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)
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)。
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
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 ℃)
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)。
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。
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。
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。
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。
(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。
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