要付出相應(yīng)的計(jì)算成本,綜合考慮,選擇網(wǎng)格尺寸為3.4 mm的網(wǎng)格進(jìn)行模型的仿真計(jì)算。

油箱液面晃動(dòng)模型中存在著氣體和油液兩種介質(zhì),兩相的主要差異為密度差異,依據(jù)此選擇VOF模型進(jìn)行計(jì)算,選用Implicit格式進(jìn)行求解。

為了更清晰的模擬油箱內(nèi)油液與空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),需建立油液與空氣介質(zhì)的交界面,動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)置如圖4所示。

圖4 仿真動(dòng)畫場(chǎng)景設(shè)置

根據(jù)流場(chǎng)雷諾數(shù)可以確定流動(dòng)狀態(tài)為湍流,因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行仿真計(jì)算。將油箱的回油口設(shè)置為速度入口,入口速度根據(jù)液壓缸退回時(shí)實(shí)際流量計(jì)算得到,設(shè)置入口速度為2.9 m/s,將透氣帽處設(shè)置為Outflow,由于出口與大氣相連通,因此此處壓力為大氣表壓力。忽略壁面與流體之間的熱交換,設(shè)定壁面為無滑移壁面。流體介質(zhì)選取46號(hào)抗磨液壓油的物理參數(shù),密度為851 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.05 Pa·s。各項(xiàng)殘差設(shè)置為10-4,求解算法采用SIMPLE算法。

2.2 無擋板結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

油箱在初始回油階段回油0.5,1 s時(shí)內(nèi)部油液狀態(tài)如圖5～圖7所示。當(dāng)回油口處的油液瞬間進(jìn)入油箱時(shí),觀察可以發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)部的油液液面先沿著箭頭指向的方向運(yùn)動(dòng),隨后觸及油箱壁面,并沿著油箱壁面向上運(yùn)動(dòng),直至觸碰到油箱的上壁面,隨后發(fā)生油箱內(nèi)的卷氣現(xiàn)象。根據(jù)圖6中油液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),油液在觸碰油箱上壁面后,會(huì)由于慣性和油液內(nèi)部的黏滯摩擦力的帶動(dòng)作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),直至油箱的前側(cè)壁面。在運(yùn)動(dòng)過程中,由于油箱透氣帽處于大氣連通,并未采用密封措施,因此油液會(huì)直接運(yùn)動(dòng)到透氣帽處,造成油箱內(nèi)部油液向油箱外溢出。油箱在繼續(xù)回油過程中,運(yùn)動(dòng)至油箱前側(cè)壁面的液體與油箱內(nèi)未卷起的油液發(fā)生碰撞,造成的激波導(dǎo)致油液有一次沖擊到透氣帽處,造成更多的油液流出系統(tǒng)之外。

圖5 回油初始時(shí)段油箱內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)

圖6 回油0.5 s時(shí)油箱內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)

圖7 回油1 s時(shí)油箱內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)

根據(jù)以上不同時(shí)刻流場(chǎng)狀態(tài)分析,在回油管回油過程中,油液首先向回油方向運(yùn)動(dòng),沖擊油箱的后側(cè)壁面,隨著油液堆積后沖擊油箱上壁面,進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到油箱的前側(cè)壁面,與油箱內(nèi)部未運(yùn)動(dòng)的下層油液發(fā)生碰撞,發(fā)生油液的卷氣現(xiàn)象。

因此,為了防止透氣帽處的油液溢出系統(tǒng)之外,對(duì)油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),并提出兩種解決方案。

2.3 擋板式結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)上述對(duì)在回油過程中油液在油箱內(nèi)的沖擊過程的分析可知,在設(shè)置擋板時(shí)應(yīng)該主要考慮到3個(gè)方面的因素,改進(jìn)后的油箱結(jié)構(gòu)如圖8所示。第一方面是在油箱回油過程中,由于油液快速回油造成油液在油箱內(nèi)飛濺,透氣帽處回發(fā)生油液的溢出現(xiàn)象,因此需要設(shè)置套筒1對(duì)部分油液進(jìn)行遮擋;第二方面是在回油時(shí)油液向油箱上頂板沖擊時(shí),有也會(huì)從透氣帽處滲出的情況,需要設(shè)置擋板2對(duì)油液進(jìn)行遮擋;第三方面是在油液沖擊前側(cè)壁面與下層油液相互沖擊時(shí),造成油液從透氣帽處飛濺,因此設(shè)置擋板3對(duì)油液進(jìn)行遮擋。對(duì)改進(jìn)后油箱結(jié)構(gòu),重復(fù)上述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并分析其流場(chǎng)狀態(tài)。

圖8 擋板式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖9所示,套筒1和擋板2對(duì)回油過程中卷起的油液進(jìn)行了有效的遮擋,但由于擋板3對(duì)油液的阻礙作用,導(dǎo)致?lián)醢?下部分的油液運(yùn)動(dòng)到擋板3以上,造成透氣帽與油箱連通處的油液堆積。但是在后續(xù)回油過程中,隨著擋板3處的油液不斷堆積,會(huì)發(fā)生從透氣帽與油箱相連的小孔處向外滲油的現(xiàn)象。此時(shí)油液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖10所示。

圖9 回油1 s時(shí)擋板式油箱內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)

圖10 回油10 s時(shí)擋板式油箱內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)

由以上過程分析,擋板式改進(jìn)油箱結(jié)構(gòu)在回油過程的前部分時(shí)間對(duì)透氣孔處溢出油液的遮擋效果良好,但是隨著回油過程的進(jìn)行,油箱內(nèi)液面不斷上升,在油液與擋板3碰撞過程中,油液在透氣帽和油箱內(nèi)空氣連接處的飛濺現(xiàn)象也更加明顯,擋板式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)回油過程將完成階段的油液飛濺遮擋效果還存在問題。因此提出一種新型的結(jié)構(gòu)形式對(duì)油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 遮罩式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)以上仿真結(jié)果可知,油箱內(nèi)液面卷氣產(chǎn)生的原因是回油管回油過程中會(huì)帶動(dòng)油箱內(nèi)部的油液沖擊油箱壁面造成油液飛濺現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致油液從透氣帽處溢出。因此在油箱回油管處加裝一個(gè)如圖11所示的遮罩裝置,裝置下表面開孔使油液緩慢流出,如圖12所示。當(dāng)回油管開始回油時(shí),油液首先會(huì)沖擊遮罩裝置的后側(cè)表面,隨后再沿著裝置下表面的開孔進(jìn)入油箱中,能夠起到一定程度的緩沖作用,削弱回油油液與油箱中原有油液的沖擊作用。重復(fù)上述參數(shù)設(shè)置,對(duì)改進(jìn)后的油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并分析回油過程中油箱內(nèi)部的流場(chǎng)狀態(tài)。

圖11 遮罩式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖12 遮罩裝置局部放大圖

如圖13所示,當(dāng)回油管回油開始時(shí),油箱內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)并未出現(xiàn)擋板式結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的液面波動(dòng),油液并未由于回油油液的沖擊向后側(cè)壁面移動(dòng),而是呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。如圖14、圖15所示,分別為回油時(shí)間5 s和回油時(shí)間10 s時(shí)的油箱內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)。可以觀察到油箱內(nèi)的液面未出現(xiàn)擋板式結(jié)構(gòu)和油箱初始狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)的油箱內(nèi)的油液卷氣劇烈現(xiàn)象,透氣帽處無油液飛濺現(xiàn)象,因此遮罩式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)成功解決了油箱回油過程中透氣帽處有油液溢出現(xiàn)象。

圖13 回油開始時(shí)遮罩式油箱內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)

圖14 回油5 s時(shí)遮罩式油箱內(nèi)部的流場(chǎng)狀態(tài)

圖15 回油10 s時(shí)遮罩式油箱內(nèi)部的流場(chǎng)狀態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)的油箱,內(nèi)部油液的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài),搭建了油箱防回油沖擊性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái),對(duì)油箱內(nèi)部油液的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖16所示。

圖16 帶有遮罩裝置的油箱實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置與數(shù)值仿真計(jì)算邊界條件設(shè)置相同。實(shí)驗(yàn)用油箱與參數(shù)化建模油箱模型的尺寸一致,回油口連接流量計(jì)對(duì)回油流量進(jìn)行控制,回油流量保持在30 L/min。設(shè)置了相同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)遮罩式油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中遮罩式結(jié)構(gòu)改進(jìn)油箱在回油時(shí)間5 s時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài)如圖17所示?？梢杂^察到回油過程中油箱內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)平穩(wěn),未產(chǎn)生較大的油液波動(dòng)。與圖14對(duì)比,實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相似度高,可見仿真計(jì)算對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的模擬準(zhǔn)確,驗(yàn)證了流場(chǎng)仿真的正確性。

圖17 回油5 s時(shí)遮罩式油箱內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

AGV小車油箱回油口處產(chǎn)生的回油沖擊,會(huì)造成油箱內(nèi)產(chǎn)生卷氣,在透氣帽處造成油液的外溢現(xiàn)象。針對(duì)油液溢出現(xiàn)象,提出兩種對(duì)油箱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。綜合油箱的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立油箱內(nèi)油液和氣體的氣液兩相流有限元模型。分析VOF模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的適用條件,設(shè)置貼合實(shí)際工況的邊界條件,得到不同時(shí)刻油箱回油過程中,油箱內(nèi)油液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分析不同結(jié)構(gòu)改進(jìn)情況下,油箱內(nèi)油液運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和未改進(jìn)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的區(qū)別,得到能夠消除油液溢出現(xiàn)象的油箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法,并得到如下結(jié)論:

(1) 當(dāng)油箱開始回油時(shí),油箱中的油液會(huì)因?yàn)榛赜陀鸵旱膸?dòng)作用,向回油管伸出方向運(yùn)動(dòng)。隨后由于油箱壁面的阻礙作用,發(fā)生油液的卷氣現(xiàn)象,造成油箱內(nèi)油液從透氣口處溢出;

(2) 為了防止油液溢出現(xiàn)象發(fā)生,可以通過在油箱內(nèi)設(shè)置擋板結(jié)構(gòu),防止油液進(jìn)入油箱透氣帽部分,但在油箱內(nèi)設(shè)置擋板油液會(huì)與擋板結(jié)構(gòu)再次發(fā)生沖擊,造成新的油液飛濺;

(3) 通過在油箱回油口設(shè)置遮罩結(jié)構(gòu)可以在根本上防止回油過程中,由于回油油液帶動(dòng)油箱內(nèi)液面沖擊壁面造成油液溢出現(xiàn)象。遮罩裝置消除了回油油液沖擊,使油箱內(nèi)的液面平穩(wěn)上升。