孫燦興,黃 增,任 旺,王 琳,付承偉,孔祥東,樓申琦

(1.上海海岳液壓機(jī)電工程有限公司,上海 200000;2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004;3.中信重工機(jī)械股份有限公司 洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引 言

二通插裝閥是一種以二通型單向元件為主體,采用先導(dǎo)控制和插裝式連接的新型液壓控制元件,具有抗污染能力強(qiáng)、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流動(dòng)阻尼小、通流能力大,以及可實(shí)現(xiàn)方向、流量、壓力等多種控制功能等優(yōu)點(diǎn)。由于其具有特別適用于高壓大流量系統(tǒng)、組合方式靈活的特點(diǎn),在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

與某液壓系統(tǒng)回路環(huán)形閥組配套使用的專用高品質(zhì)組合式插裝閥是設(shè)備的核心元件,要求具有大流量、快速響應(yīng)、耐沖擊等特性。目前,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外相比還存在較大差距,相關(guān)技術(shù)為國(guó)外公司壟斷,產(chǎn)品供貨周期和造價(jià)、維護(hù)、備品等均受制于人,亟需突破壟斷,做到自主可控。

隨著流體力學(xué)、算法理論、可靠性理論等學(xué)科的發(fā)展,特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,流體仿真技術(shù)也日益成熟,越來(lái)越成為液壓設(shè)計(jì)人員強(qiáng)有力的輔助工具[6]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)中不可或缺的進(jìn)行系統(tǒng)分析的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)手段[7]。

張晉等人[8]對(duì)插裝閥壓力和溫度變化引起的油液密度和黏度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,在考慮了摩擦力與伺服閥閥口流量的基礎(chǔ)上,對(duì)其先導(dǎo)部分與主閥部分進(jìn)行了機(jī)理建模,從而提高了模型的準(zhǔn)確性。張威[9]通過(guò)對(duì)二通比例流量閥工作原理的分析,考慮了其負(fù)載特性,利用仿真軟件AMESim建立了相應(yīng)的液壓模型,并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,研究了二通比例流量閥的動(dòng)態(tài)特性。楊亦婷等人[10]對(duì)某電磁閥的工作原理、磁場(chǎng)特征、運(yùn)動(dòng)過(guò)程等進(jìn)行了分析,采用磁路分析法建立了其動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,利用Simulink進(jìn)行了電磁閥動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真,針對(duì)電磁閥主要參數(shù),對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響進(jìn)行了研究。YUE Da-ling等人[11]利用計(jì)算機(jī)建模,針對(duì)脈沖電壓持續(xù)時(shí)間,對(duì)螺桿式插裝閥啟閉動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究。WANG Wen-zhu等人[12]利用AMESim對(duì)二通比例插裝閥的建模與仿真進(jìn)行了研究。

為了對(duì)液壓打樁錘的組合插裝閥動(dòng)作過(guò)程中的響應(yīng)特性和流場(chǎng)特性進(jìn)行研究,筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)考慮彈簧剛度、閥芯各面所受壓力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力、閥芯重力、液體阻尼力等因素對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響,建立插裝閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型,并利用AMESim和Fluent軟件進(jìn)行仿真研究。通過(guò)獲取特定條件下插裝閥的性能參數(shù)、快速響應(yīng)數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù),為整機(jī)的可靠性分析及性能預(yù)測(cè)提供重要依據(jù)。

1 插裝閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 插裝閥結(jié)構(gòu)

該插裝閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 插裝閥結(jié)構(gòu)示意圖

該插裝閥主要包括蓋板、彈簧座、彈簧、閥芯、閥套等部件。

1.2 插裝閥的工作原理

液壓打樁錘專用插裝組合閥的原理如圖2所示。

圖2 插裝閥工作原理圖

液壓打樁錘專用組合閥系統(tǒng)由兩部分組成,包括先導(dǎo)級(jí)和主閥級(jí)。其中,主閥為插裝閥(之所以選擇插裝閥,是為了能夠滿足海上作業(yè)打樁錘大流量的需求)。高壓油從A口流入,B口流出,控制口C控制插裝閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。

先導(dǎo)閥主要由兩部分組成,包括電磁閥和二位三通液控?fù)Q向閥。在電磁閥未得電的情況下,閥芯處于右位,高壓油pA無(wú)法通過(guò)電磁閥控制液控?fù)Q向閥,此時(shí)液控?fù)Q向閥右端處于低壓狀態(tài),高壓油pA進(jìn)入液控?fù)Q向閥左端,推動(dòng)換向閥右移,所以換向閥處于左位,主閥的控制腔內(nèi)液壓油通過(guò)換向閥,回到低壓油箱p0,此時(shí)控制腔pC為低壓,主閥閥芯受A、B面向上壓力而向上移動(dòng),主閥B口和A口連通,主閥開(kāi)啟;相反,當(dāng)電磁閥得電的時(shí)候,閥芯移到左位,液控?fù)Q向閥右側(cè)壓力升高,推動(dòng)換向閥左移,換向閥處于右位,高壓油pA進(jìn)入主閥控制腔C,推動(dòng)主閥閥芯下移,從而主閥關(guān)閉。

1.3 插裝閥的技術(shù)參數(shù)

插裝閥的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 插裝閥的主要技術(shù)參數(shù)

2 插裝閥數(shù)學(xué)模型的建立

在插裝閥的仿真研究中,準(zhǔn)確建立插裝閥的數(shù)學(xué)模型是難點(diǎn)。

插裝閥的工作過(guò)程涉及到液壓油壓力、閥芯重力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力[13]、彈簧力、液體阻尼力、側(cè)向力[14]等多種力的耦合作用,閥芯受力的數(shù)學(xué)模型由流量方程、流量連續(xù)性方程和閥芯的力平衡方程組成。

2.1 電磁閥建模

先導(dǎo)閥的電磁驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)電壓成比例關(guān)系,故可等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)。閥芯位移與輸入電壓信號(hào)之間的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為:

(1)

式中:xV—先導(dǎo)閥閥芯位移,mm;UV—輸入電壓,V;Ka—閥功率放大器增益;KV—伺服閥增益;wf—伺服閥固有頻率;ζm—伺服閥阻尼比。

2.2 液控?fù)Q向閥建模

液控先導(dǎo)閥流量方程為:

q1=Kqxt-Kc(p2-p0)

(2)

式中:Kq—流量增益;Kc—流量-壓力系數(shù);q1—控制流量,L/min;p0—油箱壓力,MPa;p2—換向閥閥背壓,MPa。

液控先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)方程為:

(3)

式中:xt—液控先導(dǎo)閥位移,mm;mt—液控先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量,kg;pA—供油壓力,MPa;AD—液控先導(dǎo)閥左側(cè)面積,mm2;AE—液控先導(dǎo)閥右側(cè)面積,mm2。

2.3 插裝閥開(kāi)啟過(guò)程數(shù)學(xué)建模

2.3.1 阻尼孔通流方程

若不考慮管道中的液體壓縮,開(kāi)啟過(guò)程阻尼孔的通流方程為:

(4)

式中:Cd1—1號(hào)阻尼孔流量系數(shù);Cd4—4號(hào)阻尼孔流量系數(shù);A1—1號(hào)阻尼孔通流面積,mm;A4—4號(hào)阻尼孔通流面積,mm;pC—插裝閥控制腔壓力,MPa;p2—液體通過(guò)1號(hào)阻尼孔后管路壓力,MPa。

2.3.2 流量連續(xù)性方程

開(kāi)啟過(guò)程中的流量連續(xù)性方程為:

(5)

式中:x—插裝閥閥芯位移,mm;AC—插裝閥C面面積,mm2;VC—插裝閥控制腔體積,mm3;Cip—插裝閥內(nèi)泄漏系數(shù);K—液壓油有效體積彈性模量。

2.3.3 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力

由于流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通常比較復(fù)雜,很難通過(guò)精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示其速度和壓力的實(shí)際分布,因此,不能夠應(yīng)用積分的方法來(lái)計(jì)算穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力?？梢詰?yīng)用動(dòng)量定理,通過(guò)求解所選控制體的動(dòng)量變化,反求閥芯所受液動(dòng)力[15]。

由動(dòng)量定理得:

Fsdt=ρv2Acosαdt

(6)

式中:Fs—流體軸向液動(dòng)力,N;v—流體軸向流速,m/s;ρ—液壓油密度,kg/m3;α—射流角度,45°。

又因流量公式:

q=Av

(7)

并將式(6)兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間積分,可得:

FS=ρqvcosα

(8)

錐形閥口過(guò)流速度為:

(9)

錐形閥口過(guò)流面積為:

(10)

插裝閥閥口流量為:

(11)

將式(9,11)式代入式(8),可得穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力為:

(12)

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度為:

(13)

式中:CV—速度系數(shù),一般取0.95～0.98;Cd—插裝閥流量系數(shù);d—插裝閥出口直徑,mm;pA—插裝閥A面壓力,MPa;pB—插裝閥B面壓力,MPa。

2.3.4 主閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程

開(kāi)啟過(guò)程主閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程為:

(14)

式中:AA—插裝閥A面面積,mm2;AB—插裝閥B面面積,mm2;m—插裝閥閥芯質(zhì)量,kg;B—主閥芯的黏性阻尼系數(shù);k—彈簧剛度,N/mm。

2.4 插裝閥關(guān)閉過(guò)程數(shù)學(xué)建模

2.4.1 阻尼孔通流方程

若不考慮管道中的液體壓縮,關(guān)閉過(guò)程阻尼孔的通流方程為:

(15)

式中:pA—控制口高壓/供油壓力,MPa。

2.4.2 流量連續(xù)性方程

關(guān)閉過(guò)程中的流量連續(xù)性方程為:

(16)

2.4.3 主閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程

關(guān)閉過(guò)程主閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程為:

(17)

2.5 仿真模型參數(shù)

仿真模型參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型參數(shù)

3 插裝閥仿真模型的建立與分析

電磁閥建模部分解釋了輸入電壓信號(hào)與閥芯位移之間聯(lián)系;液控先導(dǎo)閥建模部分解釋了液控先導(dǎo)閥位移與控制流量之間的聯(lián)系;插裝閥部分?jǐn)?shù)學(xué)建模分別列出了阻尼孔通流方程、流量連續(xù)性方程和主閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程,從而得到了控制流量引起閥芯位移變化之間的聯(lián)系。

以上數(shù)學(xué)建模將輸入電壓信號(hào)與閥芯位移變化關(guān)聯(lián)起來(lái),準(zhǔn)確解釋了插裝閥的工作原理。

通過(guò)設(shè)置數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)參數(shù),再利用AMESim軟件,筆者搭建先導(dǎo)級(jí)與主閥級(jí)的仿真模型,并進(jìn)行計(jì)算。

筆者所建仿真模型如圖3所示。

圖3 先導(dǎo)級(jí)與主閥級(jí)的仿真及測(cè)試模型

通過(guò)AMESim建模仿真,可得到插裝閥控制腔壓力仿真曲線,如圖4所示。

圖4 控制腔壓力仿真曲線

圖4中,在0 s時(shí),控制管路聯(lián)通低壓p0,控制腔C內(nèi)的壓力迅速下降到0 Pa。5.7 s后,控制管路聯(lián)通供油壓力高壓pA,控制腔內(nèi)的壓力迅速上升至25 MPa。

控制腔內(nèi)壓力的變化控制插裝閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

插裝閥的主閥位移的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真曲線,如圖5所示。

圖5 閥芯位移仿真曲線

圖5中,控制管路聯(lián)通油箱低壓時(shí),控制腔內(nèi)的壓力迅速下降到0 Pa,此時(shí)插裝閥C面所受壓力為0,插裝閥芯A、B面受液體向上的壓力而向上運(yùn)動(dòng),到0.036 m處停止;控制管路聯(lián)通高壓時(shí),控制腔內(nèi)的壓力迅速上升到25 Pa,此時(shí)插裝閥C面受到較大壓力,推動(dòng)插裝閥芯向下運(yùn)動(dòng),直至插裝閥完全關(guān)閉。

插裝閥芯的上下運(yùn)動(dòng)直接導(dǎo)致插裝閥的開(kāi)啟與關(guān)閉,從而控制液體流動(dòng)。

插裝閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中,插裝閥入口處的壓力變化如圖6所示。

圖6 插裝閥入口壓力變化圖

圖6中,插裝閥開(kāi)啟瞬間,入口與出口連通,入口壓力迅速下降到15 MPa;插裝閥關(guān)閉瞬間,入口與出口斷開(kāi),入口壓力又上升到25 MPa。

插裝閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中,插裝閥出口處的壓力變化如圖7所示。

圖7 插裝閥出口壓力變化圖

由圖7可知:由于負(fù)載壓力恒定,所以出口處的壓力穩(wěn)定在16 MPa。

插裝閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程通過(guò)插裝閥的流量變化,如圖8所示。

圖8 插裝閥口流量仿真曲線

由圖8可知:在插裝閥開(kāi)啟瞬間,由于插裝閥入口壓力為25 MPa,出口壓力為15 MPa,插裝閥兩側(cè)存在較大壓差,閥口流量躍升至33 000 L/min,之后入口壓力逐漸降低,流量穩(wěn)定在5 000 L/min;當(dāng)插裝閥關(guān)閉時(shí),閥口流量迅速減小為0。

4 主閥流場(chǎng)分析

由于插裝閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜,理論計(jì)算過(guò)程中,很多問(wèn)題都被簡(jiǎn)化忽略了,其計(jì)算結(jié)果比較粗略。

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法,則能更精確地得到插裝閥內(nèi)部的流場(chǎng)特性。因此,筆者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法,對(duì)不同開(kāi)度時(shí)插裝閥腔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真,得到插裝閥腔內(nèi)流體流動(dòng)區(qū)域的流量特性、速度分布和壓力分布情況。

4.1 流體域模型

插裝閥模型如圖9所示。

圖9 插裝閥模型

當(dāng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)時(shí),插裝閥打開(kāi),液體由A口進(jìn)入插裝閥,從B口流出。當(dāng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)時(shí),插裝閥關(guān)閉。

筆者將插裝閥模型(采用Solid works建立)轉(zhuǎn)換為x-t格式,之后將其導(dǎo)入到Fluid Flow(Fluent)軟件中,根據(jù)流體在閥套內(nèi)流過(guò)的區(qū)域,提取出流體域用于流場(chǎng)分析;

筆者將流體域模型設(shè)為進(jìn)油口inlet、出油口outlet和壁面wall 3部分,采用Fluent自帶的Meshing功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分,減少了網(wǎng)格的生成時(shí)間,簡(jiǎn)化模型和網(wǎng)格生成的過(guò)程[16-18],最終得到的流體域模型網(wǎng)格劃分。

流體域抽取與網(wǎng)格劃分如圖10所示。

圖10 流體域抽取與網(wǎng)格劃分

流體域模型網(wǎng)格劃分中的總網(wǎng)格數(shù)為507 535,總節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 449。筆者檢查網(wǎng)格質(zhì)達(dá)到0.830 01,符合仿真分析要求;檢查網(wǎng)格平均扭曲度為0.238 52,符合仿真分析要求。

P閥總行程為36 mm,筆者分別取閥芯開(kāi)度為20%、40%、60%、80%、100%進(jìn)行流場(chǎng)分析,根據(jù)不同開(kāi)度時(shí)的實(shí)際工況,得出三維和二維仿真云圖,進(jìn)而對(duì)比流速云圖、壓力云圖的變化情況。

4.2 仿真結(jié)果分析

閥口開(kāi)度為20%即7.2 mm時(shí),出口平均流速為19.64 m/s,三維的速度和壓力云圖如圖11所示。

圖11 三維云圖(20%開(kāi)度)

二維的速度和壓力云圖如圖12所示。

圖12 二維云圖(20%開(kāi)度)

閥口開(kāi)度為40%即14.4 mm時(shí),出口平均流速為39.20 m/s,三維的速度和壓力云圖如圖13所示。

圖13 三維云圖(40%開(kāi)度)

二維的速度和壓力云圖如圖14所示。

圖14 二維云圖(40%開(kāi)度)

閥口開(kāi)度為60%即21.6 mm時(shí),出口平均流速為53.22 m/s。三維的速度和壓力云圖如圖15所示。

圖15 三維云圖(60%開(kāi)度)

二維的速度和壓力云圖如圖16所示。

圖16 二維云圖(60%開(kāi)度)

閥口開(kāi)度為80%即28.8 mm時(shí),出口平均流速為55.44 m/s。三維的速度和壓力云圖如圖17所示。

圖17 三維云圖(80%開(kāi)度)

二維的速度和壓力云圖如圖18所示。

圖18 二維云圖(80%開(kāi)度)

當(dāng)閥口開(kāi)度為100%即36 mm時(shí),出口平均流速為57.28 m/s。三維的速度和壓力云圖如圖19所示。

圖19 三維云圖(100%開(kāi)度)

二維的速度和壓力云圖如圖20所示。

圖20 二維云圖(100%開(kāi)度)

筆者通過(guò)以上仿真分析得出了插裝閥較準(zhǔn)確的流場(chǎng)特性。

比較插裝閥在不同開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)的速度云圖與壓力云圖可知:隨著閥芯開(kāi)度逐漸增加,出口流量和出口壓力逐漸增大,入口壓力有所降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了研究某液壓打樁錘的組合插裝閥動(dòng)作過(guò)程中的響應(yīng)特性和流場(chǎng)特性,筆者先介紹了某液壓打樁錘專用組合插裝閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,分析了插裝閥閥芯運(yùn)動(dòng)的機(jī)理,并分別建立了插裝閥開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型;然后,利用AMESim軟件對(duì)插裝閥控制腔壓力、閥口流量、閥芯位移等進(jìn)行了仿真分析;最后,利用Fluent仿真軟件得到了插裝閥在不同開(kāi)度下的速度云圖、壓力云圖。

主要過(guò)程及研究結(jié)論如下:

(1)利用AMESim軟件仿真研究組合插裝閥的響應(yīng)特性,得到了組合插裝閥在不同開(kāi)度時(shí)的具體工況。在插裝閥突然開(kāi)啟瞬間,插裝閥入口壓力為供油高壓,出口壓力為負(fù)載低壓,插裝閥兩側(cè)存在較大壓差,閥口流量突然躍升,之后入口壓力逐漸降低,流量穩(wěn)定在一定值;

(2)利用Fluent仿真軟件得到了主閥在不同閥口開(kāi)度下的速度云圖、壓力云圖等流場(chǎng)特性。通過(guò)壓力云圖可看出壓力分布沒(méi)有明顯突變,閥芯開(kāi)口設(shè)計(jì)較為合理,通過(guò)速度云圖得到組合插裝閥開(kāi)度分別為20%、40%、60%、80%、100%時(shí)出口平均流速為19.64 m/s、39.20 m/s、53.22 m/s、55.44 m/s、57.28 m/s,可為平衡閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考;

(3)隨著開(kāi)度的逐漸增大,流體最大流速依次減小,平均流量逐漸增大,入口處流體壓力逐漸減小。

在今后的工作中,筆者將在考慮更多因素的情況下,對(duì)插裝閥的工況進(jìn)行模擬,通過(guò)提高流場(chǎng)計(jì)算精度,以此來(lái)獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。