直驱式插装阀内部流道的动态仿真研究.pdf

年月 第卷 第期 机床与液压 收稿日期 基金项目 国家重大科技专项 作者简介 赵升吨 男 博士 教授 博士生导师 研究方向为机 电 液系统的计算机监控 人工智能与智能 控制 绿色流体传动系统及控制 超声及半固态特种精密成形 振动与噪声控制 微纳米成形 直驱式插装阀内部流道的动态仿真研究 赵升吨 朱牧之 李省 孟德安 西安交通大学机械工程学院陕西西安 摘要利用流体力学软件 对直驱式插装阀内部流场进行分析得到不同开度下阀体内部流体的压力及速度分布 云图分析了液流能量损失的原因优化了结构参数结果表明阀口开度较小时总压力梯度较小阀内流体的速度梯 度不均仅在节流口处有较大的变化在开度接近于最大时总压力梯度最大流体最大速度升高开度为 时压 力梯度较小的位置流体的速度梯度也较小而压力梯度大的位置速度梯度也明显较大能量损耗主要由于阀套的通油口面 上出现了直径约为 的漩涡区 关键词插装阀流体动力学流场分析能量损失 中图分类号 文献标志码 文章编号 前言 目前 伺服插装阀均是由高性能比例流量阀作为 先导阀实现主阀芯的动作 现考虑用电 机转换器作为 动力元件驱动阀芯 如伺服电机等 简化了液压系统 回路 但伺服电机有其独特的稳态和瞬态性能 技术 难度较大 所以首先需要针对高压大流量下插装阀的 液动力进行分析计算 高压大流量伺服直驱式插装阀 是在二通插装阀的基础上 采用圆筒型永磁同步直线 电机直接驱动阀芯做直线运动 并由位移传感器与直 线电机及阀芯形成闭环控制从而实现高压大流量换向 流量 卸荷等功用的高精度控制 因此插装阀性能的好坏对整个系统十分重要 其阀对系统的控制是通过操纵流体来完成的当流体流 经阀内流道时会产生能量损失 导致阀内压力下降 所以阀的性能是由阀内流体的流动状态决定的 同时 流体的流动状态也直接影响着阀芯驱动部分的选择和 设计 文中将对阀芯的受力情况进行理论分析 并通 过有限元软件对直驱式打击液压阀的内部流场进行仿 真分析 得到阀芯所受液动力的仿真值以及阀内流场 的流动特性 为后续的研究工作做好准备 直驱式插装阀工作原理 现有的伺服插装阀均是由高性能比例流量阀作 为先导阀实现主阀芯的动作 如安阳 的快锻 机中关键的卸荷部分原件采用了进口的 比例流 量插装阀 图 为其液压系统中 多级插装阀的 液压原理图 图多级插装阀工作原理图 型比例流量插装阀是通过高性能 比例先导阀控制 内装电子器件 比例阀的调整功 能由可在阀套内移动的带双先导面积的阀芯控制 根据输入信号的大小提供流量控制 通径规格 最大工作压力 最大通流量 其结构如图 所示 图 型比例流量插装阀结构图 现考虑用电 机转换器作为动力元件驱动阀芯 如伺服电机等 简化了液压系统回路 但伺服电机 有其独特的稳态和瞬态性能 技术难度较大 所以 首先针对高压大流量下插装阀的液动力分析直动方 案的可行性 现以 通径二通插装阀为设计背景 工作压力 流量 油液密度 阀芯开启闭合 次 阀芯行程为 主阀芯面积比假设为 锥角为 下 面粗略计算阀芯所受最大液动力 假设阀芯开启后先匀加速后匀减速 阀芯最大 运动速度 为 其中 为阀芯行程 为阀芯开 度由 到最大行程的时间 加速度为 根据上流式锥液动力计算公式 稳态液动力为 瞬态液动力为 槡 惯性力为 综上 阀芯需要克服力为 因此 从理论计算来看 只要驱动单元能够提 供大于 的输出力 即可实现直接驱动阀芯的运 动 图 所示为由圆筒式直线电机驱动的直驱式插 装阀结构图 图直驱式插装阀结构图 直驱式插装阀内部流道动态仿真 由于确立仿真模型对之后的计算意义重大 所 以对插装阀内部流场进行数值模拟 首先需要建立 适 当 的 模 型 图 为 使 用 三 维 设 计 软 件 生成的直驱式插装阀阀体流道部分的三维 几何模型 随着阀口开度从 到最大行程 这是一个动态的过程 因此 当对流道的三维模型进 行有限元计算时 其流道模型随着开度大小而变化 此时 在 计算中采用动网格更为合理并较为 准确反应阀体流道的压力和速度分布 机床与液压第卷 图插装阀阀体流道计算模型 其中 动网格用于模拟流体域边界随时间改变 的问题 首先定义初始网格以及边界的运动方式并 指定运动区域 边界的运动方式通过编写 程序 实现 边界条件参数设定见表 表边界条件参数设定 入口压力 出口压力 油液密度 动力黏度 阀芯运动速度 鉴于其为参数化建模 所以能够方便地改变阀口 开度 进行不同开度时滑阀内部流场的仿真计算或者 根据仿真结果改进阀的结构 进行参数优化处理 通过每 步保存的计算结果 得到在流动状态 下插装阀在不同开度下的压力和速度云图 如图 图 所示 图横截面压力云图 图横截面速度云图 在阀口开度较小的时候 进口和出口还未完全 连通 阀内流体产生的总压力梯度较小 仅在节流口 处有较大的变化 随着阀口开度的增大 压力梯度逐 渐均匀排布 节流口处压力变化依然较大 同时阀腔 内部拐角处或者流道直径突变处也产生了压力变化 最后在开度接近于最大时 总压力梯度最大 由图 可以看出 在阀口开度较小的时候 阀内流 体的速度梯度不均 仅在节流口处变化很大 随着阀口 开度的增大 阀腔内流体的最大速度变化逐渐趋缓 速 度梯度逐渐均匀排布 在开度接近于最大时 由于出口 边节流 速度梯度再次不均 流体最大速度升高 图 和图 为阀芯行程达到最大时 即开度为 时 内部流体的压力和速度分布图 从图 可以 看出 当阀口开度最大时 靠中心的流体压力梯度变 化依然不大 但在出口附近 拐角处及直径突变出压 力梯度增大非常明显 同样 压力梯度较小的位置流 体的速度梯度也较小 而压力梯度大的地方速度梯 度也明显较大 图开度为 时内部流体压力分布 下转第页 第期赵升吨 等直驱式插装阀内部流道的动态仿真研究 图如图 和图 所示 由图可知 在制动过程中泵 停止工作时 随着蓄能器预充气容积的增大制动停 止后质量块受力越大 反向位移越大 说明蓄能器 的预充气容积在制动过程中都能给系统提供足够大 的锁紧力矩 都能让系统锁死 图预充气容积对偏航 系统制动时质量 块受力局部放大图 图预充气容积对偏航 系统制动时质量 块位移局部放大图 综上所述 由蓄能器预充气容积对系统偏航和 制动性能影响 选择蓄能器预充气容积为 公 称容积为 结论 通过计算得出了风机偏航用蓄能器预充气压力 和预充气容积合理的取值范围 在 中建立了 蓄能器作应急动力源时偏航液压系统的仿真模型 并对该工况下蓄能器的工作性能进行了仿真 仿真 结果表明 蓄能器在系统偏航与制动工作过程中充 当应急动力源均能使系统安全制动 通过批处理研 究了蓄能器工作参数对系统偏航性能和制动性能的 影响 指出使系统具有较好工作性能的蓄能器预充 气容积和预充气压力分别为 和 参考文献 邢科礼葛思华新型串联囊式蓄能器对油源压力脉动 影响的实验研究 机床与液压 阮晓芳邱梅秀蓄能器对带长管道阀控系统动态特性 的改善 工程设计 付永领祁晓野 系统建模和仿真北京北 京航空航天大学出版社 董春芳朱玉杰基于 的长管道液压系统动态 仿真 煤矿机械 王琳曹瑞涛蓄能器基本参数的确定及其特性对液压 系统的影响 陶瓷 上接第页 图开度为 时内部流体速度分布 由图 可看出在阀套的通油口面上出现了直径 约为 的漩涡区导致了能量损耗但由于该阀 本身作为卸荷阀此处并没有太大的影响 图开度为 时内部流体速度矢量图 结论 通过对现有的进口多级插装阀进行分析提 出一种由直线电机驱动的直驱式插装阀结构并对 其液动力进行了理论计算验证其实施方案的可 行性 通过对阀体三维建模并进行基于 的动网格分析对阀体内部流道的运动进行定义从 分析结果可得液流在阀口流道中出口锥面处容易出 现压力和速度的突变并产生漩涡及流动滞止现象 这些对接下来的研究工作起到了很好的指导作用 参考文献 黄火兵夏伟屈盛官等比例控制与插装阀技术的应 用与发展 机床与液压 宋鸿尧液压阀设计与计算北京机械工业出版 社 许尤立 教程与范例北京国防工业 出版社 韩占忠 流体工程仿真计算实例与应用北 京北京理工大学出版社 工程实例详解北京人民邮电 出版社 第期张银霞等蓄能器在兆瓦级风机偏航液压系统中应用的仿真研究