基于ADINA液压滑阀的流固耦合研究.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS De c ． 2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 4 2 基于 A D I N A液压滑阀的流固耦合研究 刘罡，张俊俊 ，王江勇 西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳6 2 1 0 1 0 摘要以 A D I N A软件的流固耦合求解器为计算平台，对液压滑阀进行数字模拟。分析滑阀内部流场特性、稳态液动力 产生原因，研究入口速度和开口度对稳态液动力 、阀芯等效应力的影响。研究结果有助于认识滑阀式换向阀的内部流场特 性 、稳态液动力的产生原因及变化规律和阀芯应力分布情况，并对滑阀结构参数设计和性能优化起到一定的指导作用。 关键词滑阀；流固耦合；流场特性；液动力 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 31 5 8 3 Re s e a r c h o n Fl u i d- s o l i d Co up l i ng o f S po o l Va l v e Ba s e d o n ADI NA L I U G a n g ， Z HA N G J u n j u n ， WA N G J i a n g y o n g K e y L a b o r a t o r y o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r Ma n u f a c t u r i n g P r o c e s s Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d i g i t a l s i mu l a t i o n o f t h e s p o o l v alv e w a s c a r r i e d o n u s i n g t h e s o l v e r o f AD I NA． T h e i n n e r fl o w f i e l d o f t h e s p o o l v alv e a n d s t e a d y fl u i d p o we r we r e a n a l y z e d ． T h e i n flu e n c e s o f i n l e t s p e e d a n d o p e n n e s s o n s t e a d y fl u i d p o we r a n d v a l v e c o r e e q u i v ale n t s t r e s s we r e s t u d i e d ． T h e r e s e a r c h h e l p s t o k n o w t h e i n t e r n a l f l o w f i e l d c h a r a c t e ri s t i c o f s p o o l v a l v e，t h e p r o d u c t i o n r e a s o n a n d c h a n g e r u l e o f s t e a d y s t a t e fl u i d p o w e r a n d t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n o f t h e v alv e c o r e ． I t o f f e r s g u i d a n c e f o r t h e s t r u c t u r al p ara me t e r s d e s i g n a n d p e rfo r ma n c e o p t i mi z a t i o n o f s p o o l v a l v e ． Ke y wo r d s S p o o l v a l v e ； F l u i d s o l i d c o u p l i n g ； F i e l d c h a r a c t e r ； F l u i d p o we r 液压阀是流体传动与控制技术中的重要基础元件 之一 ，主要功能是控制流体的流量及流动方向，其特 性会影响液压系统性能。随着科技的发展，高压、大 流量和高换向频率的滑阀式液压换向阀的应用越来越 广 。液压油在流经阀腔时，因动量发生变化产生 的液动力会影响阀的换向操作和工作性能 。作者利 用 A D I N A软件对滑阀进行流固耦合数值计算 ，对滑 阀在稳态下内部流场分布、稳态液动力和阀芯的可靠 性进行分析。 1 模型和计算条件 1 ． 1 三维模 型 图 1 滑阀结构示意图 滑阀一般由多个阀腔组成，由于相似性原理 ，用 其中的一个阀腔就能完全说明滑阀内部流体的流动状 态。图 1 为滑阀的结构简图，具体尺寸如表 1 所示 ， 为 阀口开度。 表 1 滑阀结构的尺寸参数 mm A B C D、D， E F X 7 5 4 ． 5 6 l 1 6 1 5 1 ． 2解析假 定 液压油在阀腔内的流动状态复杂，为了满足数值 解析的可行性，在建立有限元模型时应考虑主要因素 而忽略次要因素。对实际模型做下列 的一些基本假 定 阀芯与阀套配合精确、没有径向间隙、无泄漏 ； 油液为不可压缩黏性牛顿流体 ；流体在阀腔内的流动 为定常流动；系统内部无热传导现象。 1 ． 3 计算条件 按表 2 、3设置模型的材料参数。进 口速度大小 分别为 2 0 、4 0 、6 0 L ／ m i n ，出口压力 0 ． 1 M P a 。阀 芯的一个端面 图1中端面 1 完全约束，模拟阀芯 与操作杆连接。 收稿 日期 2 0 1 11 0 2 1 作者简介刘罡 1 9 8 5 一 ，男，在读研究生，研究方向为流体力学与数值模拟。Em a i l l i u g a n g l i u 1 2 6 ． c o rn。通信作 者张俊俊，Em a i l z h a n g j u n j u n s w u s t ． e d u ． a n 。 第 2 3期 刘罡 等基于 A D I N A液压滑阀的流固耦合研究 1 5 9 表 2 液压油材料参数 密度／ k g m 运动黏度／ m m s 8 9 0 2 9 表 3 阀芯 的材料参数 类 型 2 0 C r Mo 泊松 比0 ． 2 9 弹性模量／ P a 2 ． 0 71 0 “ 密度／ k g m。 7 8 0 0 2 仿真结果及分析 2 ． 1 流场 的 分布 图 2为人 口节流与出口节流时的迹线图。可知 阀腔内液压油的流动状态十分复杂；流场分布不对 称 ，因而液压油对阀芯的径向液压力不能相互抵消， 产生了径向不平衡力。入 口节流时，由于节流的作 用 ，大部分液压油由阀芯的上部和下部流过，两侧流 过的液压油相对较少；出口腔内液压油流动状态非常 紊乱，出现了漩涡，漩 涡引起能量损失、噪声与震 动。出口节流时，液压油在入口腔中由于没有受到阀 口的节流作用，大部分由阀芯的上部和两侧部流过， 阀芯下部流过的液压油相对较少；由于阀腔的导流作 用，出口腔内液压油流动状态比较稳定。 a 入 13节 流 b 出I 1 节 流 图 2 内部流场迹线图 2 ． 2 液动力分析 阀芯所受的稳态液动力有 轴向液动力和径向不 平衡力。轴向液动力 的存在加 大了操纵滑阀所需 的 力，径向不平衡力使 阀芯产生偏移可能导致 阀芯卡 紧 。 2 ． 2 ． 1 轴 向液动力 稳态液动力是流体流经阀腔时因动量发生变化而 作用在阀芯上的力。对于稳态液动力的轴向分量，传 统的方法是通过动量定理来计算 的，计算公式如式 1 F 2 C 。 C ,r r D x △ p c o s O 1 式中c 。 为流量系数 ；C 为流速系数 ；△ p为阀口前 后压差 ；0 为节流口处流体的入射角。 图3给出了轴向液动力在两种节流形式下的数字 仿真结果。可知 两种节流形式下 ，轴向液动力变化 趋势相同，方向都为阀芯趋于关闭的方向。在相同流 量与开口度时，轴向液动力大小基本相等。阀口开度 一 定时，流量越大 ，轴 向液动力越大；流量一定时， 开口越小，轴向液动力越大。由伯努利方程可知，流 量越大，开口度越小；阀口前后的压力差越大 ，因此 流量与开口度都是通过影响阀口前后的压差来改变轴 向液动力的。开口度小于 1 ． 5 m m时，轴向液动力对 开口度变化敏感，因为开口度减小时，节流口处流体 的入射角 0 增大。 3 0 2 5 2 0 羹 1 5 _匣 1 0 簿5 0 入 口节流2 0L ／ mi n 入 口节流4 O L ／ rai n ． _ 入 口节流6 0 L ／ mi n 3 0 Z 2 5 R 2 0 霪 1 5 暹1 0 薜s O 出 口节流2 0L／ rai n 出 口节流4 0 L ／ rai n 出 口节流6 0 L ／ rai n b 出口节 流 图3 阀芯所受轴向液动力曲线 2 ． 2 ． 2 径 向不平衡力 一 般在分析稳态液动力时，假设流场为对称分 布，认为径向不平衡力能相互抵消 。分析流场迹线 图可知流场并非呈对称分布，径向不平衡力是存在 的 。 液压油在流经阀腔时，沿阀芯径向的动量发生变 化而产生的作用力，计算公式如式 2 所示 ，一部 作用于阀芯上，另一部分作用于阀体上 F r 一 ／ d 2 2 2 一 竹 d l 2 2 2 式中d 为人管道的直径； 为入口速度；d 为出 管道的直径； 为出IS l 速度； P为液压油的密度；负 号表示与入口速度的方向相反。 图4给出了径向不平衡力在不同节流形式下的关 系曲线。 入 口节 流2 0L ／ mi n 入 口节 流4 0 L ／ rai n 出 口节 流2 0L ／ rai n 出 口节 流4 0L ／ rai n 一出 口节 流6 0 L ／ ml n b 出口节流 图4 阀芯所受径向不平衡力曲线 由图4可知 开口度一定时，流量越大，径向不 平衡力越大。入 口节流时，随着开 口度的增大，径向 不平衡力呈先增大、后下降、再增大的变化趋势，曲 线呈现 “ 凹”形。出口节流时，随着开口度的增大， 径向不平衡力先增大、后减小，曲线呈现 “ 凸”形。 1 6 0 机床与液压 第 4 O卷 开口度在 0 ． 7 5～1 ． 7 5 m m时，径 向不平衡力的大小 对开 口度的变化敏感。由对流场分布的分析可知 ，影 响流场的两个因素为节流方式和开口度的大小。流 场分布影响流动的液压油质量分布，从而影响作用在 阀芯上的径向液动力的大小。 径向不平衡力，在大开 口、小流量时，其值 较 小 ，可以忽略；在小开口、大流量时，其值较大，可 能导致阀芯卡紧等不良结果，不能忽略，在阀的设计 时应引起注意。 2 ． 3 阀芯应 力 图 5给 出了两 种节流 形下 ，开 口度 为 1 m l n 、入 口速度为 6 0 L ／ m i n时，阀芯的应力云图。最大应力 发生在台肩与阀杆结合处。由图 6可知，最大应力值 为 1 4 ． 1 3 MP a 。阀芯材料 2 O C r M o 的抗拉、抗剪和 抗压强度都大于 2 0 0 MP a ，根据换 向阀的强度 理 论 ，换向阀使用过程中，安全系数取为 2 ，由此文中 所研究的阀芯强度满足要求。 A D I N A A D l N A ． r z 【一 卜‘’ ’ 出 口节 流 图5 阀芯等效应力云图 入口节流时，最大等效应力主要受流量的影响， 其值随流量增大而增大。出口节流时，流量越大最大 等效应力越大，开 口度越大最大等效应力越小。 9 8 翟 7 杂 6 5 鞍 4 3 2 嚼 1 0 入 口节 流2 0L ／ rai n 入 口节 流4 0 L ／ mi n _ ‘ _入 口节 流6 0L／ rai n 开口度／ mm a 入 口节流 出 口节流2 0 L ／ mi n 出 口节流4 0 L ／ mi n ． ． _ 出 口节流6 0 L ／ mi n 图 6 阀芯等效应力曲线 3结论 1 出口节流式滑阀的内部流场特性比入 口节 流式滑阀的优越。出口节流式滑阀能避免阀腔内部流 场产生漩涡，从而改善滑阀的工作性能。 2 由于阀腔的不对称性，径向液动力不能相 互平衡掉。在小开口度、大流量时，径向不平衡力可 能导致阀芯卡紧等不良结果。 3 阀芯的最大应力出现在台肩与阀杆结合处， 为避免在使用过程中阀芯被折断，在设计时应提高该 处的强度。 参考文献 【 1 】 冀宏， 傅新， 杨华勇． 非全周开 口滑阀稳态液动力研究 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 6 1 51 7 ． 【 2 】汤志勇， 曹秉刚． 液压控制阀稳态液动力补偿方法的探 讨 阀套运动法[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 5 2 9 1 9 5 ． 【 3 】段少帅， 姚平喜 ， 张恒． 滑阀稳态液动力产生原因与补偿 方法[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 1 0 ， 4 0 3 2 7 3 0 ． 【 4 】 高小瑞． 基于 F l u e n t 的液压滑阀内部流场的数值模拟 [ J ] ． 机械管理开发， 2 0 0 9， 4 2 5 4 9 5 0 ． 【 5 】赵蕾， 陈青 ， 权龙． 阀芯运动状态滑阀内部流场的可视化 分析[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 8 ， 3 9 1 1 1 4 21 4 5 ． 【 6 】 李建心， 刘效东． 液动力对换向阀作用的 A N S Y S 有限元 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0， 3 8 1 7 1 1 91 2 0 ． 对 对 对 冬 中国大幅削减采购 日本液压设备销售陷人低迷 冬 据 日经中文网消息，日本上市企业盈利下滑趋势愈发明显。2 0 1 2年第三季度合并经常利润时隔 3个季度将首次 出现同比下降。在全球经济减速的背景下，深受外需低迷影响的制造业利润下滑达到了2 位数， 拉低了整体水平。下 2 周将迎来财报发布高峰，利润预期恐怕还会进一步下调。 据报道 ， 对 1 1 月 2日之前发布财报的 3 月底决算企业进行的统计显示 ， 第三季度经常利润同比减少了8 ％。虽然 非制造业增长了7 ％， 但制造业大幅下滑了2 1 ％。从整体来看， 与增益 1 4 ％的第一季度、增益2 ％的第二季度相比减 ； 爱 速 势 头 明 显 。 襄 2 情况尤为糟糕的是电子和机械行业。电子企业利润减少了6 0 ％，相比减少2 0 ％的第二季度，盈利情况严重恶化。2 因数码家电萎靡不振 ，不只是夏普和松下遭遇大幅亏损，三菱电机的工厂 自动化 F A设备销售也疲软无力，第三 季度税前利润减少了一半。 S 受中国的设备投资减速影响，发那科的经常利润减少了2 成。川崎重工业副社长高尾光俊表示， 受 “ 中国的工程 ； 机械厂商调整库存，大幅削减采购”的影响，液压设备销售陷入低迷。 受制造业业绩恶化拖累，整个产业经常利润减少。但非制造业中很多企业实现了利润增长。 内容来源中国网 ’ 1 、 舍 ， ； 、 ， 仝 金 仝 ， ； 、 仝 ， 、 金 仝 舍 仝 金 金 ， 金 舍 金 仝 舍 ， 今2 ， 舍 仝 仝 仝 今 仝 舍 仝 全 金 舍 ／ 舍 ， ； 、 ．j 6 4 2 0 8 6 4 2 O B d 窆、 R盟 裁摊 堪 辫