液压滑阀内部温度特性的研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 7期 液压滑阀内部温度特性的研究 李惟祥 邓 斌 刘晓红 西南交通大学新型驱动技术中心， I t l l 成都6 1 0 0 3 1 摘要 在 中、 高压系统中 ， 由于节流作用 ， 油液流过滑阀的阀 口时会发热使得油液温度升高 ， 影响油液及系统的性能 。 针对油液流经节 流 口发热这一现象 ， 进行 了理论分析 ， 并利用 N H T N u m e ri c a l H e a t T r a n s f e r ， 数值传热学 方法对滑 阀内部的温度场和流场 进行 r三 维数值模拟 ， 对不同入 口压力 和阀口开度的滑阀温度场进行 了解析。数值计算结果表明 油液流过节流 口时温度升高主要源于黏性力 做功导致的黏性耗散 ， 且 黏性耗散主要发生于阀 口后方速度变化率非常大的涡旋区 ， 并得 出了工作压力和不同阀 口开度对阀腔内温度 场的影响 。 为滑阀设计提供 了理论参考 。 关键词 液压滑阀 ； 温度场 ； 黏性耗散 ； 数值模拟 中图分类号 T Hl 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 0 1 6 0 4 Re s e a r c h o f Te m p e r a t ur e Pr o p e r t y i n Hy d r a u l i c S p oo l Va l ve LI We i -x i a ng DENG Bi n L I U Xi a o ho n g N e w D r i v e T e c h n o l o g y C e n t e r ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n me d i u m a n d h i g h p r e s s u r e s y s t e m， Be c a u s e o f t h e t h r o t t l i n g a c t i o n ， h e a t i s g e n e r a t e d wh e n fl u i d f l o w t h r o u g h t h e v a l v e p o r t o f s p o o l v a l v e ， W h i c h l e a d s t o t h e i n c r e a s e o f fl u i d t e mp e r a t u r e ， t h i s wi l l a f f e c t t h e p e r f o r ma n c e o f fl u i d a n d s y s t e m． Ai m f o r t h e t e mp e r a t u r e i n c r e a s e c a u s e d b y t h r o t t l i n g a c t i o n ， a t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i s t a k e n ． An d t h e n 3一 D Nu me ri c a l S i mu l a t i o n i s t a k e n i n o r d e r t o g e t t h e t e m p e r a t u r e fi e l d a n d fl o w fi e l d o f s p o o l v a l v e b y t h e me t h o d o f N H T N u me r i c a l H e a t T r a n s f e r ，T h e t e mp e r a t u r e f i e l d o f s p o o l v a l v e i n d i f f e r e n t w o r k i n g p r e s s u r e a n d o p e n i n g a r e o b t a i n e d ． T h e r e s u h o f n u me r i c a l c alc u l a t i o n s h o w s t h e t e mp e r a t u r e i n c r e a s e o f fl u i d ma i n l y s i n c e f r o m t h e v i s c o u s d i s s i p a t i o n ， a n d t h e v i s c o u s d i s s i p a t i o n h a p p e n s i n t h e v o r t e x a r e a w h e r e h a v e g r e a t v e l o c i t y g r a d i e n t wh e n fl u i d fl o w t h r o u g h t h e v a l v e p o r t ． Th e e f f e c t o f wo r k i n g p r e s s u r e a n d d i f f e r e n t o p e n i n g o n t e mp e r a t u r e fi e l d a r e o b t a i n e d ． T h e o r e t i c a l r e f e r e n c e i s p r o v i d e d for d e s i g n i n g s p o o l v a v l e s ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s p o o l v alv e ； t e mp e r a t u r e fi e l d； v i s c o u s d i s s i p a t i o n； n u me ric a l s i mu l a t i o n O 引言 圆柱形滑阀是液压传动与控制 系统中十分重要的 基础元件 ，常用 的电磁换向阀以及伺服阀均 由圆柱滑 阀组成 。然而 ， 在 中、 高压系统中， 由于油液流经滑阀阀 口时的节流作用 ， 使得油液温度升高 ， 从而导致油液黏 度下降 ．油液黏度 的降低使通过滑阀间隙的泄漏量增 大I l I ； 严重时还会使得阀芯受热膨胀 ， 阀芯与 阀套 间的 配合间隙减小 ， 阀芯有可能被卡死在阀套里 ， 从而导致 系统不能正常工作[ 2 1 。 通过理论分析 ，找出油液经过滑阀阀 口节流发热 的根本原因 ； 利用数值传热学 N H T 软件对滑 阀内部 的流场和温度场进行数值模拟 ，并对计算结果进行分 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 4 作者简介 李惟祥 1 9 8 7 一 ， 男 ， 硕士研究生， 西南 交通大学 驱动技 术与智 能系统专业 ． 研究方 向为液压元件的 C F D数值模拟。 1 6 析 ， 研究滑阀内部温度场 的分布， 为液压滑阀的设计或 改进提供参考。 1 液压 滑阀的结构 一 般 的滑阀有多个阀腔 ，但由于各阀腔之间的相 似性 ，因此用其中的一个 阀腔作为研究对象 以简化计 算量 。计算采用的液压滑阀结构如图 1 所示 ， 由阀芯和 阀套组成 ， 图中 表示阀 口开度大小 ， 其余 主要参数如 表 1 所示 。 图 1 滑阎结构简图 一 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．7 ． 2 0 1 1 表 1 滑 阀的主要参数 单位 mm 参数 数值 参数 数值 a 1 2 L 3l b 1 7 W l 1 6 e 1 3 W 2 2 0 d 1 0 d． 2 0 e 1 5 d 2 3 0 2 油液节流发热 的理论 分析 由于节流作用 ，油液流经滑阀阀 口温度升高这一 现象可用热力学的内能方程来进行描述 ，其微分方程 形式为【 】 一d p C ． T _ V A V b - p 7 S 1 式中p ． 一油液密度 ； c _ 一油液 比热容； 卜油液温度 ； A 油液导热系数 黏性耗散项 ； p 油液压力 ； 速度矢量 ．卜 内热源项 。 设油液不可压缩 密度 为常数 ， 比热容和导热系 数均 为常数 ， 且无 内热源 ， 对 于稳定状态下 ， 温度场不 随时间发生变化 ， 则 1 式可化为 p C u 0 尝O x 署 o ％ d z ‘d V d z z 2 式 中 u ， 1 ， ， 沿 x , y , z 方向的速度分量。 上式左端是 内能的对流项 ， 右端第 一项是导热项 ． 第二项是黏性耗散 ，可见油液流经滑 阀阀 口的温度升 高源 自热传导和黏性耗散。然而 ， 在中、 高压系统中 ， 由 于流经滑 阀内的油液速度很快 ，温度 的对流作用要比 导热作用强烈 的多 ， 工程上 可用贝克莱 P e c l e c t 数 来衡量对流和导热作用 的强弱 ，由于在中 、高压系统 中 ，油液的流速很快 ，图 1 模 型内流体贝克莱数约为 P o -wC c Ua 1 ． 2 x l O 远大于 1 ，因而在理论分析时可忽 略导热项 ， 至此 ， 描述滑 阀内油液温度场 的内能方程可 简 化 为 砉 3 式中 的张量形式为 -- -- Tj i 等 等 等2 S 4 式中 s i _ - 1 剪切应变率张量 ； o x／ o xi l 油液的动力黏度 。 油液在流经滑阀阀口时 ， 由于面积突然缩小 ， 速度 变化率十分巨大 ．因此在 阀口的附近及后方存在很大 的速度梯度 ， 由 4 式可知 ， 强烈的速度 变化率将会 导 致油液的机械能通过黏性力做功耗散为热能 ，使得油 液温度升高 ， 再根据 3 式 ， 黏性 耗散生成的热将会通 过油液的流动带至滑阀阀 口的后方区域。因此 ， 内能方 程表明油液通过节流 口发热 的根本原 因是黏性力做功 将机械能转化为热能 ，这一能量转化 的过程成为黏性 耗散 ，并且黏性耗散主要发生于节流 口附近速度梯度 十分大的地方 。并通过对流将节流 口处由黏性耗散导 致 的高温油液带入节流 口下游 ，使得下游油液温度也 升高。 3 液压滑阀内部流场的数值模拟 3 ． 1 流 场 网格划 分 使用前处理软件 P R O S T A R将滑 阀的内流场划分 为六面体 网格 ， 如 图 2所示 。 图 2滑 阀 流 场 网格 3 ． 2 计算参数 在数值模拟过程中 ，设流体为不可压缩的牛顿 型 流体 物理参数如表 2所示 。湍流模型采用 一 占紊流 模型 ， 热模 型采用静焓模型 ， 人 口和出口温度均设定为 2 9 3 K 2 0 C ， 其余壁面设为绝热。入 口的湍流特征长度 取 为入 口宽度 2 0 m m 的 1 ／ 1 0 [3 ] 。 表 2流动介质参数 物理特性 数值 密 g m 动力黏度 P a 导热系数 A ／ W／ m K 定压 比热容 C ／ J ／ k g K 出口压力 P 2 ／ MP a 8 7 0 0 ． 0 2 61 0 ． 6 0 3 l 2 0 9 3 0． 1 4 流体可视化分析 4 ． 1 节流 口 附近流 场和 温度 场 的分析 通过对滑阀内流场进行数值模拟 ，可获得其 内流 1 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 7期 场的速度分布图和温度分布图。入口压力 1 5 MP a 。 阀口 开度 x 2 ． 0 ra m 时的滑阀 内油液 温度 场分布如 图 3所 示 ， 由图 3 a可知 ， 油液流经节流 口后温度上升 ， 最高温 度到达 2 9 9 K， 比人 口温度升高 6 C， 且温度的升高主要 发生在节流 口处 以及节流 口下游区域 ，在人 口与节流 口之间没有节流作用 的区域 ， 油液温度完全没有变化 ． 这说明油液的温升是由于油液流经滑阀阀口时的节流 作用所导致的。油液流经阀 口附近的温度场分布如图 3 b所示 ，由图可知油液在流经阀 口处有很大的温度梯 度 ， 油液的发热及温度 的升高主要产生在节流 口处。 溢度 K 一 1 8 4 _ 2 工 作压 力变化 对温 度分 布的影 响 不同工作压力P 对应的阀腔 内最高温度曲线如图 5所示， 由图可知 ， 工作压力对节流发热的影响较大 ． 阀 腔内的最高温度 随着工作压力 的增大而线性增长 ． 当 工作压力达到 2 0 M P a时 ， 阀腔 内的最高温度达到 3 0 4 K 3 1 ℃ ， 比入 口的温度 2 9 3 K 2 0 C 升高了 1 1 c c． 可 以预 测， 随着工作压力的进一步提升 ， 由于节流发热导致的 温度升高将进一步增大。因此 ， 在 中、 高压系统中， 油液 流经节流 口时的发热 问题不能忽略 ，需考虑适 当的冷 却措施。 赠 图 5 阀腔 内最 商温 度 随 工作 压 力 的变 化 曲线 4 ． 3 阀 口开度大 小对 温度分 布 的影响 阀口开度大小 对阀腔 内温度分布的影响如图 6 所示 。 由图 6可知 ， 当工作压力只有 1 0 MP a且阀口开度 较小 x O ． 5 ram 时 ， 阀腔 内的最 高温度 只有 2 9 6 ． 5 K左 右 ， 只 比入 口温度提高了 3 ． 5 ℃， 发热效果不明显 ． 但随 着阀口开度 的增大 ， 阀腔内的温度逐渐升高 ， 阀 口开度 达到 3 m m时 ， 温度升高约为 5 ． 2 ℃； 随着工作压力 的增 大 ， 在 同样 的工作压力下 ， 阀腔 内的温度随阀 口开度 的增大而升高 ， 当工作压力 2 0 MP a ， 阀口开度 3 mm时 ， 阀腔 内最 高 温 度 达 到 3 0 3 ． 5 K，比人 口温度 升 高 了 1 1 ． 5 o c， 发热效果已经较为明显。因此， 在 同一工作压力 下 ， 阀腔内的温度随阀口的开启而逐渐升高 ， 且工作压 力越高 ， 温度升高效应愈加明显。 2 0 M Pa l 5MPa 1 OM P 劂 r 】 开 艘／ ram 图 6 阀腔 内最高温度随阀 口开度的变化 曲线 5 结论 1 油液在滑 阀内节流发热的根本原 因是油液流 经阀 口时黏性力做功导致的黏性耗散 ，耗散将机械能 转换为热能 。且黏性耗散主要发生在节流 口后方速度 巡 啊 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 7 ． 2 0 1 l 油液动力黏度对间隙式桥梁锁定装置 动态特性影响的 C F D仿真 张 新 万里翔 祝文举 吴婧斯 西南交通大学机械工程学院， 四川成都6 1 0 0 3 1 摘要 分析了间隙式桥梁锁定 装置的结 构及 其工 作原 理 ， 根据其结构在 A N S Y S I C E M 中建立求解模型并划分 网格 ， 将网格模型导人 到 A N S Y S C F X中 ， 通过设定不 同的油液黏度得 出不 同的仿 真结果 ， 分析结果 ， 研究油液动力黏度对 L U D特性 的影响 。研究结果 旨在 提供一种为 L U D选择 油液 的方法 。 关键词 间隙式锁 定装 置 ； 阻尼力 ； 动力黏度 中图分类号 T HI 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编码 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 0 1 0 0 3 CF D S i mu l a t i o n o n t h e I n fl ue n c e o f Oi l Dy n a mi c Vi s c o s i t y t o Ga p Lo c k u p D e v i c e o n Br i d g e Z HANG Xi n WAN L l - x i a n g S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， Z HU We n - j u J i n g - s i C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h a n a l y s i s o f Ga p L o c k - u p De v i c e s s t r u c t u r e a n d wo r k i n g t h e o r y ，u s i n g t h e s t r u c t u r e o f L UD t o b u i l d mo d e l a n d me s h i n ANS YS I CE M． A ft e r i mp o r t i n g t h e me s h i n t o ANS YS CF X， b y c h a n g i n g t h e v a l u e o f d y n a mi c v i s c o s i t y o f o i l ， w e c a n g e t s o me g r o u p s o f r e s u l t s ． Th r o u g h a n a l y s i s o f s i mu l a t i o n r e s u l t ， we wi l l k n o w h o w t h e o i l v i s c o s i t y i n fl u e n c e t h e c h a r a c t e r o f t h e L UD． T h e p u r p o s e o f t h e t e s t i n g r e s u l t s i s t o s u p p l y a me tho d f o r L UD to c h o o s e a p r o p e rty w o r k i n g o i l ． Ke y W o r d s g a p l o c k u p d e v i c e； d a mp f o r c e ； d y n a mi c v i s c o s i t y O 引言 桥梁锁定装置 ， 简称 L U D， 是一种能量传递装置 ， 通常安装在桥面和滑动桥墩上 ， 如图 1 所示。 当桥 梁正常变形时 如热膨胀 以及 缓慢蠕动时 ， 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 9 作者简 介 张新 ， 男 ， 西南交 通大学 机械工 程学院 车辆工 程专业 在读 硕 士 。 L U D不会阻碍桥梁运动 ； 当桥梁发生剧烈运动时 如地 震 、紧急制动等 ， L U D在极短的时间内将桥面与滑动 桥墩锁死。此时， 固定桥墩的受力即可以通过桥面传递 给滑动桥墩 ， 从而提高了桥梁的整体抗震能力。 - 一 一 - - * - - - 梯度较大的涡旋 区，在该涡旋区温度升高的油液再通 过流动进入下游 ， 使得下游油液温度升高。 2 系统的工作压力越高 ， 阀腔内的温度升高越 明 显 ，阀腔内油液最高温度随系统工作压力的提升而线 性增大。 3 在同一工作压力下 ， 阀腔内最高温度 随着 阀口 的开启而升高 ， 在工作压力较大 时 ， 随着阀 口的开启 。 通过节流发热导致的最高温升可达到 1 I C 左右。 参 考 文 献 [ 1 】 张利平． 液压 阀原理 、 使用 与维护[ M】 ． 北京 化学工业 出版社， 图 1 桥梁锁定装置安置简图 2 O08 ． 刘 晓红 ， 柯 坚 ， 刘桓龙 ． 液 压滑 阀径 向间隙 温度场 的 C F D研 究[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 5 ． Ro h s e n o w W M，Ha r t n e t t J P ，Ga n i c E N．Ha n d b o o k o f h e a t t r a n s f e r F u n d a me n t a l s [ M] ．N e w Y o r k Mc G r a w Hi l 1 ．1 9 8 5 ． 邱静 ， 王 国志 ， 李玉 辉． 基 于 S T A R C C M 的简单 流体 模 型 C F D研究【 J 】 _ 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 1 0 ． 王国志， 等． 水压滑阀流动特性可视化分析[ J 】 ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 1 ． 吴建 民， 徐家文． 基于 C F D技 术的数控电解加工 流场数值模 拟【 J 】 ． 系统仿真学报， 2 0 0 9 1 ． 1 9 吲