盧志學(xué)， 賀 電， 徐 周

(三一重工股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

引言

油缸聯(lián)通閥組是泵送油缸換向的重要元件，其內(nèi)部流道特性決定閥組的通流能力，直接影響整個泵送液壓系統(tǒng)的工作效率[1]?，F(xiàn)用油缸聯(lián)通閥塊以鍛鋼為材料，采用鉆、鏜、銑等傳統(tǒng)機加工藝來加工閥塊表面及內(nèi)部油道，體積重量較大，制造工藝復(fù)雜，加工周期漫長，材料浪費嚴重，為滿足不同方位的油口連通，工藝孔的加工不可避免[2]?，F(xiàn)機加閥塊受制于機加條件僅能滿足流道連通，未對流道進行優(yōu)化，流道存在直角拐角和截面突變，液流流經(jīng)會產(chǎn)生較大液阻及壓損、流速突變，從而導(dǎo)致在實際工程應(yīng)用中液壓設(shè)備易產(chǎn)生振動、噪聲、液阻能耗較大，從而降低液壓系統(tǒng)的能量利用率[3-4]。因此優(yōu)化閥組加工工藝及內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)對減輕重量、減小體積、降低成本、提高系統(tǒng)工作效率及降低系統(tǒng)能耗具有重要意義[5]。

CFD計算流體力學(xué)的發(fā)展為研究液壓元件內(nèi)部復(fù)雜流場提供了基礎(chǔ)[6-9]，本研究運用Fluent軟件對聯(lián)通閥組內(nèi)部流道進行流場數(shù)值模擬，根據(jù)仿真結(jié)果對流道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計新型鑄造式聯(lián)通閥組，以解決現(xiàn)有閥組存在的不足，為后續(xù)閥組設(shè)計和流道優(yōu)化提供參考。

1 工作原理

聯(lián)通閥組三維模型及工作截面如圖1所示，閥組主要由聯(lián)通閥塊、插裝閥、工作油口及控制油口組成，用于混凝土泵車低壓泵送時連通左右油缸無桿腔[10]。高壓泵送狀態(tài)時，控制油口通壓力油源，插裝閥關(guān)閉，A，B油口斷開；當切換低壓泵送時，控制油口無壓力油源，A，B油口壓力油將插裝閥打開，A，B油口導(dǎo)通。

圖1 聯(lián)通閥組三維模型及工作截面示意圖

2 仿真模型

2.1 流體控制方程

聯(lián)通閥組內(nèi)部液壓油為黏性不可壓縮流體，流動狀態(tài)為湍流流動，不考慮重力及熱傳遞，采用Realizablek-ε湍流模型捕捉流域內(nèi)的旋流[11]，其控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

Navier-Stokes方程：

(2)

式中，ρ——油液密度

t——時間

ui,uj——速度分量

xi,xj——坐標分量

p——瞬時壓力

μ——分子黏性系數(shù)

μt——湍流黏性系數(shù)

Realizablek-ε湍流模型方程：

(3)

(4)

式中，k——湍流動能

ε——湍流動能消散率

Pk——平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能

Pb——浮力產(chǎn)生的湍流動能

YM——擴散產(chǎn)生的波動

υ——運動黏度

σk，σε——湍流普朗特數(shù)

Sk,Sε——源項

C1ε,C2ε,C3ε——模型常數(shù)

2.2 流道模型與網(wǎng)格劃分

運用Creo創(chuàng)建聯(lián)通閥組物理模型，導(dǎo)入ANSYS中抽取閥組內(nèi)部流道作為流體域模型，運用Fluent Meshing對流體域進行網(wǎng)格劃分，全局采用多面體網(wǎng)格，生成5層壁面邊界層，網(wǎng)格單元總數(shù)451775，流體網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 流體網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件設(shè)置

本研究運用Fluent軟件對流體模型進行仿真分析，邊界條件設(shè)置如下：

(1) 物理模型假設(shè)為理想模型，忽略流體壓縮和流量泄漏，不考慮熱交換及重力因素；

(2) 流體介質(zhì)選用46#抗磨液壓油，油液密度870 kg/m3，動力黏度0.0396 Pa·s；

(3) 入口定義為速度入口，流速4.856 m/s，出口為壓力出口，壓力為一個大氣壓力，定義A入B出為正向流通，B入A出為反向流通，壁面為光滑無滑移絕熱壁面；

(4) 流體模型雷諾數(shù)為9204，大于圓柱形閥口臨界雷諾數(shù)，流體流動狀態(tài)為湍流，為更好地捕捉流域內(nèi)的旋流，選用Realizablek-ε湍流模型。

3 仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 仿真結(jié)果分析

聯(lián)通閥組A,B油口正向?qū)顟B(tài)下，通過Fluent對內(nèi)部流道及閥口進行數(shù)值模擬，運用CFD-Post對結(jié)果進行后處理，得到流體模型的壓力分布云圖、速度矢量圖及湍能分布云圖，如圖3所示。

圖3 聯(lián)通閥組流場分析圖

分析圖3a壓力分布云圖可知，流體從閥體入口經(jīng)內(nèi)部流道流向出口，整體壓力降低，在流道拐角或流道截面突變處會出現(xiàn)局部低壓或局部高壓。分析圖3b速度矢量圖可知，流體從進口流入后一分為二，其一經(jīng)下流道壁面反射后流向出口，流速急劇升高，且在流道拐角處形成渦流；其二經(jīng)上流道流向出口，速度梯度較為均勻。出口處過流面積減小，流體合流后流速再次升高，并在合流拐角處形成局部渦流。分析圖3c湍能分布云圖可知，入口處湍能強度較小，在流道面積急劇改變及出口流道拐角處湍能強度增大。通過Results分析工具中的Reports讀取入口平面A、出口平面B平均壓力，計算出兩者壓力差值即正向流通壓損為0.046 MPa。以B為入口，A為出口，計算閥組反向流通壓損為0.041 MPa。

通過仿真結(jié)果分析，現(xiàn)聯(lián)通閥組內(nèi)部流道存在多處截面突變及直角拐角，造成閥內(nèi)局部低壓而產(chǎn)生氣穴、氣蝕，引起振動和噪聲。突變和拐角區(qū)域會產(chǎn)生渦流和湍能變化，增大油液流阻，降低通流能力，造成一定能量損失。

3.2 閥組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過仿真結(jié)果可知，聯(lián)通閥組內(nèi)部流道存在的截面突變和直角拐角是影響閥組通流能力及系統(tǒng)性能的重要因素[12]，在閥塊的設(shè)計、制造中應(yīng)結(jié)合液流實際流動特性，使流道盡量符合流體流動特性及流線軌跡，保證流道內(nèi)流速均勻、壓力平穩(wěn)，而傳統(tǒng)機加工藝無法解決這一技術(shù)難題。

本研究根據(jù)聯(lián)通閥組內(nèi)部實際流動特性，結(jié)合閥組外形，設(shè)計鑄造式聯(lián)通閥組，外形結(jié)構(gòu)根據(jù)實際裝車要求進行優(yōu)化，內(nèi)部流道通過鑄造一次成型。將原閥組內(nèi)部直角拐角和截面突變位置采用圓滑流道過渡，并優(yōu)化插裝閥裝配位置，使其正反向流通壓損相近，最大限度地保證閥組通流能力，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

運用Fluent對鑄造閥組內(nèi)部流道進行仿真，結(jié)果如圖5所示。通過分析可知，優(yōu)化后的閥組壓力從入口至出口大致分布呈梯度遞減，在插裝閥安裝拐角處存在局部低壓現(xiàn)象，湍能強度也達到最大，此處為保證插裝閥正反雙向開啟而設(shè)計，但相較優(yōu)化前的壓力突變、湍能突變已明顯改善。優(yōu)化后的流線軌跡整體遵循流道方向，僅在插裝閥裝配拐角處存在局部流速增大，整體速度分布較為均勻，渦流較少。由于鑄造閥體可根據(jù)實際流道設(shè)計外形，優(yōu)化后的閥組整體外形尺寸及重量均減小，材料及加工成本降低。

圖5 優(yōu)化閥組流場分析圖

通過Results分析工具中的Reports讀取入口平面、出口平面平均壓力，計算兩者壓力差值即流道壓損為0.036 MPa，較原閥組減低21.74%。以B為入口，A為出口，計算閥組反向?qū)▔簱p為0.034 MPa，較原閥組減低17.07%，且正、反向流通壓損相近。

4 試驗研究

對新鑄造聯(lián)通閥組與原閥組進行裝機測試對比，在同等排量下進行打水試驗，利用壓力傳感器實時監(jiān)測閥組A，B油口壓力，利用A，B油口監(jiān)測的壓差代表閥組壓損，其裝機測試及壓差結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 裝機測試圖

圖7 壓差測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，原聯(lián)通閥組正向流通平均壓損為0.048 MPa，反向流通平均壓損為0.043 MPa，與仿真結(jié)果相近，但均高于仿真值，這是因為A，B油口導(dǎo)通需要克服插裝閥彈簧力，此處會造成一定壓力損失。鑄造聯(lián)通閥組正向流通平均壓損為0.038 MPa，反向流通平均壓損為0.036 MPa， 相比于原聯(lián)通閥組分別降低20.83%，16.28%。試驗證明鑄造聯(lián)通閥組能優(yōu)化閥塊內(nèi)部流道，有效降低閥組壓損，提高系統(tǒng)能量利用率。

5 結(jié)論

(1) 閥組內(nèi)部流道存在直角拐角和截面突變會造成閥內(nèi)局部低壓、渦流和湍能變化，增大油液流阻，產(chǎn)生一定能量損失，影響閥組通流能力及系統(tǒng)性能；

(2) 流道應(yīng)結(jié)合液流實際流動特性，使流道盡量符合流體流動及流線軌跡，保證流道內(nèi)流速均勻、壓力平穩(wěn)；

(3) 鑄造聯(lián)通閥組設(shè)計的圓滑流道過渡能有效避免壓力、流速及能量突變，有效降低閥組壓損，并能簡化表面加工，減小閥組質(zhì)量和體積，有利于產(chǎn)品輕量化、集成化。