丁 飛，范加利，王云翔，楊茂勝

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

液壓滑閥廣泛應(yīng)用于工程車輛、機床、飛機、船舶等現(xiàn)代化機械產(chǎn)品中，主要用于控制機構(gòu)運動狀態(tài)。鄭長松等[1]研究了某型裝甲車輛綜合傳動換擋滑閥的流場特性與穩(wěn)態(tài)液動力特性，郭舒[2]對全液壓壓裂車的大流量換向閥進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真，張銀濤[3]分析了濕式雙離合自動變速器液壓控制系統(tǒng)滑閥的性能情況，以上不同應(yīng)用場景充分展現(xiàn)了液壓滑閥應(yīng)用廣泛，可靠性高的特點?；诖耍谀承滦蛪毫C設(shè)計生產(chǎn)時選用的大流量控制閥就是滑閥形式，用于控制壓力機慢速啟動、快速運行、慢速停止的運動過程。但在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，該液壓機的快速運行段性能優(yōu)良，慢速段運動穩(wěn)定性不佳，也就是說，該滑閥式控制閥的大流量控制功能完善但小流量控制不夠穩(wěn)定。

課題組研制了一種旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥，通過閥芯的旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)穩(wěn)定的小流量控制和大流量控制[4-5]，與壓力機的運動速度曲線完美匹配，是一種理想的控制解決方案。筆者利用計算機流體力學(xué)，借助仿真軟件FlowSimulation計算分析了該控制閥在不同閥芯位置時內(nèi)部流場的壓力、速度分布情況，得出了輸出流量曲線，驗證了該解決方案的有效性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心部件主要有兩部分，分別是可旋轉(zhuǎn)的閥芯部分和固定的閥座部分。閥座上設(shè)置有進出油口，是閥芯運動的基座；閥芯在閥座內(nèi)僅可轉(zhuǎn)動，不能左右方向移動，其驅(qū)動方式可以采用電機減速機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動或者采用油缸連桿推動轉(zhuǎn)動。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥結(jié)構(gòu)

當油液從閥座的進油口流入內(nèi)部環(huán)形流道后，首先經(jīng)過閥芯的進油流道進入閥芯的內(nèi)部；當閥芯處于開啟位置時，油液流經(jīng)閥芯出油流道、閥座出油流道后通過環(huán)形流道匯集，最終從出油口流出。閥芯出油流道與閥座出油流道的分布情況如圖2所示。

圖2 閥座與閥芯油口設(shè)置

閥座出油流道設(shè)計為4個圓形流道，分為2個對稱布置的小規(guī)格流道和2個對稱布置的大規(guī)格流道，分別用于小流量控制和大流量控制，4個流道均與外部的環(huán)形流道相連通。閥芯出油流道設(shè)計為4個矩形流道，同樣分為小規(guī)格和大規(guī)格，對稱布置。

閥芯在初始位置時閥芯出油流道與閥座出油流道互不交聯(lián)，處于關(guān)閉狀態(tài)(見圖2(a))。當閥芯以某一速度順時針旋轉(zhuǎn)時，小規(guī)格出油流道由小到大首先連通，若此時閥芯停止運動(見圖2(b))，則該閥可提供一個穩(wěn)定的小流量輸出；閥芯繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，在保持小規(guī)格出油流道連通的同時接通大規(guī)格出油流道(見圖2(c))，直至兩種出油流道均連通后停止閥芯運動(見圖2(d))，此時該閥可輸出一個由閥座上4個出油流道決定的穩(wěn)定的大流量輸出。

閥芯從關(guān)閉狀態(tài)到小規(guī)格出油流道完全開啟需要轉(zhuǎn)動的角度為15°，到大規(guī)格出油流道完全開啟需要轉(zhuǎn)動的角度為45°。當閥芯以同樣的速度逆時針轉(zhuǎn)動時，首先關(guān)閉大規(guī)格出油流道的油路，此時閥芯停止運動可繼續(xù)保持穩(wěn)定的小流量輸出，閥芯繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動方可完全關(guān)閉控制閥。這樣通過閥芯的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)了該流量控制閥由關(guān)閉→小流量增加→穩(wěn)定小流量→疊加大流量增加→穩(wěn)定大流量→大流量減少→穩(wěn)定小流量→小流量減少→關(guān)閉這樣一個完整的流量控制過程。反應(yīng)到被控執(zhí)行機構(gòu)液壓缸上就體現(xiàn)為柱塞的運動速度曲線如圖3所示，實現(xiàn)了快慢兩種速度控制。

2 內(nèi)部流場分析

為了評估該流量控制閥的性能，本文采用計算機流體力學(xué)(CFD)方法在制作樣機之前對液壓閥內(nèi)部的流場情況進行分析，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)來驗證并優(yōu)化閥的設(shè)計，可以大大減少研發(fā)時間[6-7]。為了方便分析計算，文中簡化了旋轉(zhuǎn)閥的流道結(jié)構(gòu)，刪除進油口部分油路，僅保留出油口部分的流體區(qū)域來進行分析，簡化后的流體區(qū)域如圖4所示。

圖3 壓力機柱塞運動速度曲線

該閥內(nèi)部的主要流道尺寸如圖5所示，其中旋轉(zhuǎn)閥芯直徑D=200 mm，出油口直徑D1=100 mm，兩個大流量流道孔的直徑D2=50 mm，兩個小流量流道孔的直徑D3=20 mm。

圖4 閥內(nèi)流體區(qū)域 圖5 閥內(nèi)主要流道尺寸

2.1 分析參數(shù)設(shè)置

文中的分析對象旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥的油液流向是：油液進入到控制閥內(nèi)部后，首先充滿閥芯內(nèi)部，然后流經(jīng)閥芯與閥座的出油流道，在環(huán)形流道匯集后最終從出油口流出，所以文中的分析為內(nèi)部流場分析，假設(shè)該控制閥為理想閥，分析時不考慮泄露。流體介質(zhì)選用46號抗磨液壓油，密度為875 kg/m3，動力粘度為0.04 Pa·s。壁面熱條件選用絕熱壁面。邊界條件選擇入口壓力為20 MPa，出口壓力為10 MPa。在FlowSimulation仿真軟件中，可以設(shè)置分析目標來明確分析的重點，以增強對這些變量的收斂性，在此選擇進出油口設(shè)置表面目標，具體參數(shù)為體積流量和速度[8]。

2.2 網(wǎng)格劃分

設(shè)置完成分析參數(shù)后我們來開始對模型劃分網(wǎng)格，首先通過自動劃分全局網(wǎng)格，初始網(wǎng)格的級別選擇3，我們得到流體部分的網(wǎng)格模型如圖6所示，網(wǎng)格總數(shù)43226。為了更清楚的得到閥芯油口和閥座油口接觸位置流體的流動特性，我們在此位置增加局部網(wǎng)格來細化該部位的網(wǎng)格密集程度，來提高分析的精度。增加局部網(wǎng)格后的網(wǎng)格模型如圖7所示，網(wǎng)格總數(shù)增加到176533。

圖6 流體部分網(wǎng)格劃 圖7 增加局部網(wǎng)格后流體部 分情況 分網(wǎng)格劃分情況

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 壓力分布分析

壓力分布情況可以直觀反應(yīng)閥體內(nèi)部的壓力變化情況和流動情況。隨著閥芯順時針轉(zhuǎn)動，閥芯出油流道與閥座出油流道交接處的過流面積會發(fā)生改變，由圖8的截面靜壓力云圖分布情況可知，閥口開度較小時，閥口節(jié)流作用較強，油液壓力下降很快，壓力的變化主要集中在此處。

圖8 不同閥芯轉(zhuǎn)角截面靜壓分布云圖

當2個小規(guī)格出油流道完全開啟(閥芯轉(zhuǎn)角15°)時，由于流通的油液體積較小，僅在小規(guī)格出油流道位置產(chǎn)生微小油液沖擊和壓降，整個出油口油腔內(nèi)的壓力基本維持穩(wěn)定，此時可以穩(wěn)定的輸出壓力。當2個大規(guī)格出油流道開始開啟時，出油口交疊節(jié)流位置同樣產(chǎn)生低壓，流動紊亂，對整個環(huán)形流道內(nèi)的壓力產(chǎn)生影響；當2個大規(guī)格出油流道完全開啟(閥芯轉(zhuǎn)角45°)時，此時4個出油流道同時供油，底部大規(guī)格流道出油對壁面產(chǎn)生油液沖擊的同時還對2個小規(guī)格出油流道出口處的油液流動產(chǎn)生影響，但經(jīng)過環(huán)形流道的緩沖后可以保證總體出油口處壓力平穩(wěn)。

3.2 速度分布分析

速度分布可以反應(yīng)閥體內(nèi)部油液的流動情況，由于流動變化最大的位置在閥座的四個出油流道處，故我們從閥座4個出油流道的截面處來分析速度分布情況，如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉(zhuǎn)角截面速度分布云圖

隨著閥芯順時針轉(zhuǎn)動，小規(guī)格出油流道率先由小至大開啟，液壓油從閥芯內(nèi)高速沖出，撞擊到環(huán)形壁面后往出油口方向匯集。小規(guī)格出油流道開口尺寸小，通過流量小，對出油口處油液流速影響不明顯。閥芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動，2個大規(guī)格出油流道開始開啟，總流量迅速增大，對出油口處流速影響明顯。所有出油流道均開啟后可以發(fā)現(xiàn)在各閥口中心位置流速最大，整個流道內(nèi)油液流動性好，對稱性好。由于分析條件設(shè)定的進出口壓差恒定，最大流速基本穩(wěn)定在155 m/s范圍內(nèi)。

3.3 出口流量分析

在進行出口流量分析時，我們按照實際使用工況來對旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥來進行分析，其開啟關(guān)閉規(guī)則如下：①該流量控制閥的閥芯順時針旋轉(zhuǎn)開啟至15°也就是小規(guī)格出油流道完全打開時，停止閥芯的轉(zhuǎn)動并保持一定時間；②繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)開啟閥芯至45°也就是4個出油流道都完全打開時，停止閥芯轉(zhuǎn)動再保持一定時間；③逆時針旋轉(zhuǎn)關(guān)閉閥芯至15°也就是僅小規(guī)格出油流道完全打開時，停止閥芯的轉(zhuǎn)動并保持一定時間；④繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)關(guān)閉閥芯至完全關(guān)閉出油流道。

根據(jù)閥芯按上述開啟關(guān)閉規(guī)則測得的分析數(shù)據(jù)，我們將出口流量情況進行了統(tǒng)計，并繪制了如圖10所示的流量曲線。

圖10 不同閥芯轉(zhuǎn)角出口流量曲線

從上圖看出，在僅開啟小規(guī)格出油流道時可以保持一個穩(wěn)定的小流量輸出，對應(yīng)于圖3壓力機柱塞的低速運動段；然后大規(guī)格出油流道開啟時可以快速提升輸出流量直至一個穩(wěn)定的大流量輸出，對應(yīng)壓力機柱塞的高速運動段，從而實現(xiàn)了柱塞啟動和停止階段能夠?qū)崿F(xiàn)慢速運動、中間過程快速運動的控制要求。

4 結(jié) 論

(1) 文中所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)閥芯式流量控制閥，閥內(nèi)通油口采用對稱結(jié)構(gòu)，受力均衡，具有穩(wěn)定的兩種輸出流量，出口流量和閥芯旋轉(zhuǎn)角位移成正比，線性度好，便于控制。

(2) 隨著閥芯開度的增大，閥體內(nèi)部壓力場和速度場均穩(wěn)定變化，僅在閥座出油流道口位置存在一定的射流現(xiàn)象，對出油口影響較小。

(3) 閥芯和閥座出油流道位置尖角對流動影響大，壓力波動大，后期設(shè)計時可適當?shù)光g處理。

綜上所述，所設(shè)計的閥芯旋轉(zhuǎn)式流量控制閥滿足使用需求，是一種更好的解決方案。