王欲進(jìn)，柳 淵，韓賀永

(1.太原學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030032；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

引言

近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于車軸、齒輪等關(guān)鍵性部位的加工工藝要求大幅提高。但是鍛造加工工藝不完善及鍛造設(shè)備存在的缺陷，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致工件加工精度低甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響車軸等工件生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量[1]?？焖馘懺鞕C(jī)作為車軸的主要鍛造設(shè)備，其在展現(xiàn)快速鍛壓的優(yōu)點(diǎn)的時(shí)候也同樣暴露出其突出的缺點(diǎn)—空化問(wèn)題。快速鍛造機(jī)的空化問(wèn)題造成油缸控制精度降低、沖擊振動(dòng)大、缸的壽命降低等問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)外突出的表現(xiàn)之一就是會(huì)影響工件的鍛壓質(zhì)量、影響工業(yè)生產(chǎn)。為了改善這個(gè)一直以來(lái)都存在的問(wèn)題，前人做了很多關(guān)于空化問(wèn)題的研究。

快鍛機(jī)的空化問(wèn)題即由于高速的流體沖激摩擦?xí)谝后w中形成眾多的空穴或者氣泡，大量的空穴聚集在油缸會(huì)導(dǎo)致油缸控制精度降低、降低工作效率，氣泡破裂會(huì)釋放高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等，嚴(yán)重影響了液壓系統(tǒng)的壽命。杜學(xué)文等[2]對(duì)流體中氣泡做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)氣泡潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生的高頻噪聲，其穿透力強(qiáng)、輻射范圍廣，具有很強(qiáng)的破壞性，為了有效的改善氣泡的影響，其團(tuán)隊(duì)采用二級(jí)分壓原理對(duì)閥口進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效達(dá)到減少氣穴的目的。韓賀永[3-4]及其團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分析新型液壓雙邊滾剪切機(jī)的非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和對(duì)其數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定性分析，得到流體中的氣泡是影響液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。張玉瑛[5]設(shè)計(jì)了噴油螺桿壓縮機(jī)油氣分離器及濾芯，能夠有效降低液壓油中的含氣量，大大減少了氣泡的數(shù)量。HAN Mingxing等[6]利用Fluent模擬得出了重要結(jié)論，閥內(nèi)部的流場(chǎng)特性以及流動(dòng)力與氣蝕之間是有相關(guān)性的。SANDEEP M等[7]研究流動(dòng)裝置中氣穴現(xiàn)象引起的潛在侵蝕區(qū)域的數(shù)值預(yù)測(cè),得出了合理的空化算法。莫燾等[8]得出壓力下降會(huì)產(chǎn)生氣穴。OSHIMA[9]對(duì)不同的大規(guī)格直徑碟形閥的空化流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在渦旋中心有空化現(xiàn)象，并且對(duì)于不同碟形閥其初生空化系數(shù)基本是恒定的。MARTIN等[10]對(duì)大流量方向控制閥的空化進(jìn)行了研究，給出了空化系數(shù)與雷諾系數(shù)之間的關(guān)系，并且研究了空化、噪聲和能量譜之間的關(guān)系。劉瑞芳等[11]研究了液壓系統(tǒng)空化氣蝕的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，提出了液壓系統(tǒng)減小氣蝕空化的措施?？紫樯萚12]在鍛造液壓機(jī)流控領(lǐng)域做的一些探索性工作，為重型裝備的綠色化和智能化發(fā)展提供指導(dǎo)。王銀等[13]利用Fluent中混合模型(Mixture)及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對(duì)不同閥芯錐角的錐閥進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)度對(duì)空化程度有直接影響。楊國(guó)來(lái)等[14]運(yùn)用PumpLinx在不同轉(zhuǎn)速及吸油口尺寸進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)空化極大的影響了吸油口的流量穩(wěn)定性。鄭智劍等[15]采用數(shù)值模擬方法研究液壓滑閥內(nèi)的高壓空化流動(dòng)特性，分析出進(jìn)口壓力越高，節(jié)流槽出口處的空化區(qū)域和強(qiáng)度越高，空化流動(dòng)周期性變化的時(shí)間越短。彭健等[16]利用Fluent空化模型對(duì)不同閥芯結(jié)構(gòu)下的多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其在相同壓力工況下的流量系數(shù)和防空化性能，發(fā)現(xiàn)多級(jí)降壓閥芯結(jié)構(gòu)更能改善閥門的空化現(xiàn)象。

快速鍛造機(jī)滑塊下行接觸工件后建立壓力緩慢。本研究通過(guò)ANSYS建立快速補(bǔ)液裝置的模型，F(xiàn)luent 15.0軟件進(jìn)行計(jì)算仿真和數(shù)值分析，研究了快速鍛造機(jī)補(bǔ)液裝置的進(jìn)口壓力和滑塊下行速度對(duì)于補(bǔ)液流速和空化量的影響。本研究將為快速鍛造機(jī)補(bǔ)液裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供指導(dǎo)，既可增加補(bǔ)液速度，又可減少空化量。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 瞬時(shí)流動(dòng)模型

瞬間位置流動(dòng)模型是本研究的研究對(duì)象，設(shè)滑塊瞬間位置流動(dòng)模型為:

s=vΔt

(1)

式中，s—— 滑塊位移,mm

v—— 滑塊下行速度,m/s

Δt—— 滑塊下行時(shí)間,s

1.2 混合物模型

現(xiàn)在工業(yè)使用的液壓油都混有空氣，以及本研究的液壓油空化量的問(wèn)題，用到了液態(tài)和氣態(tài)兩相，所以選用兩相流動(dòng)模型。液壓油為主相流，空氣為次相流?；旌夏Ｐ头匠虨椋?/p>

(2)

式中，δij為Kronecker符號(hào)。

當(dāng)i=j時(shí)，δij=1。

混合物的密度ρ和黏度μ為 :

ρ=αρv+(1-α)ρl

(3)

μ=αμv+(1-α)μl

(4)

式中，ρv—— 氣體密度

ρl—— 液體密度

μv—— 氣體動(dòng)力黏度

μl—— 氣體體積分?jǐn)?shù)

由式(3)、式(4)可得:

(5)

式中，f—— 氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 仿真模型的分析

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)工程中實(shí)際情況，為了便于模型建立及減少仿真計(jì)算量，將充液罐或蓄能器的補(bǔ)液壓力轉(zhuǎn)移到液壓缸管路進(jìn)口處，設(shè)備如圖1所示。為了便于建立液壓缸及相連管路的仿真，故將其簡(jiǎn)化為如圖2所示的模型，僅表示液壓缸控制閥塊之后的液壓部分。

圖2 仿真模型

2.2 動(dòng)網(wǎng)格的劃分

將管路進(jìn)口壓力和滑塊下行速度獨(dú)立控制，可以使仿真更加接近實(shí)際應(yīng)用，所以采用Smoothing和Remeshing劃分動(dòng)網(wǎng)格，利用2.5D模型重構(gòu)3D區(qū)域中的網(wǎng)格，將滑塊運(yùn)動(dòng)的區(qū)域通過(guò)運(yùn)動(dòng)面劃分為動(dòng)網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)管路進(jìn)口壓力和滑塊下行速度獨(dú)立控制如圖3所示。

圖3 動(dòng)網(wǎng)格

2.3 CFD模型及參數(shù)

用Fluent15.0軟件進(jìn)行計(jì)算，必須定義工作介質(zhì)、湍流模型、邊界條件和求解器等，如表1所示。在此研究過(guò)程中，滑塊運(yùn)行的速度分別設(shè)定為50，200，400 mm/s，充液管路進(jìn)口壓力設(shè)定為0.8，5，10 MPa。采用simple算法求解。

表1 CFD 仿真設(shè)置

3 仿真參數(shù)分析

3.1 進(jìn)口壓力及滑塊下行速度對(duì)流量的影響

當(dāng)快速鍛造機(jī)補(bǔ)液裝置的進(jìn)口壓力一定時(shí)，不同的滑塊速度會(huì)對(duì)補(bǔ)液裝置的流量以及補(bǔ)液的速度有一定的影響。當(dāng)進(jìn)口壓力為0.8，5，10 MPa時(shí)，滑塊不同速度下液壓油的流速以及流速的變化率,如圖4～圖6所示。當(dāng)不同進(jìn)口壓力下，滑塊速度為50 mm/s時(shí)，不同進(jìn)口壓力下液壓油的流速以及流速的變化率,如圖7所示。

圖4 0.8 MPa時(shí)液壓油的流速及流速的增加率

圖5 5 MPa時(shí)液壓油的流速及流速的增加率

如圖4～圖6所示，在同樣的進(jìn)口壓力下，增加滑塊速度后，在同一位置，流速隨著滑塊速度的增大而增大。在400 mm位移處，進(jìn)口壓力分別為0.8, 5, 10 MPa 時(shí)，滑塊速度在400, 200, 50 mm/s的流速變化率分別為4.07%, 0.36%, 0.15%，仿真數(shù)據(jù)表明進(jìn)口壓力增大時(shí)，可以減小滑塊不同速度之間流速的變化率。如圖7所示，當(dāng)進(jìn)口壓力增加后，在同一位移處，進(jìn)口壓力越大，滑塊的速度也就越大，且滑塊的速度增加明顯。進(jìn)口壓力從0.8 MPa 增加到10 MPa時(shí)的流量變化率變化接近300%，所以增加進(jìn)口壓力可以大大增加液壓缸的補(bǔ)液速度，減少補(bǔ)液時(shí)間。

圖6 10 MPa時(shí)液壓油的流速及流速的增加率

圖7 50 mm/s時(shí)液壓油流速及流速的增加率

3.2 進(jìn)口壓力及滑塊下行速度對(duì)氣泡量的影響

快速鍛造機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，液壓油中氣泡含量會(huì)嚴(yán)重影響控制精度以及液壓缸的使用壽命，所以降低空化量是非常重要的。以下進(jìn)行兩種方式的研究：當(dāng)進(jìn)口壓力為10 MPa，滑塊在不同速度下的空化量如圖8所示；當(dāng)滑塊速度為50 mm/s時(shí)，不同壓力下的空化量如圖9所示。

圖9 不同壓力下的空化量及空化增加率

如圖8所示，當(dāng)壓力在10 MPa時(shí)，空化量e隨著滑塊速度的降低而增加?；瑝K速度為400 mm/s的空化量比50 mm/s空化量降低2.4%，所以降低滑塊速度有利于減少空化量從而增加控制精度。

圖8 10 MPa時(shí)的空化量及空化增加率

如圖9所示，對(duì)速度為50 mm/s進(jìn)行分析，空化量隨著進(jìn)口壓力的增加而減小。當(dāng)進(jìn)口壓力增加時(shí)空化量會(huì)減少，進(jìn)口壓力為10 MPa時(shí)的空化量比進(jìn)口壓力為0.8 MPa的空化量減少0.72%。

4 結(jié)論

研究液壓缸充液管道進(jìn)口壓力和滑塊下行速度對(duì)液壓缸補(bǔ)液速度和液壓油空化量的影響，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為仿真模型，使用三維動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)管路進(jìn)口壓力和滑塊下行速度分別獨(dú)立控制，選擇三組不同進(jìn)口壓力和滑塊下行速度的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，將采集的流速、流速變化率和空化量、空化量變化率繪制成曲線對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)將液壓缸充液管路進(jìn)口壓力從0.8 MPa增加到10 MPa時(shí)，補(bǔ)液流速最大可提高300%。不同滑塊下行速度引起的流速差異越來(lái)越小，同時(shí)空化量可減少0.72%。在快速鍛造機(jī)工作過(guò)程中，有利于提高液壓缸的補(bǔ)液速度，降低建壓時(shí)間；

(2)在快速鍛造機(jī)工作過(guò)程，空化量隨著滑塊下行速度的減小而減小，速度從400 mm/s降低到50 mm/s，空化量可減少2.3%，所以降低滑塊速度有利于減少空化量從而增加控制精度；

(3)利用大流量插裝閥控制高壓蓄能器替代單向閥控制低壓充液罐補(bǔ)液，可以增加補(bǔ)液速度,降低空化量，提高了快速鍛造機(jī)的控制精度，減少液壓缸的氣蝕，增加了液壓缸的使用壽命。