楊禮康,戴光毅,寧曉斌,徐澤鈞

(1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,浙江 杭州 310012;2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

0 引 言

閉門器是一種安裝在門頭上,以保證門在開啟后可以準(zhǔn)確、及時(shí)地回到初始位置的裝置。目前,市場(chǎng)上閉門器種類眾多,如機(jī)械液壓式閉門器、電動(dòng)閉門器、電磁門吸式閉門器等。其中,因其完善的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),機(jī)械液壓式閉門器得到了廣泛應(yīng)用[1]。

液壓閉門器的關(guān)鍵液壓元件是柱塞、殼體及殼體上的阻尼孔件。閉門器柱塞和殼體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻尼力,對(duì)閉門器復(fù)位起到緩沖作用,使門能以適當(dāng)?shù)乃俣燃皶r(shí)、準(zhǔn)確地回到初始位置[2]。

此前,有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓阻尼元件及其緩沖性能進(jìn)行了分析。汪云峰等人[3]采用MATLAB和AMESim聯(lián)合仿真的方式,對(duì)液壓阻尼元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。梁翠萍[4]采用Fluent對(duì)緩沖過程中液壓阻尼元件的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究。王成文[5]采用Fluent軟件對(duì)液壓阻尼元件的阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李仕生等人[6]從工作原理角度出發(fā),對(duì)液壓阻尼元件的液壓阻尼性能進(jìn)行了分析,并建立了阻尼元件的油液流動(dòng)模型。DUYM S等人[7,8]研究了液壓阻尼元件在緩沖過程中的熱傳導(dǎo)規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)液壓阻尼元件的建模提出了新的思路。GUNTUR R R等人[9]采用非線性建模的方式,對(duì)結(jié)構(gòu)不一樣的液壓緩沖器進(jìn)行了建模。CHANDAR N等人[10]采用仿真和試驗(yàn)并行的方式,對(duì)不同結(jié)構(gòu)的液壓緩沖裝置進(jìn)行了建模。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓阻尼緩沖進(jìn)行了研究,并已取得了很多成果。但這些研究主要集中于緩沖器,很少有針對(duì)液壓閉門器的系統(tǒng)研究。而企業(yè)在生產(chǎn)閉門器時(shí),其設(shè)計(jì)參數(shù)往往要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取,缺乏理論依據(jù),因此無(wú)法保證產(chǎn)品質(zhì)量和其工作性能。

因此,為分析液壓閉門器的阻尼特性,筆者以某型號(hào)閉門器為研究對(duì)象,利用流體力學(xué)相關(guān)理論,簡(jiǎn)化閉門器結(jié)構(gòu),建立其液阻模型,并進(jìn)而推導(dǎo)出閉門器柱塞復(fù)位過程的數(shù)學(xué)模型,通過Fluent流場(chǎng)仿真確認(rèn)閉門器內(nèi)部流道的壓力分布,并將其與試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,為閉門器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 閉門器結(jié)構(gòu)與液壓油流動(dòng)理論

1.1 液壓閉門器結(jié)構(gòu)和原理

該型號(hào)的液壓閉門器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閉門器結(jié)構(gòu)圖

圖1中,閉門器的殼體固定在門扇上并通過連桿和門框相連;安裝后向下的兩個(gè)節(jié)流閥處于關(guān)閉狀態(tài),油液通過向上的兩個(gè)阻尼孔和兩個(gè)節(jié)流閥在閉門器內(nèi)部流動(dòng)。

(1)開門時(shí),門扇帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)齒輪隨連桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,并通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)柱塞齒軸向右方移動(dòng)。在該過程中復(fù)位彈簧以及右腔的油液被壓縮,右腔油壓增大使得柱塞處的單向閥開啟,右腔的液壓油通過單向閥流到閉門器左腔中;

(2)關(guān)門時(shí)復(fù)位彈簧在開門過程中積蓄的彈性勢(shì)能被釋放,彈簧復(fù)原推動(dòng)齒條柱塞向左移動(dòng),柱塞帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪和連桿轉(zhuǎn)動(dòng),使門關(guān)閉。在關(guān)門過程中,閉門器左腔的油壓增大,單向閥處于關(guān)閉狀態(tài),液壓油只能通過阻尼孔和節(jié)流閥流回右腔,該過程中形成的液壓阻尼對(duì)彈簧復(fù)原構(gòu)成了阻力,即通過節(jié)流實(shí)現(xiàn)緩沖的效果[11]。研究人員可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度實(shí)現(xiàn)對(duì)不同行程段關(guān)門速度的控制。

針對(duì)上述閉門器工作原理,在閉門器復(fù)位過程中柱塞齒條運(yùn)動(dòng)至不同位置時(shí),筆者建立其所受阻尼力的數(shù)學(xué)模型。

1.2 液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量

閉門器復(fù)位時(shí),彈簧推動(dòng)柱塞的表達(dá)式為:

q=Ap×vp

(1)

式中:q—流經(jīng)閥孔的總流量,m3/s;Ap—活塞截面積,m2;vp—活塞運(yùn)動(dòng)的速度,m/s。

根據(jù)液壓流體力學(xué)理論[12],按小孔類型的不同,液體流經(jīng)小孔時(shí)的流量可分為3種情況,即薄壁小孔、細(xì)長(zhǎng)孔和短孔。

筆者研究的閉門器其阻尼孔的通流深度l與孔徑d之比滿足0.5

(2)

式中:q—流經(jīng)短孔的流量,m3/s;Cq—流量系數(shù),在阻尼力計(jì)算中通常取0.62～0.63;At—阻尼孔截面積,m2;Δp—阻尼孔兩端壓差,MPa;ρ—液壓油密度,kg/m3。

閉門器節(jié)流閥縫隙為帶有一定錐度的環(huán)形縫隙,由于通過縫隙的流量較小,此處可簡(jiǎn)化為環(huán)形平面縫隙。

流經(jīng)縫隙的流量為[13]:

(3)

式中:h—閥芯和閥體之間的縫隙寬度,m;μ—油液動(dòng)力黏度,Pa·s;d—閥芯直徑,m;Δp—截流縫隙兩端壓差,MPa;

2 不同位置段時(shí)速度與阻尼力關(guān)系

門在自動(dòng)閉合的過程中,根據(jù)閉門器內(nèi)部柱塞的位置主要可分為3個(gè)階段:

(1)柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間,此時(shí)油液從節(jié)流閥2和阻尼孔1,2流出柱塞左腔,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞右腔;

(2)柱塞位于阻尼孔1處,此時(shí)阻尼孔1被柱塞堵住油液從節(jié)流閥2和阻尼孔2流入管道,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞腔;

(3)活塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處,此時(shí)兩阻尼孔均被柱塞堵住,油液從節(jié)流閥2流入管道,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞腔。

筆者分別分析這3種狀況下柱塞截面所受壓力和柱塞運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系,由此分析在各種關(guān)門速度下柱塞所受阻尼力。

閉門器建模過程中,所需的參數(shù)主要分為兩類:(1)結(jié)構(gòu)參數(shù),如阻尼孔的直徑等(可以通過對(duì)實(shí)物的測(cè)量得到);(2)特性參數(shù),如液壓油密度等(可以通過查閱資料或根據(jù)廠家提供的參數(shù)獲得)。其中,油液密度ρ=870.6 kg/m3,油液動(dòng)力黏度μ=0.025 Pa·s。

閉門器液壓元件參數(shù)如表1所示。

表1 閉門器液壓元件參數(shù)值

2.1 柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間時(shí)的壓力

當(dāng)柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間時(shí),此時(shí)的柱塞位置如圖2所示。

圖2 柱塞運(yùn)動(dòng)位置示意圖1

油液從節(jié)流閥2和阻尼孔1、2流入管道,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞腔,流出和流入柱塞腔的油液流量相等,即:

(4)

(5)

q=ApVp

(6)

以上三式聯(lián)立,可得齒軸在此位置段時(shí)的速度與阻尼力的關(guān)系:

(7)

式中:h1—節(jié)流閥1閥芯與閥套之間的縫隙高度,m;h2—節(jié)流閥2閥芯與閥套之間的縫隙高度,m;d—閥芯直徑,m;

采用MATLAB輔助計(jì)算,筆者得到了該位置段時(shí)柱塞速度與所受壓力的關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖3 柱塞速度與所受壓力關(guān)系曲線1

2.2 柱塞位于阻尼孔1處的壓力

此時(shí)的柱塞位置如圖4所示。

圖4 柱塞運(yùn)動(dòng)位置示意圖2

阻尼孔1被柱塞堵住,油液從節(jié)流閥2和阻尼孔2流入管道,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞腔,流出和流入柱塞腔的油液流量相等,即:

(8)

(9)

q=ApVp

(10)

以上三式聯(lián)立,可得齒軸在該位置段時(shí)的速度與阻尼力的關(guān)系:

(11)

利用MATLAB輔助計(jì)算,筆者得到該位置段時(shí)柱塞速度與所受壓力的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 柱塞速度與所受壓力關(guān)系曲線2

2.3 柱塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處的壓力

此時(shí)的柱塞位置如圖6所示。

圖6 柱塞運(yùn)動(dòng)位置示意圖3

油液從節(jié)流閥2流入管道,再?gòu)墓?jié)流閥1流回柱塞腔,流出和流入柱塞腔的油液流量相等,即:

(12)

(13)

q=ApVp

(14)

以上三式聯(lián)立,可得齒軸在該位置段時(shí)的速度與阻尼力的關(guān)系:

(15)

利用MATLAB輔助計(jì)算,筆者得到該位置段時(shí)柱塞速度與所受壓力的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 柱塞速度與所受壓力關(guān)系曲線3

3 阻尼元件流場(chǎng)仿真

采用Fluent軟件,筆者建立閉門器內(nèi)部流道模型[14],并在柱塞運(yùn)動(dòng)至不同位置時(shí),基于流場(chǎng)仿真得到了閉門器流道的壓力云圖和速度流線圖。

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間,筆者對(duì)于阻尼孔、節(jié)流閥采用較細(xì)化的網(wǎng)格,而對(duì)結(jié)果影響不大的部分采用密度稍大的網(wǎng)格[15]。

柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間時(shí),閉門器的內(nèi)部壓力如圖8所示。

圖8 柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間的壓力云圖

此時(shí)油液從節(jié)流閥2和兩阻尼孔流出左腔,從節(jié)流閥1流入右腔,此時(shí)柱塞兩邊的壓力差為0.04 MPa。

柱塞位于阻尼孔1處時(shí),閉門器的內(nèi)部壓力如圖9所示。

圖9 柱塞位于阻尼孔1處的壓力云圖

此時(shí)油液從節(jié)流閥2和阻尼孔1流出左腔,從節(jié)流閥1流入右腔,此時(shí)柱塞兩邊的壓力差為0.029 MPa。

柱塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處時(shí),閉門器內(nèi)部壓力如圖10所示。

圖10 柱塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處的壓力云圖

此時(shí)油液從節(jié)流閥2流出左腔,從節(jié)流閥1流入右腔,此時(shí)柱塞兩邊的壓力差為0.017 MPa。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

閉門器實(shí)際安裝如圖11所示。

圖11 閉門器安裝示意圖

通過計(jì)算可知,當(dāng)門的開度為120°～150°時(shí),柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間;當(dāng)門的開度為70°～90°時(shí),柱塞位于阻尼孔1處;當(dāng)門的開度為16°～53°時(shí),柱塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處。

筆者把門扇打開到最大開度后,使其自動(dòng)關(guān)閉,測(cè)量關(guān)門過程中門扇經(jīng)過幾個(gè)固定角度所需要的時(shí)間,通過計(jì)算將門轉(zhuǎn)動(dòng)的角度換算為柱塞齒條移動(dòng)的距離,由此計(jì)算出柱塞齒條在不同位置的移動(dòng)速度,如表2所示。

表2 試驗(yàn)的關(guān)門速度

筆者將柱塞處于不同位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度代入柱塞齒軸處于不同位置段時(shí)的速度與阻尼力關(guān)系曲線中,可以得到:當(dāng)柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間時(shí),柱塞兩邊壓差約為0.048 MPa;當(dāng)柱塞位于阻尼孔1處時(shí),柱塞兩邊壓差為0.03 MPa;當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)至兩阻尼孔處時(shí),柱塞兩邊壓差為0.015 MPa。

考慮到模型簡(jiǎn)化造成的誤差,由此可見,計(jì)算結(jié)果和流場(chǎng)仿真結(jié)果相近,能反映閉門器實(shí)際工作狀況。

筆者測(cè)量每隔5°時(shí)的開門力和關(guān)門力,測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)的開關(guān)門力

筆者選取柱塞位于阻尼孔1和節(jié)流閥1之間、位于阻尼孔1處和位于兩阻尼孔中間這3處位置,對(duì)比實(shí)際關(guān)門力和理論關(guān)門力,結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)關(guān)門力和理論關(guān)門力

由表4可知,試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)學(xué)計(jì)算和流場(chǎng)仿真結(jié)果基本吻合,由于在閉門器復(fù)位過程建模時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)簡(jiǎn)化,忽略了柱塞齒條和筒壁之間的縫隙、油液壓縮等因素的影響,仿真得到的關(guān)門力和試驗(yàn)測(cè)得的關(guān)門力相比有一定的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型號(hào)液壓閉門器的壽命測(cè)試合格率低的問題,筆者對(duì)該閉門器工作時(shí)柱塞所受阻尼力進(jìn)行了理論計(jì)算、仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試研究;首先應(yīng)用流體力學(xué)理論,推導(dǎo)出了液壓元件阻尼力的計(jì)算公式,建立了和柱塞行程相關(guān)的閉門器阻尼力數(shù)學(xué)模型;運(yùn)用ANSYSFluent分析閉門器流道模型,得到了流道內(nèi)部壓力變化及主要受力點(diǎn),通過試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件仿真結(jié)果的對(duì)比,對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

(1)數(shù)學(xué)計(jì)算和Fluent仿真所得柱塞兩端壓力差誤差為0.001 MPa～0.008 MPa;

(2)理論關(guān)門力和實(shí)際關(guān)門力誤差為2.6 N～3.5 N;

(3)試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)學(xué)計(jì)算和流場(chǎng)仿真結(jié)果基本吻合,證明所建數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確可靠。

在之后的研究中,筆者將在不影響閉門器使用性能的基礎(chǔ)上,對(duì)阻尼孔和節(jié)流縫隙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以提高閉門器的可靠性。