楊國來,張燦罡,尹大禹,張東東,王建忠

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院,浙江 溫州 325105)

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錐閥閥口能量損失分析及閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

楊國來1,2,張燦罡1,2,尹大禹1,2,張東東1,2,王建忠1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院,浙江 溫州 325105)

通過對錐閥在不同錐角、不同閥口開度及不同壓差條件下的速度場和壓力場進(jìn)行分析,類比電路基本理論,得到了在不同壓差條件下壓力及速度梯度變化的規(guī)律,并分析了錐閥閥口的能量損失規(guī)律;與此同時分析錐閥閥口渦流產(chǎn)生的原因,通過對閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以減少渦流大小,從而達(dá)到降低能量損失的目的,為錐閥的設(shè)計提供了理論參考依據(jù)。

錐角;壓差;渦流;能量損失

錐閥是液壓系統(tǒng)中常被用的元件之一,常被用作壓力控制閥的主閥或者導(dǎo)閥,工作時因其閥口開度較小,高壓液壓油流經(jīng)節(jié)流口時,過流面積收縮,流速變快,隨之而來會產(chǎn)生氣穴以及嘯叫現(xiàn)象,從而使得閥的噪聲很大,并伴隨閥的發(fā)熱,能量損失過多。針對此種現(xiàn)象,分析了錐閥在不同錐角、不同閥口開度、不同壓差條件下的壓力及速度變化規(guī)律及渦流產(chǎn)生的原因,并對錐閥座的形狀進(jìn)行了改進(jìn),以減少渦流造成的能量損失,減小閥的噪聲。這對于認(rèn)識閥口流動狀態(tài),優(yōu)化閥芯和閥座結(jié)構(gòu),延長閥的壽命具有重要意義。

高殿榮等[1]對液壓錐閥進(jìn)行了有限元分析,并對閥芯進(jìn)行了改進(jìn),對錐閥流道優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。冀宏等[2]通過在閥芯上開環(huán)形槽來改變閥口后的流道形狀,進(jìn)而改變閥后氣穴區(qū)位置,減小氣穴噪聲。高紅等[3]對錐閥閥口進(jìn)行了流場可視化研究,獲得了閥口的氣穴分布模型。

上述研究主要針對錐閥的氣穴、氣蝕現(xiàn)象,而對于錐閥設(shè)計中要考慮的因素及能量損失的研究同樣具有重要的意義。研究著重從工程角度出發(fā),對不同工況下流場進(jìn)行分析,類比電路基本定律,對壓降分布進(jìn)行了分析,研究了減少錐閥能量損失的方法。

1 CFD計算模型

1.1 流體基本方程

流體在運動過程中遵守物理守恒定律。當(dāng)流體運動狀態(tài)為湍流時,根據(jù)計算流體動力學(xué)(CFD,computationalfluiddynamics)流體基本方程以及附加湍流輸運方程,對流體的運動過程進(jìn)行計算。

對應(yīng)的流體控制方程如下:

(1)質(zhì)量守恒方程為

其中:ρ為流體密度;ui為i方向速度。

(2)動量守恒方程為

其中:uj為j方向速度;p為靜壓;τij為應(yīng)力張量;ρgi為重力體積力;Fi為外部體積力。

(3)能量守恒方程為[4]

其中:keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);Jj′為組分j′的擴(kuò)散通量;Sh為包括化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源的源項;hj′為組分j′的焓。

該方程右邊三項分別為導(dǎo)熱項、組分?jǐn)U散項、粘性耗散項。

1.2 網(wǎng)格劃分與計算模型

由于錐閥的結(jié)構(gòu)尺寸較小,為盡可能模擬真實情況下閥口的流動狀況,減少計算量,將錐閥流場模型簡化為二維軸對稱模型。分別建立不同錐角(錐角分別為45°、60°、75°)下的二維軸對稱錐閥模型(見圖1)。劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,為了精確反應(yīng)閥口附近的流場情況,對閥口處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

圖1 二維軸對稱結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型Fig.1 Two-dimension axial symmetry structured grid model

計算邊界條件為:閥芯左右兩端分別為出口和進(jìn)口,設(shè)定為壓力出口和壓力進(jìn)口,流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面。由于該模擬的雷諾數(shù)Re>2 000,數(shù)值計算采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型,用有限體積法中常用的SIMPLE算法,求解離散方程組用FirstOrderUpwind來耦合壓力梯度,按照定常流動進(jìn)行計算。油液密度為900kg/m3,動力粘度為0.04Pa·s。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 不同錐角下錐閥的性能

液流在流經(jīng)錐閥閥口前后可以抽象為先是突縮管再是突擴(kuò)管,突縮和突擴(kuò)的過程中,若是突擴(kuò)角和突縮角選取的不合適,會增大流體噪聲和能量損失。對于錐閥而言,突擴(kuò)角和突縮角的確定本質(zhì)是對錐閥錐角的研究,因為錐角直接決定了突縮角和突擴(kuò)角的大小。

(1)不同錐角下速度云圖 在保證錐閥進(jìn)出口壓差相同的情況下,對不同錐角錐閥進(jìn)行仿真,得到如圖2所示的速度云圖。

圖2 不同錐角下速度云圖Fig.2 Velocity nephogram with different cone angle

比較在相同壓差,不同錐角下的速度云圖。由圖2可以看出,隨著錐角的增大,速度梯度較大的集中區(qū)域在減小,45°錐角時最大的速度梯度基本集中于閥口過流面積之后,60°錐角時也主要集中在閥口后部,且速度集中區(qū)域在減小,75°錐角時,絕大部分集中在閥口過流面積處,且速度梯度較大的集中區(qū)域很小。

(2)不同錐角下壓力云圖 在保證錐閥進(jìn)出口相同壓差的條件下,對不同錐角錐閥進(jìn)行仿真,得到如圖3所示的壓力云圖。

比較在相同壓差,不同錐角下的壓力云圖。由圖3可以看出,隨著錐角增大,閥口處壓力分布變得越來越集中。

綜上可知,增大錐閥的錐角,可以減少閥口過流面積處速度集中區(qū)域面積大小,使得噪聲減小。但是隨著錐角的增大,閥口處壓力分布變得越來越集中,閥口處總的壓力損失在加大。

圖3 不同錐角下壓力云圖Fig.3 Pressure nephogram with different cone angle

在本例中,閥口過流面積的計算公式為[5]

A=πdxsinα,

其中:d為閥座孔直徑;x為閥芯升高量;α為錐閥半錐角。由此公式可知,閥芯升高量變化與半錐角變化導(dǎo)致的閥口過流面積的變化趨勢一致。隨著閥芯升高量的增加,錐閥閥口開度的大小也隨之增加,故而可知閥口增大時,閥口速度和壓力變化趨勢與錐角增大時一致。對不同開度下閥口進(jìn)行流場仿真,推斷得到證實,這里不再列舉不同閥口開度下的速度云圖和壓力云圖[6-8]。

2.2 不同壓差下錐閥的性能

(1)不同壓差下速度曲線 在錐角相同的條件下,對不同壓差下的錐閥進(jìn)行仿真,得到如圖4所示的速度云圖。

圖4 不同壓差下速度云圖Fig.4 Velocity nephogram with different differential pressure

比較相同閥口及錐角,不同壓差下的錐閥壓力分布。由圖4可知,壓差越大導(dǎo)致的速度梯度越大。

(2)不同壓差下壓力曲線 不同壓差下的壓力云圖見圖5。

圖5 不同壓差下的壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram with different differential pressure

由圖5可知,壓差越大,壓力分布就會越不集中,在閥口處壓差變的集中,因此閥口處損失的能量在加大。類比電學(xué)歐姆定律,在電阻一定的情況下,壓差越大,電流越大。如果將整個流道抽象成無數(shù)個電阻串聯(lián)而成,如圖6所示,閥口液流收縮處就是最大液阻處。

圖6 液阻等效圖Fig.6 Fluidic resistor equivalent diagram

3 錐閥閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)及渦流成因

對75°錐角,0.8mm閥口開度下閥流道進(jìn)行流場分析,觀察速度矢量?？梢钥闯?由于閥座轉(zhuǎn)彎為直角轉(zhuǎn)彎,導(dǎo)致液流流過閥口時產(chǎn)生了渦流。鑒于此種狀況,對閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),閥口液流收縮處倒0.5°圓角,并且使整條邊傾斜15°,改進(jìn)前后的流道如圖7所示。

流道改進(jìn)前速度流線和流道改進(jìn)后速度流線如圖8所示。由圖8可以看出,與改進(jìn)之前的相比,改進(jìn)之后的渦流明顯減小,只在固體壁面周圍存在一定的逆流,能量損失大大減少。分析渦流的成因,主要是因為在拐角處出現(xiàn)了流動的分離,拐角后面的油液被動的被主流所帶動而旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生渦流,能量被損失掉,同時增加流體的噪聲。因此建議在設(shè)計加工閥座之初,根據(jù)加工條件,在閥座孔上設(shè)計適當(dāng)大小的倒角,從根源上減小渦流的產(chǎn)生概率。

圖7 改進(jìn)前和改進(jìn)后的流道Fig.7 Flow pass before and after improvement

圖8 改進(jìn)前和改進(jìn)后的速度流線Fig.8 Velocity flow pattern before and after improvement

4 結(jié)論

對不同錐角、不同閥口開度、不同壓差下的錐閥

速度和壓力云圖進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:增大錐閥的錐角,可以減少閥口過流面積處速度集中區(qū)域面積大小,使噪聲減小,但是隨著錐角的增大,閥口處壓力變的越來越集中,閥口處總的壓力能量損失在加大;閥口開度大小的變化的影響基本與錐角變化一致,本質(zhì)上都是通過控制閥口開度大小達(dá)到控制閥的目的,最終實現(xiàn)壓力、流量或者速度的控制;類比電學(xué)歐姆定律,壓差越大,壓力的分布變得越來越不集中,在閥口處壓差變的集中,閥口處損失的能量在加大。

通過類比電學(xué)歐姆定律,可以幫助人們認(rèn)識液壓閥控制的本質(zhì),總結(jié)不同錐角、不同壓差以及過流面積下閥工作狀況,對閥的設(shè)計有很深的意義。最后對75°錐角、0.8mm開度時閥的流道進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后閥的密封性變得稍微差了一些,但是渦流尺度明顯減小,能量損失大大減小,改進(jìn)效果利大于弊。

[1] 高殿榮,王益群.液壓錐閥流場的有限元法分析[J].機(jī)床與液壓,2000,28(2):12-16.

[2] 冀宏,傅新,楊華勇.內(nèi)流道開關(guān)對溢流閥氣穴噪聲影響的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,38(8):19-22.

[3] 高紅,傅新,楊華勇,等.錐閥閥口氣穴流場的數(shù)值模擬與實驗研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,38(8):27-30.

[4] 盛敬超.液壓流體力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1975.

[5] 何存興.液壓元件[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[6] 張學(xué)靜,李德明.多級導(dǎo)葉式離心泵導(dǎo)葉內(nèi)部CFD計算分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2006,18(3):47-49.

[7] 楊瑞,李仁年,張士昂,等.水平軸風(fēng)力機(jī)CFD計算湍流模型研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2008,20(4):90-93.

[8] 孫東寧,劉新強(qiáng),王金林,等.一體化電動液壓動力單元內(nèi)氣泡分布及氣泡分離方法的研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2015,27(2):88-92.

ConeValvePortEnergyLossAnalysisandValveSeatStructureImprovement

YangGuolai1,2,ZhangCangang1,2,YinDayu1,2,ZhangDongdong1,2,WangJianzhong1,2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China; 2.WenzhouAcademyofPump&ValveEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Wenzhou325105,China)

Byanalyzingvelocityfieldandpressurefieldofconevalveindifferenttaperangle,valveportopeninganddifferentialpressureandbyanalogyofcircuitbasictheory,thepressureandvelocitychangingruleindifferentpressurecanbeachieved,analyzingenergylossruleofconevalve;meanwhile,analyzethecausethatthereiseddyinconevalveport,whichisasthebasetoimprovevalveseatstructureandreduceeddyforthepurposeofreducingtheenergylossandprovidingtheoryreferenceforgonevalvedesign.

Coneangle;Differentialpressure;Eddy;Energyloss

YangGuolai,ZhangCangang,YinDayu,etal.ConeValvePortEnergyLossAnalysisandValveSeatStructureImprovement[J].JournalofGansuSciences,2016,28(6):89-92.[楊國來,張燦罡,尹大禹,等.錐閥閥口能量損失分析及閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(6):89-92.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.018.

2015-06-15;

2015-08-23.

楊國來(1963-),男,遼寧沈陽人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為液壓元件及自動控制.E-mail:yanggl@lut.cn.

TH

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