張勝，何曉暉，王強(qiáng)，王新文

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

基于CFD的某滑閥閥芯動(dòng)態(tài)特性研究

張勝，何曉暉，王強(qiáng)，王新文

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

基于CFD和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，建立了具有圓弧倒角的液壓滑閥動(dòng)態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型，對(duì)其在彈簧力、驅(qū)動(dòng)力及流體力共同作用下的開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。分析了不同彈簧剛度下，液壓滑閥開(kāi)啟過(guò)程中閥芯位移、所受的馮.米塞斯應(yīng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力的變化情況，得到了彈簧剛度對(duì)液壓滑閥閥開(kāi)啟過(guò)程中閥芯位移、所受的馮.米塞斯應(yīng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力的影響規(guī)律，為液壓滑閥的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

CFD；液壓滑閥；動(dòng)網(wǎng)格；彈簧剛度

液壓滑閥在開(kāi)啟過(guò)程中流場(chǎng)不穩(wěn)定，閥芯的控制精度不高，對(duì)其動(dòng)態(tài)模擬是近來(lái)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前，利用CFD和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)液壓閥進(jìn)行的動(dòng)態(tài)仿真分析越來(lái)越得到重視。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)液壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[3-4]主要分析了閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的瞬態(tài)液動(dòng)力。以上研究中，對(duì)于液壓閥的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程都是直接給定閥芯的運(yùn)動(dòng)速度，假定滑閥以某一固定速度開(kāi)啟，而實(shí)際工作中閥芯的運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的。文獻(xiàn)[5-6]研究了閥芯在不同速度入口條件下的運(yùn)動(dòng)情況，其中對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程處理是通過(guò)使用UDF（User-Defined Functions）程序定義閥芯運(yùn)動(dòng)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在動(dòng)態(tài)模擬中，閥芯的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上應(yīng)該預(yù)先不做定義，而是要由仿真的前一步結(jié)果來(lái)確定后一步的運(yùn)動(dòng)情況[7]。

本文以CFD-ACE+流體軟件為平臺(tái)，建立具有倒角的液壓滑閥動(dòng)態(tài)特性分析的三維數(shù)值模型。分析不同彈簧剛度下，液壓滑閥開(kāi)啟過(guò)程中閥芯的瞬態(tài)位移、閥芯所受馮.米塞斯應(yīng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力的變化情況，研究結(jié)果對(duì)于液壓滑閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

1三維數(shù)值模型的建立

1.1 動(dòng)網(wǎng)格條件下的控制方程

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以用來(lái)模擬閥芯和流域由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)隨時(shí)間改變的問(wèn)題。網(wǎng)格的不斷運(yùn)動(dòng)將會(huì)引起流場(chǎng)內(nèi)控制體的變化，但基本守恒方程依然適用，一般采用積分的形式來(lái)表示諸守恒方程[8]：

式中：φ為通用變量，代表u、V、ρ等；Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，代表μeff、μ+μt/σk、μ+μt/σε；Sφ為φ的源項(xiàng)；?V為控制體積V的邊界。

1.2 液壓滑閥模型和網(wǎng)格劃分

液壓滑閥通常由多個(gè)閥腔組成，根據(jù)相似性，本文重點(diǎn)研究其中的一個(gè)閥腔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，在出口處閥芯臺(tái)肩上設(shè)置有半徑為1 mm的90°圓弧倒角。

圖1 液壓滑閥結(jié)構(gòu)圖

利用CFD-ACE+的前處理軟件GEOM建立液壓滑閥幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在該滑閥閥芯的開(kāi)啟過(guò)程中，流域和閥芯均對(duì)稱布置，為提高計(jì)算效率，取流動(dòng)區(qū)域和閥芯的一半作為研究對(duì)象[9]。根據(jù)研究對(duì)象特點(diǎn)，為使計(jì)算結(jié)果更加精確，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；诰W(wǎng)格分塊的思想，將計(jì)算區(qū)域分成16個(gè)網(wǎng)格塊，網(wǎng)格劃分如圖2所示。為提高計(jì)算精度，對(duì)閥口節(jié)流處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 液壓滑閥網(wǎng)格圖

2邊界條件與參數(shù)選取

根據(jù)液壓滑閥使用的一般工況，重點(diǎn)研究閥芯小開(kāi)度下的開(kāi)啟過(guò)程，其邊界條件和參數(shù)設(shè)置如下：

入口條件：壓力入口，選取6 MPa；

出口條件：壓力出口，選取0.5 MPa；

驅(qū)動(dòng)壓差：選取1 MPa；

液壓油：按VG46選取，密度ρ=890 kg/m3；運(yùn)動(dòng)粘度μ=46mm2/s；設(shè)為不可壓縮流體；

閥芯：15CrMo，密度ρ=8 030 kg/m3；彈性模量E=205 GPa；泊松比為0.3；

彈簧剛度：分別取72 N/mm、80 N/mm、88 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型；仿真步長(zhǎng)為10-5s.

3液壓滑閥動(dòng)態(tài)特性分析

3.1 閥芯瞬態(tài)位移分析

閥芯在開(kāi)啟過(guò)程中受到液動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力以及彈簧力的作用，其位移由三者共同決定。仿真得到的閥芯位移變化情況如圖3所示。

圖3 閥芯開(kāi)啟過(guò)程位移變化

從圖3看出，在滑閥開(kāi)啟過(guò)程中閥芯位移會(huì)連續(xù)變化，首先到達(dá)一個(gè)最大位移處，然后呈現(xiàn)周期性的衰減波動(dòng)，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)即穩(wěn)態(tài)。假定閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)所滿足的條件如下：

式中：xmax、xmin分別為在同一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)閥芯的最大位移和最小位移。

在相同驅(qū)動(dòng)壓差和進(jìn)出口壓力條件下，隨著彈簧剛度的增加，閥芯位移波動(dòng)幅度相應(yīng)減小，波動(dòng)周期變短，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間縮短，但穩(wěn)態(tài)位移即開(kāi)口度減小。在設(shè)計(jì)滑閥時(shí)考慮到整體性能，不能一味增加或減小彈簧剛度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需求選取一個(gè)合適的值。

液壓滑閥閥芯穩(wěn)態(tài)位移的理論計(jì)算公式為：

式中：D為流道直徑；xv為閥芯穩(wěn)態(tài)位移；W為閥口的面積梯度；k為彈簧剛度；F為滑閥閥芯所受的驅(qū)動(dòng)力；Fs為閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；△p為滑閥進(jìn)出口壓差；△P1為驅(qū)動(dòng)壓差。

聯(lián)立上式，可以解得閥芯的穩(wěn)態(tài)位移分別為0.77 mm、0.70mm和0.65 mm.穩(wěn)態(tài)位移的理論值與仿真值對(duì)比情況如表1所示?？烧J(rèn)為仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，證明了仿真的可靠性。誤差的產(chǎn)生是由于在理論計(jì)算中采用經(jīng)驗(yàn)公式求解，沒(méi)有考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同及流場(chǎng)微觀流動(dòng)帶來(lái)的影響。

表1 穩(wěn)態(tài)位移理論值與仿真值對(duì)比

3.2 液動(dòng)力分析

在入口壓力一定的條件下，彈簧剛度不同會(huì)使得閥口開(kāi)度不同，閥芯所受的液動(dòng)力也就會(huì)發(fā)生變化，液動(dòng)力的變化反過(guò)來(lái)又會(huì)影響到閥芯的位移，所以液動(dòng)力和閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程是相互影響的。在換向閥中，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力會(huì)影響到其操縱穩(wěn)定性[11-12]，瞬態(tài)液動(dòng)力會(huì)影響閥芯的運(yùn)動(dòng)，造成閥芯的振動(dòng)和沖擊。因此有必要對(duì)閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力進(jìn)行研究。對(duì)于液動(dòng)力的求解，可通過(guò)對(duì)閥芯壁面所受的壓力進(jìn)行表面積積分得到，閥芯各個(gè)壁面軸向力的合力即為液動(dòng)力的值[13]。仿真得到的滑閥閥芯所受液動(dòng)力如圖4所示，其中包含瞬態(tài)液動(dòng)力和總的液動(dòng)力。

圖4 閥芯開(kāi)啟過(guò)程所受液動(dòng)力變化

從圖4可以看出：（1）液壓滑閥閥芯在開(kāi)啟過(guò)程中所受的液動(dòng)力存在波動(dòng)，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分別為-51.9 N、-49.5 N和-46.8 N；（2）隨著彈簧剛度的增加，閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的絕對(duì)值變小，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力均為負(fù)值，表明液動(dòng)力的方向使得閥芯趨于閉合，利于閥芯的穩(wěn)定；（3）瞬態(tài)液動(dòng)力在開(kāi)啟瞬間達(dá)到最大值，隨著彈簧剛度的增加，瞬態(tài)液動(dòng)力的峰值增加，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間縮短；（4）瞬態(tài)液動(dòng)力為負(fù)值表示其力方向與閥芯運(yùn)動(dòng)方向相反，起到正阻尼作用，利于滑閥的穩(wěn)定，反之則對(duì)閥芯起到不穩(wěn)定作用。

3.3 閥芯所受馮.米塞斯應(yīng)力分析

馮.米塞斯應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的一種當(dāng)量應(yīng)力，它用應(yīng)力等值線來(lái)表示模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，可以用來(lái)對(duì)疲勞、破壞等進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5給出了彈簧剛度k=72 N/mm時(shí)，閥芯開(kāi)啟過(guò)程所受的最大馮.米塞斯應(yīng)力位置變化情況。其它彈簧剛度下的分布基本一致，受篇幅所限不予列出。

圖5 閥芯開(kāi)啟過(guò)程所受最大馮.米塞斯應(yīng)力位置變化

從圖5可知，閥芯所受最大馮.米塞斯應(yīng)力主要集中在如圖所示區(qū)域，不同彈簧剛度下最大值隨時(shí)間變化情況如圖6所示?？梢钥闯?，閥芯開(kāi)啟過(guò)程所受的最大馮.米塞斯應(yīng)力存在波動(dòng)，隨著彈簧剛度的增加，峰值和穩(wěn)態(tài)值均減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間也逐漸縮短。

圖6 閥芯開(kāi)啟過(guò)程所受最大馮.米塞斯應(yīng)力大小變化

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓滑閥開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到了彈簧剛度對(duì)液壓滑閥動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，可以為提高液壓滑閥的動(dòng)態(tài)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。主要結(jié)論包括：

（1）在進(jìn)出口壓力和驅(qū)動(dòng)壓差一定的條件下，隨著彈簧剛度的增加，閥芯位移、所受液動(dòng)力和最大馮.米塞斯應(yīng)力值的波動(dòng)均減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也縮短；

（2）隨著彈簧剛度的增加，閥芯的穩(wěn)態(tài)位移減小，即開(kāi)口度變小，為了達(dá)到同樣的開(kāi)口度，需要更大的驅(qū)動(dòng)力；

（3）在閥芯開(kāi)啟瞬間，瞬態(tài)液動(dòng)力值變化較大，設(shè)計(jì)閥時(shí)須加以考慮；

（4）隨著彈簧剛度的增加，閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的絕對(duì)值、最大馮.米塞斯應(yīng)力的峰值和穩(wěn)態(tài)值均減小，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的減小可降低調(diào)壓偏差，最大馮.米塞斯應(yīng)力的峰值和穩(wěn)態(tài)值的減小可以減輕閥芯的沖蝕和疲勞破壞。

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TransientProperties of the Hydraulic SpoolValve Based on CFD

ZHANG Sheng，HE Xiao-hui，WANG Qiang，WANG Xin-wen
（College of Field Engineering，PLA Univ.of Sci.&Tech.Nanjing 210007，China）

The three-dimensional numericalmodelwas established to obtain transient properties of hydraulic spool valve with circular arc cham fering based on CFD and dynamic mesh technology.Focused on the opening process of hydraulic spool valve，the characteristics are determined by the spring，driving and flow force.Transient displacement，von mises and flow force were analyzed in this opening process with different spring force.The influence laws of spring stiffness on displacement，von mises and flow force are analyzed in the opening process as well.The results provide basis for hydraulic spool valve’s design and optimization.

CFD；hydraulic spool valve；dynamic mesh；spring stiffness

TH137

A

1672-545X（2016）12-0028-03

2016-09-10

張勝（1992-），男，湖北隨州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械液壓傳動(dòng)與控制。