姚 靜 俞 濱 李亞星 孔祥東

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，066004

2.先進鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，秦皇島，066004

3.燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

隨著電液比例技術(shù)和插裝閥技術(shù)的飛速發(fā)展，插裝式比例節(jié)流閥因其具有高通流能力、較好的動靜態(tài)特性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鍛壓機、注塑機等重型設(shè)備［1］。

目前，國內(nèi)外對于插裝式比例節(jié)流閥的研究主要集中在動靜態(tài)特性分析［2－5］和主閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面［6－7］，在主閥套結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能影響分析方面研究較少。閥套作為插裝式比例節(jié)流閥的關(guān)鍵部件，其通孔結(jié)構(gòu)影響著閥的流量特性和流場特性。本文提出一種腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)，并通過流場仿真和可視化實驗相結(jié)合的方法［8－9］，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行對比分析。研究結(jié)果為插裝式比例節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)原理

插裝式比例節(jié)流閥的主閥閥腔的流體流動區(qū)域由主閥芯、主閥套和閥塊共同構(gòu)成，如圖1所示。流體從主閥下腔進油口進入，經(jīng)過主閥芯與主閥套所形成的節(jié)流口，從主閥套通孔流出。

圖1 插裝式比例節(jié)流閥主閥部分二維剖視圖

從油液的流經(jīng)路線可以看出，油液經(jīng)過主閥芯和主閥套所形成的節(jié)流口和主閥套的通孔時，都會產(chǎn)生一定的流態(tài)變化。這些流態(tài)變化將導(dǎo)致油液的壓力損失，并伴隨噪聲。

傳統(tǒng)的主閥套通孔結(jié)構(gòu)為6個均布的圓形通孔，如圖2所示。其通孔雖不起主要節(jié)流作用，但對流體流動仍會產(chǎn)生一定影響，有必要開展其結(jié)構(gòu)形式對主閥流量及流場特性影響的研究。

圖2 環(huán)向通孔為圓形通孔插裝閥主閥套結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

在對插裝閥主閥進行流場分析前，先對其進行網(wǎng)格劃分。由于插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則性，不同部位的結(jié)構(gòu)尺寸相差較大，為了能減少網(wǎng)格個數(shù)并保證網(wǎng)格質(zhì)量，使仿真既能滿足精度要求又能盡量縮短仿真時間［10－11］，本文采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)絡(luò)單元進行網(wǎng)格劃分。以主閥的開口度為20%為例，其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 閥開口度為20%時的網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，插裝閥的工作壓降通常為0.5MPa，因此，仿真時，該插裝閥進口與出口壓力分別選取為0.5MPa和0。具體邊界條件設(shè)置如下：

（1）進口邊界。進口選取壓力進口邊界條件，進口壓力設(shè)為0.5MPa。

（2）出口邊界。出口選用壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)定為0。

（3）對稱邊界。在對稱面上，垂直該面的速度取為零，其他物理量值在該邊界內(nèi)外相等。

（4）壁面。將與主閥芯相接觸的面定義為主閥芯內(nèi)外壁面，將與主閥套相接觸的面定義為主閥內(nèi)外壁面。

3 仿真分析

3.1 圓形通孔結(jié)構(gòu)下流量特性仿真分析

利用FLUENT仿真分析，可得到插裝閥主閥套為圓形通孔時流量特性曲線，并根據(jù)節(jié)流窗口的面積，可計算出插裝閥的流量系數(shù)。其流量特性曲線如圖4所示，其中，閥口開度α在0～15%區(qū)域為該閥的死區(qū)，故不研究該區(qū)域內(nèi)閥的流量特性。

圖4 仿真流量曲線

從圖4可以看出，所研究的插裝式比例節(jié)流閥具有變流量增益特性，主閥芯結(jié)構(gòu)的特殊性使得該閥閥口開度在15%～40%區(qū)域和40%～100%區(qū)域所對應(yīng)的流量增益不同，正是這種變增益特性，使其可以實現(xiàn)小閥口開度下流量精準控制和大閥口開度下高通油能力，從而廣泛應(yīng)用于重型機械設(shè)備液壓控制系統(tǒng)中。但在40%～100%閥口開度下，其流量增益并沒有保持恒定，而是逐漸減小，這是由于隨著閥口開度的增大，閥套通孔對油液的阻尼作用越發(fā)明顯，從而對其流量特性產(chǎn)生影響，限制了該閥的最大通油流量。

3.2 主閥套通孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

針對DN80插裝式比例節(jié)流閥提出一種有4個均布腰形結(jié)構(gòu)的通孔結(jié)構(gòu)，兩種通孔的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。經(jīng)計算，采用腰形通孔結(jié)構(gòu)的通流面積是傳統(tǒng)通孔結(jié)構(gòu)的1.3倍。

圖5 兩種主閥套通孔結(jié)構(gòu)尺寸

設(shè)定主閥套內(nèi)外壁面的壓力差為0.5MPa，通過ANSYS仿真，得到主閥套在不同結(jié)構(gòu)時的應(yīng)變云圖，如圖6所示。

圖6 不同通孔結(jié)構(gòu)主閥套的應(yīng)變云圖

從圖6可以看出，雖然圖6a中主閥套通孔結(jié)構(gòu)相對于圖6b中結(jié)構(gòu)改變了，但其變形量分布規(guī)律相似且最大值近似相等，因此，改變主閥套結(jié)構(gòu)對閥套的承受能力基本沒有影響。

3.3 兩種閥套通孔結(jié)構(gòu)下流量特性及受力分析

3.3.1流量特性對比

利用FLUENT仿真軟件［12］，計算主閥套圓形通孔和腰形通孔兩種結(jié)構(gòu)在額定壓差0.5MPa下不同開口度時的流量值，獲得兩種通孔結(jié)構(gòu)的流量特性曲線如圖7所示。

圖7 圓形通孔和腰形通孔流量曲線對比

插裝式比例節(jié)流閥屬于流量控制閥，在恒定壓差作用下，其主閥的流量特性主要受主閥節(jié)流口（含主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔）通流面積的影響。從圖7可知，在主閥芯開口度較小時，主閥芯節(jié)流口起主要節(jié)流作用，主閥套的通孔結(jié)構(gòu)對主閥流量增益幾乎沒有影響；在主閥芯開口度較大時，主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔共同起節(jié)流作用，此時主閥套腰形通孔結(jié)構(gòu)相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流面積，因此可提高該閥主閥的流量增益。在主閥芯開口度為80%～100%時，相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的主閥流量增益可增大12%～15%。

3.3.2主閥芯受力對比

利用FLUENT仿真軟件，以主閥開口度為40%和100%為例，分析主閥芯所受徑向不平衡力情況，如表1所示。

表1 主閥芯受徑向不平衡力

由表1可知，腰形通孔可減小主閥芯所受的徑向不平衡力。主閥芯的徑向不平衡力是其內(nèi)壁面所受徑向力和外壁面所受徑向力之和，由于其內(nèi)壁面直接與流體流入位置相通，其壓力分布較均勻，故主閥芯的徑向不平衡力主要來自其外壁面所受的徑向力。而相對于圓形通孔，腰形通孔由于其更大的通流能力，使主閥芯外壁面流體流動區(qū)域的壓力分布相對均勻，從而減小了主閥芯外壁面所受的徑向不平衡力，改善了主閥芯受力情況。

4 可視化實驗研究

4.1 可視化實驗方案

為驗證仿真結(jié)論，采用可視化實驗手段，其實驗方案如圖8所示。以水為傳動介質(zhì)，采用PIV測試系統(tǒng)進行實驗研究。

圖8 實驗系統(tǒng)示意圖

4.2 相似計算

由于可視化實驗介質(zhì)與工業(yè)用液壓油特性有較大差別，為保證實驗系統(tǒng)的準確性，需采用相似理論進行相似計算。在本實驗中，流體的黏性力起主導(dǎo)作用，因此采用黏性力相似準則，即（Re）p＝ （Re）m，可得

式中，Cρ為密度比例系數(shù)；Cl為長度比例系數(shù)；Cv為速度比例系數(shù)；Cμ為黏度比例系數(shù)。

為保證實驗?zāi)Ｐ统叽绫阌赑IV數(shù)據(jù)采集，選取長度比例系數(shù)為Cl＝2。液壓油和水的相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

表2 46號液壓油和水相關(guān)參數(shù)表

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可計算得出Cρ＝0.89，Cμ＝40，從而計算出Cv＝22.47。

此外，實驗?zāi)Ｐ瓦€需滿足壓力相似判據(jù)，即

式中，Cp為壓力比例系數(shù)。

根據(jù)式（2）可計算出Cp＝449。仿真模型進出口壓差為Δpp＝0.5MPa，則實驗?zāi)Ｐ瓦M口壓差為Δpm＝1.1kPa。

4.3 可視化實驗?zāi)Ｐ驮嚰?/h3>

以上述相似計算結(jié)果為依據(jù)，采用高性能有機玻璃，加工各元件的實驗?zāi)Ｐ?，主閥套實驗?zāi)Ｐ腿鐖D9所示。

將所有實驗元件模型加工完成后，對其進行裝配，其整體實驗?zāi)Ｐ腿鐖D10所示。

主閥芯和主閥芯蓋板用螺紋連接，可無級調(diào)節(jié)主閥芯的開口度，主閥套和主閥芯蓋板用定位銷固定，閥塊和主閥芯蓋板用螺栓固定，在閥塊進出口處分別安裝進口接頭和出口接頭，以方便連接管路。

圖9 主閥套實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖10 整體實驗?zāi)Ｐ?/p>

4.4 實驗結(jié)果分析

調(diào)定主閥芯開口度和進出水口壓差，利用水桶、量杯和秒表測量固定時間內(nèi)的流量，多次測量，取平均值，從而得到主閥在相應(yīng)開度下的流量值。將CFD仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖11所示。由于實驗系統(tǒng)條件有限，本文只測量主閥芯開口度為40%～80%時的流量數(shù)據(jù)。

圖11 仿真與可視化實驗的流量曲線

可以看出，兩種主閥套通孔結(jié)構(gòu)流量的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致，主閥芯開口度在60%～80%之間，相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)，腰形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流能力，在80%主閥芯開口度時，相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)，主閥的流量增益可增大12%。

5 結(jié)論

（1）針對插裝式比例節(jié)流閥，提出一種腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)，通過仿真與可視化實驗對比分析，得出主閥開口度在60%～80%時，相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)，腰形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流能力。

（2）相對于圓形通孔，腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu)可減小主閥芯所受的徑向不平衡力，改善主閥芯受力情況。

（3）提出的優(yōu)化設(shè)計理論研究可為插裝類元件性能的進一步提高奠定理論基礎(chǔ)。

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