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        電液控制主閥三維流動特性可視化分析

        2014-07-08 02:17:10張盼盼
        機(jī)械工程師 2014年10期
        關(guān)鍵詞:主閥閥體漩渦

        張盼盼

        (山西煤炭管理干部學(xué)院 煤礦安全工程系,太原 030006)

        0 引 言

        主閥是液壓支架電液控制系統(tǒng)的重要組成部分,主閥性能對整個(gè)液壓系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性有直接的影響。由于主閥采用整體插裝式結(jié)構(gòu),高壓液體在流經(jīng)主閥時(shí),首先通過閥體,然后進(jìn)入主閥,各部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,經(jīng)常會遇到突擴(kuò)、突縮、彎曲流道等,不可避免地會產(chǎn)生漩渦、回流、脫壁并重新附著腔壁等流動現(xiàn)象[1]。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),可能會造成內(nèi)部流道能量損失過大,氣蝕和振動,加劇閥的腐蝕,壽命降低,并因此直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。FLUENT 是當(dāng)前比較流行的CFD 軟件包,用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。它具有豐富的物理模型、靈活和功能強(qiáng)大的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),從而有效地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜的流動計(jì)算問題[2]?;谶@些特點(diǎn),本文提出了在FLUENT6.3 版本上對主閥的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬與可視化分析,為進(jìn)一步確定影響主閥性能的因素,優(yōu)化流道設(shè)計(jì)提供理論參考。

        1 幾何模型

        1.1 主閥的工作原理

        圖1 主閥結(jié)構(gòu)簡圖

        在圖1 所示的主閥的結(jié)構(gòu)示意圖中,當(dāng)先導(dǎo)閥電磁鐵斷電時(shí),主閥工作口A 由于受到彈簧力作用,與回液口T 接通,與高壓口P 隔開,此時(shí)主閥關(guān)閉。當(dāng)電磁鐵通電時(shí),高壓液體先由先導(dǎo)閥入口進(jìn)入主閥閥腔,當(dāng)積蓄的壓力大于主閥的調(diào)定彈簧力,頂桿與閥腔產(chǎn)生相對位移,促使主閥閥口打開,主閥進(jìn)入工作狀態(tài),高壓液體推動液壓支架各執(zhí)行元件完成相應(yīng)動作[3]。電磁鐵再次斷電時(shí),主閥的工作口A 又與回液口T 相通,與高壓口P 隔開,從而實(shí)現(xiàn)卸載。

        1.2 三維建模及網(wǎng)格劃分

        在Pro/E 下建立的流道三維幾何模型如圖2 所示。

        圖2 流道的三維模型

        網(wǎng)格是CFD 模型的幾何表達(dá)形式,F(xiàn)LUENT 公司開發(fā)的網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT 可實(shí)現(xiàn)與Pro/E 三維模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并且能解決模型轉(zhuǎn)換的失真問題。在GAMBIT下,導(dǎo)入主閥流道的三維模型,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了提高仿真的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格劃分密度較大。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化混合單元Tet/Hybrid,主要為四面體單元,個(gè)別位置為六面體[4]。為了提高收斂速度,對閥體結(jié)構(gòu)作了一些簡化,忽略加工時(shí)的倒角與圓角等,流場三維網(wǎng)格模型如圖3。

        2 仿真分析

        2.1 邊界條件與介質(zhì)特性

        圖3 三維模型網(wǎng)格劃分示意圖

        水流在主閥內(nèi)流動狀態(tài)主要是紊流,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型來模擬,不考慮熱交換影響。用連續(xù)性方程、雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程來描述整個(gè)流動過程[5]。模擬流體為不可壓縮液態(tài)水,密度為998.2 kg/m3,動力黏度為0.001 003 kg/(m·s-1),且假定水為黏性牛頓流體,不考慮水重力的影響。流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面。選用入口壓力和出口壓力為邊界條件。當(dāng)主閥加載時(shí),入口壓力由乳化液泵站提供,它的值為31.5 MPa。閥口完全打開時(shí)達(dá)到額定流量,立柱液壓缸內(nèi)壓力為24.5 MPa,即為出口壓力。

        2.2 仿真結(jié)果分析

        通過數(shù)值模擬,得到流體的壓力、流線、速度、紊動能情況,分析如下:

        1)從圖4(a)看出:流體從流道進(jìn)入閥體后,壓力逐漸變小。其中在進(jìn)液套的通液孔和頂桿的通液孔處,壓力損失較大。

        圖4 流場模擬結(jié)果

        2)從圖4(b)中可以看出:流線在流道右端有間斷,說明存在流動死區(qū)。在流經(jīng)頂桿腔內(nèi)及流出閥體前的腔壁均形成明顯的漩渦區(qū),將產(chǎn)生能量損耗。

        3)由圖4(c)、圖4(d)看出:流體流入閥體時(shí),由于過流面積的減小,使流速增大,在進(jìn)液套口處速度達(dá)到最大值,在節(jié)流口處,出現(xiàn)了主流與壁面脫離的現(xiàn)象。在閥體拐角孔處、出口處的腔壁及頂桿腔內(nèi)均形成漩渦區(qū),這些漩渦會引起流體能量損失和噪聲。

        4)從圖4(e)、圖4(f)來看,流速大的地方,紊動能也相應(yīng)較大,在頂桿腔內(nèi)的漩渦區(qū)紊動能值為238 m2/s2,流出閥體前的腔壁漩渦處紊動能為159 m2/s2,可見漩渦區(qū)增大了能量的損耗。

        3 穩(wěn)態(tài)液動力分析

        穩(wěn)態(tài)液動力是指閥口處在某開度下,由于液體流速大小及方向發(fā)生改變,液流對閥芯產(chǎn)生的作用力,對閥性能影響較大的為穩(wěn)態(tài)液動力的軸向分力,其計(jì)算公式為

        其中:Cd為閥芯補(bǔ)充系數(shù);d1為閥芯的小直徑;d 為閥芯直徑;x 為閥開口度;α 為半錐角;ps為閥節(jié)流口出口壓力;p2為閥出口壓力。

        當(dāng)閥開口度為4.8 mm,入口壓力維持在31.5 MPa,壓差分別為7 MPa、12 MPa、17.5 MPa 和21 MPa 時(shí),閥芯所受的軸向穩(wěn)態(tài)液動力曲線如圖5。當(dāng)壓差為16.5MPa,開口度分別為1mm、2 mm、3 mm、4 mm、4.8 mm 時(shí),閥芯所受的軸向穩(wěn)態(tài)液動力曲線如圖6。

        由圖5 可以看出,當(dāng)閥開口度為4.8 mm 時(shí),入口壓力恒定,壓差越大,穩(wěn)態(tài)液動力越大,與理論計(jì)算結(jié)果保持一致,所以影響穩(wěn)態(tài)液動力大小的主要因素是壓差。由圖6可知,當(dāng)壓差一定時(shí),隨著開口度的增大,穩(wěn)態(tài)液動力逐漸減小,與理論計(jì)算結(jié)果相一致。當(dāng)開口度較小時(shí),液動力的仿真值與理論值差別較大,隨著開口度增大,液動力的仿真值與理論值趨于一致。主要原因是仿真過程中,開口度越小,節(jié)流口處產(chǎn)生的漩渦越嚴(yán)重,加劇了能量損失,產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動力較大。

        4 結(jié) 語

        本研究通過對電液控制主閥內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,得出流道內(nèi)能量損失和流動死區(qū)的具體位置。在閥開口度一定、進(jìn)出口壓差大的工況下,閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力較大。上述研究結(jié)果可為后續(xù)對閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化、流道合理設(shè)計(jì)等方面工作奠定理論基礎(chǔ)。

        圖5 不同壓差時(shí)閥芯所受軸向穩(wěn)態(tài)液動力曲線

        圖6 不同開口度時(shí)閥芯所受軸向穩(wěn)態(tài)液動力曲線

        [1] 黃興.液壓技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展趨勢[J].機(jī)床與液壓,2005(12):19-21.

        [2] 溫正.FLUENT 流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:5-8.

        [3] 錢欣,季宏斌,錢鵬,等.二通插裝閥的工作原理與故障排除[J].機(jī)械加工技術(shù),2004(3):21-23.

        [4] 許慧,趙斌.液壓錐閥內(nèi)部流場的CFD 動態(tài)仿真[J].機(jī)械管理開發(fā),2007(6):55-56.

        [5] 蘭晉.電磁先導(dǎo)閥的動態(tài)特性仿真與流場分析[D].太原:太原理工大學(xué),2012:50-51.

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