摘 要：液壓滑閥是液壓系統(tǒng)的主要控制元件之一，其性能好壞直接影響到整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能。本文應(yīng)用軟件PRO/E建立滑閥內(nèi)部流道的三維模型，然后應(yīng)用Gambit軟件劃分網(wǎng)格，最后運(yùn)用Fluent軟件對(duì)不同閥芯開(kāi)度和不同流量下滑閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。所做工作對(duì)于滑閥后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化、了解滑閥過(guò)流特性具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：滑閥；Fluent；壓力云圖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.001

0 引言

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)或液壓元件的性能要求越來(lái)越高，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法或技術(shù)手段研究系統(tǒng)或元件性能，特別是其內(nèi)部運(yùn)行情況的研究對(duì)于提供有效的設(shè)計(jì)依據(jù)具有十分重要的意義。液壓滑閥是液壓系統(tǒng)的主要控制元件之一，它通過(guò)改變閥芯和閥體的相對(duì)工作位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的壓力、流量、方向的控制[1]。流體流經(jīng)閥內(nèi)流道特別是滑閥閥口時(shí)，由于閥口過(guò)流斷面面積的減小會(huì)造成一定的壓力損失和能量的消耗，嚴(yán)重時(shí)甚至造成氣穴現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)或噪聲。另外，流體流經(jīng)閥腔時(shí)，由于動(dòng)量的變化會(huì)產(chǎn)生液動(dòng)力，對(duì)閥芯的操縱性能造成影響[2-3]。因此，研究液壓滑閥流道內(nèi)流體的流動(dòng)特性對(duì)于了解預(yù)測(cè)其內(nèi)部流場(chǎng)壓力、速度分布及其受力情況和后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。本文采用CFD（Computational Fluid Dynamic）軟件Fluent對(duì)液壓滑閥在進(jìn)口節(jié)流工況下采用單相流技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了定常仿真計(jì)算，分析了流量變化和閥口開(kāi)度變化對(duì)于其內(nèi)部流場(chǎng)的壓力和速度分布的影響。

1 模型的建立

液壓滑閥的幾何結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.其中a=7mm，b=4.5mm，c=4.5mm，閥桿直徑d=6mm，長(zhǎng)e=15mm，閥芯直徑D=11mm.內(nèi)流道建模時(shí)假設(shè)閥芯與閥體精確配合，無(wú)徑向間隙。應(yīng)用參數(shù)化建模性能良好的軟件Pro/E建立三維模型，由于滑閥內(nèi)部流道呈面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在此僅建立了其半剖模型，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存，并對(duì)進(jìn)出口管道進(jìn)行了適當(dāng)延長(zhǎng)。應(yīng)用軟件GAMBIT對(duì)建立好的模型進(jìn)行先線再面后體網(wǎng)格方式劃分網(wǎng)格，體網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，如圖2為開(kāi)度為1mm時(shí)的網(wǎng)格模型圖。 其中閥口處壓力梯度變化比較大，在靠近閥口附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化[4]。

2 計(jì)算條件

假設(shè)流體為不可壓縮、牛頓流體。油液采用抗磨液壓油，密度為860kg/m3，動(dòng)力粘度為0.02494；采用標(biāo)準(zhǔn)兩方程紊流模型。邊界條件為速度入口和壓力出口，速度有流量換算得到，出口壓力取絕對(duì)壓力0.2MPa。 流體與壁面接觸的邊界為靜止，無(wú)滑移壁面，不考慮熱傳導(dǎo)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 開(kāi)口度變化對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的影響

圖3、4、5分別為流量為40L/min，閥口開(kāi)度為0.25mm、0.5mm、1mm時(shí)對(duì)稱(chēng)面上的壓速度矢量圖壓力分布云圖，壓力局部放大圖為進(jìn)油口流入經(jīng)閥口附近閥體和閥芯壁面區(qū)域。

對(duì)比圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）可知：相同進(jìn)口流量下，通過(guò)閥口的流體主流束的射流角度隨著閥口開(kāi)度的增大，射流角度減小，流速減小，故在計(jì)算液動(dòng)力的理論值時(shí)應(yīng)考慮射流角的變化。隨著開(kāi)度的增大，流經(jīng)閥口的主流流體與閥芯壁面脫離程度增大；在靠近閥口的閥芯壁面附近的旋渦的尺寸和強(qiáng)度增大，可以通過(guò)把閥桿與閥芯臺(tái)肩相連的地方設(shè)計(jì)成流線型的過(guò)渡連接以減弱甚至消除這種渦流的形成；而靠近閥口的閥體壁面附近的旋渦的尺寸和強(qiáng)度則隨著開(kāi)口度的增大而逐漸減小。在閥腔出口處的右上角形成的旋渦隨著開(kāi)口度增大其尺寸和強(qiáng)度變小。對(duì)比圖3（b）、圖4（b）、圖5（b）得出：相同流量下，閥口開(kāi)度越小，閥口處流速變化大，產(chǎn)生的壓降越大，閥口處越易出現(xiàn)負(fù)壓，且范圍越大，負(fù)壓值越大，進(jìn)口節(jié)流時(shí)氣穴主要發(fā)生在靠近閥口的閥芯壁面。

3.2 流量變化對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的影響

為了對(duì)比流量變化時(shí)對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的影響，取開(kāi)度為0.5mm，流量為60L/min時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示，將其與圖4中的壓力分布圖和速度矢量圖進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比圖4和圖6可知，在相同開(kāi)口度時(shí)，隨著流量的增大，閥口處的速度增大，但速度矢量分布基本相同，只是數(shù)值的變化，說(shuō)明在滑閥流道內(nèi)旋渦分布變化主要受閥口開(kāi)度的影響。油液從進(jìn)油腔流入閥口時(shí)，在閥口處靠近閥芯壁面處出現(xiàn)了負(fù)壓，流量越大負(fù)壓值越大，但是壓力分布區(qū)域基本相同。可以得出該結(jié)構(gòu)尺寸閥適合于在小流量工況下工作，當(dāng)流量太大時(shí)會(huì)因?yàn)榇蟮呢?fù)壓而發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）開(kāi)口度越小，流線流線附壁現(xiàn)象越嚴(yán)重，射流角越大。在實(shí)際估計(jì)液動(dòng)力時(shí)應(yīng)考慮射流角的變化。而開(kāi)口度一定時(shí)，流量變化對(duì)于速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布規(guī)律影響很小，隨著流量的增大，壓力減小，當(dāng)流量增大到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)負(fù)壓?；y流道內(nèi)旋渦分布變化主要受閥口開(kāi)度的影響。

（2）進(jìn)口節(jié)流時(shí)氣穴主要發(fā)生在靠近閥口的閥芯壁面。開(kāi)口度越小，流量越大，閥口處的流體的流速變化越大，產(chǎn)生的壓降越大，閥芯壁面上負(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓絕對(duì)值越大，越容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，易導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲增大。應(yīng)盡量避免該閥在這種工況下工作，或依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以盡可能減小對(duì)閥芯或閥體的損壞。在閥芯材料上，可以考慮耐腐蝕耐磨損材料的閥芯。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭淑娟，權(quán)龍，雷紅霞.插裝型液壓錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬及可視化分析[J].流體傳動(dòng)與控制，2005（02）：18-22.

[3]方子帆，賀青松，譚宗柒等.液壓閥閥體內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值分析和可視化[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（02）：63-65.

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作者簡(jiǎn)介：高小瑞（1983-），女，山西襄汾人，講師，碩士，從事輪機(jī)工程和液壓、流體傳動(dòng)方面教學(xué)研究工作。