， ， 　 (．北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京　00083； ．北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京　0008)

引言

近年來，為了使車輛懸掛特性更加滿足路面和車輛運(yùn)行狀態(tài)變化的要求，提高車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性，葉片減振器在車輛工程界受到了廣泛的重視，是當(dāng)前比較有發(fā)展前途的一種半主動(dòng)式可控液壓減振器[1,2]。圍繞葉片減振器已經(jīng)開展了廣泛的阻尼特性研究，但是對(duì)于葉片減振器核心部件之一的比例控制閥的研究卻少見報(bào)道[3]。

本研究就是基于葉片減振器的比例控制閥，結(jié)合比例控制閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了比例控制閥的CFD模型，分析其流場(chǎng)分布，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，確定其流量與開口度及驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，最后通過比例控制閥的試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

1　比例控制閥的工作原理

比例控制閥在葉片減振器中的布置位置如圖1所示。比例控制閥是采用滑閥結(jié)構(gòu)的二位二通比例控制閥。比例控制閥跨接在葉片減振器隔板兩側(cè)，形成一條面積可變，流量可控的油液通道。

圖1　比例控制閥在葉片減振器中的布置圖

減振器工作時(shí)，連接臂在車輪的帶動(dòng)下沿減振器中心做半圓周運(yùn)動(dòng)， 帶動(dòng)葉片在殼體和隔板圍成的工作腔中旋轉(zhuǎn)，工作液在葉片運(yùn)動(dòng)過程中，反復(fù)流經(jīng)隔板的常通孔、比例控制閥以及減振器內(nèi)部縫隙，由孔隙節(jié)流作用形成減振器的阻尼力。通過改變比例控制閥的驅(qū)動(dòng)電流，從而改變比例控制閥的閥口開度，改變減振器節(jié)流通道，進(jìn)而改變減振器的阻尼力大小，使車輛的懸掛特性滿足不同工況下的要求，提高車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性[4]。

2　比例控制閥流場(chǎng)的理論模型與數(shù)值仿真

2.1　比例控制閥流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

1)流動(dòng)的控制方程

假設(shè)工作油液不可壓縮，并考慮質(zhì)量力的影響，則比例控制閥內(nèi)部流場(chǎng)滿足的控制方程[5]：

不可壓縮流體的時(shí)均連續(xù)性方程：

(1)

紊流流動(dòng)的雷諾控制方程為：

(2)

紊動(dòng)能方程：

(3)

2)K-ε模型

工程中，對(duì)于不可壓縮紊流通常用K-ε模型來描述[6]。它是兩方程紊流模型，沿用了紊流渦黏性系數(shù)的概念，但渦黏性系數(shù)采用紊動(dòng)能K和紊動(dòng)能耗散率ε來確定。

(4)

比例控制閥的內(nèi)部油道復(fù)雜，但其內(nèi)油液流動(dòng)滿足控制方程(1)～(3)，紊流運(yùn)動(dòng)用K-ε模型描述，下面通過建立有限元模型，對(duì)上述流動(dòng)方程進(jìn)行求解。

2.2　比例控制閥有限元模型

有限元仿真分析法被廣泛的應(yīng)用在流場(chǎng)阻尼特性的分析中[7]。根據(jù)比例控制閥的流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在ANSYS CFD中建立了比例控制閥3D流體模型。應(yīng)用CFD分析的FLUID 141和FLUID 142單元，劃分網(wǎng)格，定義模型壓力入口，壓力出口，如圖2所示。

圖2　比例控制閥3D流體有限元模型

流體模型為三維定常不可壓黏性流動(dòng)。ANSYS CFD中，紊流模型取工程中常用的標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程。控制方程為雷諾方程、連續(xù)性方程、紊動(dòng)能方程聯(lián)立。采用非耦合算法進(jìn)行求解。工作油液為礦物基液壓油， 20 ℃時(shí)，工作油液密度ρ=890 kg/m3；熱導(dǎo)率λ=0.12 W/mK；比熱容C=1880 J/(kg·K)； 運(yùn)動(dòng)黏度：ν=1.04×10-5m2/s；設(shè)置操作壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓；在比例閥的入口、出口設(shè)置給定一組壓差Δp=2,3,4,5,6,7,10 MPa；進(jìn)出口湍流強(qiáng)度為5；初始化流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。所得結(jié)果如表2所示。

圖3為工作油液入口速度為30 m/s時(shí)，比例控制閥內(nèi)部流體的壓強(qiáng)分布；圖4是此時(shí)比例控制閥內(nèi)部的速度場(chǎng)矢量分布圖?？梢钥闯鲈诹鞯擂D(zhuǎn)彎處，液體的流動(dòng)明顯呈紊流分布隨著模型流動(dòng)速度的提高這一趨勢(shì)更加明顯。

圖3　工作油液壓強(qiáng)分布

圖4　模型流體速度場(chǎng)分布

改變模型約束條件，使得模型出入口速度為已知，確定模型的壓差。圖5為流體模型速度壓差曲線，可以看出，隨著油液速度的增大，過閥流量增大，出入口壓差也在增大。

3　比例控制閥動(dòng)態(tài)特性分析

3.1　比例控制閥閥口開度-流量特性分析

比例控制閥通過改變閥芯的行程改變節(jié)流口的開度，從而改變通過比例控制閥的流量，改變整個(gè)葉片式液壓減振器的阻尼力，所以研究比例控制閥的閥口開度與其流量的關(guān)系至關(guān)重要。取模型出入口壓差為Δp=7 MPa，改變模型不同節(jié)流口開度，對(duì)其流量進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。可以看出，當(dāng)電磁鐵不工作時(shí)，閥口開度x=4 mm，此時(shí)節(jié)流孔全開，油液的過閥流量最大；當(dāng)電磁鐵通電電流最大時(shí)閥芯動(dòng)作，閥口開度x=0 mm，此時(shí)節(jié)流孔全閉，過閥流量為零。

圖5　模型流體速度-壓差曲線

圖6　閥口開度-流量特性曲線

3.2　比例控制閥驅(qū)動(dòng)電流-流量特性分析

結(jié)合閥口開度與過閥流量仿真數(shù)據(jù)，可得比例控制閥驅(qū)動(dòng)電流與過閥流量特性曲線，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)電流與過閥流量近似線性，單調(diào)遞減。驅(qū)動(dòng)電流最大的時(shí)候，節(jié)流口全閉，此時(shí)過閥流量為零；驅(qū)動(dòng)電流最小的時(shí)候，節(jié)流口全開，此時(shí)過閥流量最大，并且所使用的比例控制閥滿足流量調(diào)節(jié)要求。

圖7　驅(qū)動(dòng)電流-流量特性曲線

4　比例控制閥的實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證

4.1　比例控制閥試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所建有限元模型的正確性，并檢驗(yàn)比例控制閥電控能力、壓差-流量特性、穩(wěn)態(tài)流量控制特性等，以檢驗(yàn)比例控制閥是否滿足葉片減振器的使用設(shè)計(jì)要求，開展了比例控制閥的實(shí)驗(yàn)研究。所用實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備

在控制電流為零時(shí)，給定一組壓差，測(cè)試各壓差時(shí)控制閥的流量值，即得比例控制閥的壓差-流量特性。在額定壓差下，比例電磁鐵輸入控制電流從0連續(xù)增加到1.5 A再連續(xù)減小到0過程中，記錄進(jìn)出比例流量控制閥的流量，得到閥的輸出流量隨輸入控制電流變化曲線，即閥的穩(wěn)態(tài)流量控制特性曲線。

4.2　數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

如表2所示，計(jì)算所得結(jié)果與比例控制閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但可以看出，在任意壓差時(shí)數(shù)值模擬解均大于試驗(yàn)值，這是因?yàn)樵诒壤刂崎y試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的壓降造成，導(dǎo)致實(shí)際流量較數(shù)值模擬解較小。因此，可以認(rèn)為比例控制閥的數(shù)值模擬解是可信的，而且比較準(zhǔn)確，也進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

表2　比例控制最大模擬流量值對(duì)比

二者對(duì)比曲線如圖8示，從圖中可以看出，隨著壓差的增大，比例閥的流動(dòng)速度增大，過流流量也增大。

圖8　工作油液壓強(qiáng)分布

5　結(jié)論

基于葉片減振器比例控制閥的工作環(huán)境，對(duì)比例控制閥的工作原理進(jìn)行了介紹。接著對(duì)比例控制閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，研究了具有復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)比例閥的內(nèi)部流場(chǎng)壓強(qiáng)、速度分布，及不同壓差下的過閥流量，并得到試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，為葉片減振器的阻尼特性分析奠定了基礎(chǔ)。并得到了閥口開度與過閥流量的特性以及驅(qū)動(dòng)電流與過閥流量的特性，為葉片減振器半主動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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