液压滑阀流动特性分析.pdf

1 2 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 1 1 期 2 0 1 3年 1 1月 液压滑阀流动特性分析 杨秀萍 ， 陈炜 ， 郭津津 1 ． 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室， 天津 3 0 0 3 8 4 ； 2 ． 天津理工大学 机械工程学院， 天津 3 0 0 3 8 4 摘要 为研究液压滑阀的流动性能， 采用计算流体动力学 C F D 方法， 应用F l u e n t 软件， 对不同开口量的滑阀进行仿 真， 得到阀内流体的速度、 压力分布图、 流量特性曲线及滑阀稳态液动力。结果表明 流体流经滑阀阀口时， 射流角随阀开 17 量变化， 存在附壁流和 自由流两种流动状态； 阀口流量系数不是常数， 在附壁流与自由流状态切换位置， 流量系数发生 突变， 使阀的流量特性变差； 稳态液动力随开口量增加而增大， 但在 自由流和附壁流状态下变化规律不同。研究结果为不 同结构形式滑阀的优化设计及试验提供了理论依据。同时将可视化的仿真结果应用到理论教学中， 拓宽了现有的教学方 式， 加强了教学与工程应用之间的有机结合。 关键词 液压滑 阀； 仿真 ； 流量特性 ； 液动力 ； 教学 中图分类号 T H1 6 ； T H1 3 7 ． 5 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 1 1 - 0 1 2 6 0 3 Th e F l o w Ch a r a c t e r i s t i c s St u d y o n Hy d r a u l i c Sl i d e Va l v e Y A N G X i u p i n g ， C H E N We i 。 ， G U O J i n - j i n 1 ．T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y f o r C o n t r o l T h e o ry＆A p p l i c a t i o n s i n C o m p l i c a t e d S y s t e m s ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y fl o w p e ff o r e s ， h y d r a u l ic s l i d e v a l v e s w i t h d iff e r e n t o p e n i n g w e r e s i m u l a t e d u s i n g c o m p u t e r flu i d d y n a mic s m e t h o d b a s e d o n F l u e n t s o f t w a r e ．T h e c o n t o u r s o f v e l o c i t y a n d p r e s s u r e a r e o b t a i n e d a n d t h e flo w c h a r a c t e r i s t ic s a n d flo wf o r c e are c a l c u l a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t he fl u i d ic v ari e s w i t h o p e n i n g w hen flu i dflo w s t h r o u g h t h e o r ific e a n d t h e r e are t w o s t at e s t h a t a t t ach e d flo w a n d f r e e flo w , T h e fl o w c o e f fi c ie n t i s n o t c o ．r ant ， a p p e ars b r e a k p h e n o m e n o n atflO W s t ate s s w i t c h p o s i t i o n a n d r e s u l t s i n fl ow c h ara c t e r is t i c s g e t t i n g w o r s e ． S t e a d y - s t ate flo wf o r c e i n c r e ase s w i t h o p e n i n g a n d h as d iff e r e n t v a r i e t y l a w i n t w o s t a l e s ．The s e p r o v i d e t heo r e t ic b asis f o r o p t i m i z i n g des i g n and t e s t o n d iff e r e n t s t r u c t u r e o f s l i de v a l v e ．The v i e w a b l e s i mu l at i o n r e s u h s w e r e a p p l i e d t o t heo r e t ic t e ach i n g ，w h i c h C an dev e l o p t e ac h i n gapp r o ac h， s t r e n g t h e nt h e c o mb i n ati o n b e t w e e nt e ach i n gan d e n g i n e e ri n gappl ication ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c S l i d e Va l v e ； S i m u l a t i o n； F l o w Ch a r a c t e r i s t i c s ； Fl o w F o r c e ；T e a c h i n g 1引言 随着科学技术的迅速发展及工业水平的提高， 对液压系统 的性能要求越来越高， 从而对液压元件的设计、 制造也提出了更 高的要求。滑阀是换向阀常用的形式， 阀口的结构及开口量决定 了阀内流体的流动情况， 对阀的流量特性、 冲击及噪声有重要影 响， 特别是当滑阀作为电液伺服阀的功率级使用时， 其流量特性 直接影响并决定了伺服阀的性能。 由于实际使用的滑阀结构和尺 寸多种多样 ， 液流在滑阀 中的流动状态无法观测 ， 而通过试验对 影响液流流态的各种因素进行全面研究十分困难I 。目前， 在液 压元件的分析与设计中， 广泛采用仿真软件来分析流场的流动特 性 ， 以便对产品进行优化设计， 改进工作性能 。 采用计算流体动力学 C F D 方法， 基于 F l u e n t 软件， 研究液 压滑阀的流动特性， 得到阀内流体的速度、 压力分布， 阀口流量特 性以及阀芯受力等结果， 为深入了解滑阀的工作机理， 对结构进 行优化设计具有重要意义。 同时， 应用计算机仿真， 可以使设计者 将更多的时间用于分析、 优化设计方案， 提高设计质量 ， 降低成 本， 缩短研究周期， 提高设计效率。 2滑阀的有限元模型 以某液压滑阀为研究对象 ， 结构如图 1 a 所示 ， 有两个左 右对称的阀腔， 且为轴对称结构， 为减少计算工作量， 取其单个阀 腔建立轴对称模型， 进行网格划分 ， 为提高阀口过流截面处的计 算精度， 此处网格局部加密[5 - 6 t ， 如图 1 b 所示。设滑阀的额定流 量 1 0 0 0 Um i n ， 液压油密度 8 5 0 k g ／ m ， 动力粘度 0 ． 0 0 8 5 P a S ， 阀口 开度x v为 0 3 m m。流体与壁面接触的边界为静止壁面， 进、 出 口边界分别取为压力进口和压力出口， 人口压力 7 MP a ， 出口压力 3 ． 5 M P a 。计算过程中为了满足数值解析的可行性， 对实际模型假 设 阀为理想液压滑阀， 阀芯与阀套间没有径向间隙； 流体为不可 压缩、 牛顿流体； 阀体尺寸很小， 忽略重力； 流动状态为紊流， 采用 S p al a r t A l l a m a r a s 计算模型。 来稿 日期 2 0 1 3 - 01 0 5 基金项目 天津市自然科学基金项 目 0 3 3 7 0 0 2 1 1 ； 天津理工大学教学改革项目 Y B I 卜3 1 ， Y B I 1 - 3 0 作者简介 杨秀萍， 1 9 6 2 - ， 女， 天津市人， 硕士， 教授， 硕士生导师， 主要研究方向 流体传动与控制的教学与科研工作 1 2 8 机械 设 计 与制 造 NO ． 1 1 N O V ． 2 01 3 服阀和比例阀的操控有较大的影响， 会出现液动力大于操控力而 使阀芯动作失效的现象。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力， 瞬态液动力在阀芯所受到的各种作用力中所占的比例很小， 设计 中忽略不计， 这里只讨论稳态液动力。 稳态液动力一般利用动量定理来分析计算。液流流人或流 出阀口时， 稳态液动力 的计算公式为 F , to q v c o s O 2 式中 一流人或流出阀口的流速； 流角， 理想射流角为 6 9 。 。 由于阀口开度不同时， 液流存在附壁流和自由流， 即射流角 变化， 因此应用 2 式计算将产生较大误差。 稳态液动力实质上是 流体运动所造成的阀芯壁面压力分布变化而产生的， 可通过对仿 真计算得到的阀芯壁面上的压力分布进行积分来求解， 计算表达 式为 3 式中 p 一阀芯壁面上的压力 ； 矿一 阀芯轴线正向； Af _ 一 阀芯受力壁 面。 稳态液动力随阀口开度变化的曲线， 如图5所示。由图5 可 以看出， 稳态液动力的方向均使阀口趋于关闭， 由于射流角不同， 液动力随 变化较大， 且液流流出阀口时的液动力略小于流入 阀口时的液动力， 变化趋势相同。 这是因为液流流出阀口时， 进口 较大， 阀腔内阀芯壁面上的压力分布较均匀， 变化很小 图略 。 45 0 4 0 O 3 50 3 0 0 主2 5 0 2 00 1 5 0 1 0 0 50 0 0 ． 5 1 ．0 1 ． 5 2 ．0 2 ．5 3 ．0 X v mm 图 5稳态液动力随阀口开度变化曲线 Fi g ． 5 T h e C u r v e s o f S t e a d y S t a t e F l o w F o r c e wi t h Op e n i n g 4结束语 应用计算流体力学方法， 对滑阀内部流动进行仿真计算， 得 到以下结论 1 流体流经滑阀阀口时， 射流角随阀口开度变化， 存在附 壁流和自由流两种流动状态； 2 阀口流量系数随阀口开度变化， 在附壁流与自由流状态 切换位置， 流量系数发生突变， 使阀的流量特性变差， 从而影响液 压控制系统的性能； 3 稳态液动力可以通过阀芯壁面的压力积分计算得到， 其 大小随阀口开度增加而增大，但在自由流状态和附壁流状态下， 变化规律不同。 4 液流流人阀口与流出阀口时， 流量特性及稳态液动力随 阀口开度的变化规律相同。 将上述仿真结果应用到教学中，学生可以通过可视化流场 的定量分析， 将流体力学理论与实际应用相结合， 进一步理解流 动特性对元件性能的影响， 拓宽了现有的教学方式， 同时能使学 生掌握专业软件和现代设计方法， 拓展知识面， 加强教学与工程 应用之间的有机结合 ， 培养学生工程应用能力， 为毕业后从事液 压传动设计工作奠定基础。 参考文献 [ 1 ] 周元春， 杨曙东， 罗博． 基于F l u e n t 的大通径滑阀压力流量特性研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 1 9 1 0 3 1 0 5 ． Z h o u Yu a n - 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