周大海，劉桓龍，秦劍，柯堅(jiān)，晏靜江

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

0 前言

液壓滑閥作為精密的控制元件之一，在高壓高速系統(tǒng)中，因節(jié)流產(chǎn)生的能量耗損使油液溫度升高，由于材料的熱脹冷縮現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，閥體、閥芯和密封件等零件的尺寸將發(fā)生變化，造成閥原來(lái)的配合間隙發(fā)生變化，導(dǎo)致卡死現(xiàn)象，同時(shí)也引起液壓油物理特性變化和密封性問(wèn)題［1］。

本文作者應(yīng)用FLUENT 和WORKBENCH 分析軟件，對(duì)U 型液壓滑閥的節(jié)流溫升和熱變形進(jìn)行計(jì)算分析，獲得滑閥閥腔內(nèi)流體溫度場(chǎng)、閥芯溫度場(chǎng)分布及其變形情況，分析不同閥芯材料、不同閥口開(kāi)度對(duì)閥芯溫度場(chǎng)和熱形變的影響，為滑閥的設(shè)計(jì)和減少閥芯卡死現(xiàn)象奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

1 仿真建模

滑閥主要是由閥芯、閥體和閥套等構(gòu)成?；y內(nèi)部一般由多個(gè)閥腔組成，由于各閥腔之間的相似性，因此選用其中一個(gè)閥腔作為研究對(duì)象，以簡(jiǎn)化計(jì)算量。利用SolidWorks 軟件進(jìn)行滑閥三維幾何建模，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，x 表示節(jié)流口開(kāi)口度。

圖2 為該滑閥流體部分的CFD 模型，該模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為四面體單元251 939 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)422 636個(gè)。

圖1 滑閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 滑閥的CFD 模型

1.1 計(jì)算參數(shù)及條件

對(duì)滑閥進(jìn)行流固熱耦合分析，因此在數(shù)值模擬過(guò)程中，可假設(shè)滑閥閥芯與閥體配合精確，無(wú)徑向間隙，無(wú)泄漏，算例中流體參數(shù)如表1［2］所示。在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，對(duì)流體做了一定假設(shè)［3］:流體為不可壓縮的牛頓型流體，湍流模型采用k－ε 紊流模型，熱模型采用全熱模型，壓差Δp =15 MPa，入口溫度設(shè)定為323 K，其余外壁面均為絕熱，內(nèi)表面均為流固耦合面。

表1 46 號(hào)液壓油計(jì)算參數(shù)(40 ℃)

1.2 流場(chǎng)基礎(chǔ)特性分析

圖3 為x=3 mm 時(shí)，閥腔內(nèi)流體速度分布圖，從圖中可知，高射流主要產(chǎn)生在閥口及其后方，并隨著閥口開(kāi)度的增大射流角逐漸減小;高射流區(qū)域的位置逐漸從槽口后方向槽口前方移動(dòng)的［4］，且高射流區(qū)域下方出現(xiàn)明顯的渦旋區(qū)，速度梯度大容易導(dǎo)致溫度升高。

圖3 閥腔流體速度分布圖

圖4 為閥腔流體溫度分布圖。

圖4 閥腔流體溫度分布圖

從圖中可看出，油液流經(jīng)閥口時(shí)及其在渦旋區(qū)時(shí)溫度急劇升高，因此驗(yàn)證了理論分析的正確性，表明油液的溫升現(xiàn)象是黏性力做功導(dǎo)致的黏性耗散，且溫升主要區(qū)域位于閥口及其閥口后方的渦旋區(qū)。

2 閥口開(kāi)度對(duì)溫度特性的影響

2.1 閥口開(kāi)度對(duì)閥芯溫度分布的影響

對(duì)滑閥閥芯進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算，將流體場(chǎng)計(jì)算所得的閥芯溫度加載到閥芯表面，且設(shè)其為熱邊界條件，由此可獲得閥芯溫度場(chǎng)分布圖。不同開(kāi)口度下的閥芯閥口溫度場(chǎng)分布圖如圖5所示，由圖可知閥芯表面的溫度分布不均勻，閥口前的閥芯區(qū)域溫度升高較小，而閥口后閥芯區(qū)域溫度升高較大，這是由于U 型閥口的節(jié)流作用，使得油液溫度升高，因此閥口處閥芯溫度升高較大，且油液流過(guò)閥口至閥腔后部積累，油液再通過(guò)傳熱給閥芯，使得閥口后閥芯區(qū)域溫度升高也比較明顯。

圖5 不同開(kāi)口度下閥芯閥口溫度場(chǎng)分布

閥口開(kāi)度x 對(duì)閥芯最高溫度的影響如圖6所示。

圖6 閥芯最高溫度隨閥口開(kāi)度變化曲線

在圖中，當(dāng)工作壓力只有Δp =10 MPa 且閥口開(kāi)度x=1 mm 時(shí)，閥芯最高溫度只有68.20 ℃左右，隨著閥口開(kāi)度的增大，閥芯溫度逐漸升高，閥口開(kāi)度達(dá)到4 mm 時(shí)，溫度約為89.46 ℃;隨著工作壓力的增大，在相同壓差下，閥芯溫度隨閥口開(kāi)度x 的增大而升高，當(dāng)工作壓力25 MPa，閥口開(kāi)度4 mm 時(shí)，閥芯最高溫度達(dá)到132.9 ℃，黏性熱效應(yīng)較為明顯。因此，在相同壓差下，閥芯溫度隨閥口開(kāi)度的增大而逐漸升高，且工作壓力越高，溫度升高越明顯。

2.2 閥口開(kāi)度對(duì)閥芯變形的影響

在Workbench 平臺(tái)下將所得閥芯溫度場(chǎng)作為載荷施加到閥芯模型中進(jìn)行熱應(yīng)變分析，通過(guò)計(jì)算得閥芯熱變形。圖7 給出了閥芯溫度場(chǎng)在不同開(kāi)口度時(shí)的變形結(jié)果，為直觀起見(jiàn)，將變形量放大200 倍顯示。

圖7 閥芯在不同開(kāi)口度下變形情況

從圖中可得，閥芯變形主要發(fā)生在閥口處和閥口后部，閥芯臺(tái)肩部分和閥芯右側(cè)部分變形較小。當(dāng)閥口開(kāi)度x =1 mm 時(shí)，閥芯最大變形量為7.09 μm 左右，但隨著閥口開(kāi)度的增大，閥芯閥口處溫度逐漸升高，黏性熱效應(yīng)明顯，閥口處變形也隨之增大，當(dāng)閥口開(kāi)度達(dá)到4 mm 時(shí)，變形量為7.90 μm。因此，在同壓差下，閥口處溫度隨閥口開(kāi)度的增大而逐漸升高，且變形量也逐漸增大。

3 閥芯材料對(duì)溫度特性的影響

3.1 不同閥芯材料對(duì)溫度場(chǎng)的影響

由于物體熱膨脹變形與物體形狀及材料的物理特性有著密切的聯(lián)系，因此可取不同的閥芯材料進(jìn)行分析，表2 為材料的物理特性。

表2 材料的物理特性

通過(guò)耦合分析，可得不同的閥芯材料對(duì)閥芯溫度場(chǎng)的影響，如圖8所示。

圖8 閥芯最高溫度在不同閥芯材料下的變化情況

由于不同材料的對(duì)流換熱系數(shù)不同，從流體部分傳到固體部分的熱量也不同，使得閥芯的最高溫度有差別，從圖8 中可看出不同材料間的閥芯最大溫度差為20 ℃左右，304 不銹鋼溫度最高達(dá)到85 ℃，銅合金最小為65 ℃;并且從表2 中可得出材料比熱容和熱導(dǎo)率的不一致，導(dǎo)致閥芯表面溫度分布不均，但閥芯最高溫度仍處于節(jié)流口部分及其節(jié)流口后部。因此不同閥芯材料通過(guò)熱流耦合所獲得的熱量不同，導(dǎo)致閥芯所形成的溫度場(chǎng)分布不均，但閥芯高溫所在區(qū)域卻基本相同，仍處于節(jié)流口部分及其節(jié)流口后部。

3.2 不同材料對(duì)閥芯變形的影響

通過(guò)流固熱耦合分析，可以得到不同的閥芯材料對(duì)閥芯變形情況的影響，如圖9所示。

圖9 閥芯最大變形量在不同閥芯材料下的變化情況

由閥芯變形分布情況，可發(fā)現(xiàn)閥芯變形明顯區(qū)域的分布與其局部高溫區(qū)域位置的分布基本相同，因此可知閥芯溫度場(chǎng)的分布情況是決定閥芯熱變形分布的重要因素。根據(jù)表2 知不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，閥芯的變形量也不同。在表2 中，20Cr 材料的熱擴(kuò)張系數(shù)最小，而鋁合金的最大，從圖9 中可知20Cr變形量最小，鋁合金最大;而銅合金與鋁合金的熱擴(kuò)張系數(shù)基本相同，變形量也基本相同;其他3 種材料的熱擴(kuò)張系數(shù)都比鋁合金小，因此，變形量要比鋁合金小，由此可得出閥芯材料的熱膨脹系數(shù)也是閥芯變形的重要因素。

4 結(jié)論

(1)在流場(chǎng)計(jì)算中，得出滑閥流場(chǎng)分布與開(kāi)口度有關(guān)。高射流區(qū)域主要產(chǎn)生在節(jié)流口及其后方，隨著開(kāi)口度的增大射流角逐漸減小，而最大速度是隨開(kāi)口度的增大而增大的趨勢(shì)。

(2)在熱固耦合計(jì)算中，得出閥芯表面溫度場(chǎng)分布與開(kāi)口度和材料有關(guān)。在相同材料下，相同壓差下，閥芯溫度隨開(kāi)口度的增大也逐漸升高，且工作壓力越高，溫度升高越明顯。而不同閥芯材料所獲得的熱量不同，導(dǎo)致閥芯溫度場(chǎng)分布不均，但閥芯高溫區(qū)域卻基本相同，仍處于節(jié)流口部分及其節(jié)流口后部。

(3)在閥芯熱變形計(jì)算中，得出閥芯變形情況與閥芯溫度場(chǎng)分布和閥芯材料有關(guān)。閥芯變形明顯區(qū)主要出現(xiàn)在最高溫區(qū)域處，這是由于閥芯溫度場(chǎng)分布有關(guān);最大變形量處的閥芯溫度梯度最大，熱應(yīng)力最大，因此產(chǎn)生最大的徑向變形量，而不同閥芯材料的熱膨脹系數(shù)不同，使得不同材料下的最大變形量也不同。

［1］肖其新.溫度對(duì)電液伺服閥特性影響［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

［2］柯堅(jiān).現(xiàn)代水壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

［3］金朝銘.液壓流體力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

［4］冀宏.液壓閥芯節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［5］晏靜江.基于FSI 的液壓滑閥閥芯穩(wěn)態(tài)熱分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012.

［6］晏靜江，周大海.基于CFD 的液壓滑閥閥芯表面熱效應(yīng)分析［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(5):145－149.