基于CFD的液压滑阀阀芯表面热效应分析.pdf

2 0 1 3年 3月 第 4 1 卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Ma r ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 5 DOI 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 3 7 基于 C F D的液压滑阀阀芯表面热效应分析 晏静 江 ，周大海 西南交通大学机械 工程 学院 ，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要在中高压系统中，液压滑阀会出现表面磨损甚至阀芯阀套卡紧的现象，针对此问题，建立了液压滑阀的计算机 流体力学 C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s ，C F D三维模型和稳态传热有限元模型 F i n i t e E l e me n t A n al y s i s ，F E A ，利用流 固耦合 F l u i d - S o l i d I n t e r a c t i o n ， F S I 方法 ， 分析了黏性加热使油流温升显著导致阀芯受热膨胀的现象 ，得到阀芯在不同开 口度和不同工作压力下的速度和阀芯温度分布，同时得到阀芯在流场温度和压力共同作用下的应力应变分析，为液压滑阀 的设计提供了参考。 关键词滑阀；温度；压力；稳态；变形 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 5 1 4 5 5 Th e r ma l Efie c t An a l y s i s o f Co r e S u r f a c e o f Hy d r a u l i c S p o o l Va l v e Ba s e d o n CF D M e t h o d s Y A N J i n g j i a n g ，Z HO U D a h a i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i 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 ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e mi d d l e a n d h i 【g h p r e s s u r es y s t e m，t h e p h e n o me n o n o f s u r f a e e w e a r a n d e v e n b l o c k t i g h t o f v a l v e c o r e a n d c a v i t y w o u l d b e o c c u r r e d ．A i m i n g a t t h i s p r o b l e m，t h e t h r e e - d i me n s i o n al c o mp u t a t i o n al f l u i d d y n am i c s C F Dm o d e l s a n d s t e a d y - s t a t e fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s F E A t h e r ma l t r a n s f e r m o d e l s w e r e e s t a b l i s h e d ．B y u s i n g t h e fl u i d s o l i d i n t e r a c t i o n F S I m e t h o d ，t h e p h e n o me n o n o f v a l v e c o r e i n f l a t e d b y h e a t o b s e r v a b l y ， b e c a u s e o f v i s c o u s h e a t i n g ma d e t h e t e mp e r a t u r e e n h a n c e me n t o f o i l f l o w，w a s a n a - l y z e d ．T h e v e l o c i t y a n d t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e v Mv e c o r e i n t h e d i ff e r e n t o p e n i n g a n d d i f f e r e n t w o r k i n g p r e s s u r e wa s o b t a i n e d ． A t t h e s a me t i m e ，t h e s t r e s s a n d d i s t o r t i o n a n a l y s i s o f v a l v e c o r e w h i c h r e a c t e d j o i n fl y b y t e m p e r a t u r e o f f l o w fi e l d a n d p r e s s u r e w e r e f o u n d ． Re f e r e n c e s a r e p r o v i d e d o n t h e d e s i g n i n g o f h y d r a u l i c s p o o l v a l v e ． Ke y wo r d s S p o o l v alv e ； T e mp e r a t u r e ； P r e s s u r e； S t e a d y s t a t e ； D i s t o rti o n 在中高压系统使用过程中，经常会出现液压阀的 热卡紧现象，这是由于节流槽口附近油液流动的速度 很高，液压阀黏性加热现象显著 ，槽口来不及将热量 传递出去而造成局部温度升高。这种现象的产生会对 液压阀的工作性能产生很大影响轻度时会使液压元 件内的相对移动件如阀芯、叶片、柱塞、活塞等运动 时的摩擦阻力增加，造成动作迟缓 ；严重时会使液压 元件内的移动件卡住 ，造成不能动作 ，手柄的操作力 增大 ，如换向阀不能换向，柱塞泵柱塞不能运动而实 现吸油和压油等，同时还增加了阀件的磨损，降低使 用寿命，并且可能导致动作滞后失效等严重后果。因 此 ，对阀芯温度场的模拟和分析是十分重要的。作者 采用C F D流固耦合的方法，研究了不同开 口度和不 同工作压力对节流阀油流温升和应力应变的影响。 1 控制方程 虽然流体流动和传热的现象十分复杂 ，但都受最 基本的3个物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒 和能量守恒。在数值仿真计算中，湍流模型采用时均 形式 的微分 方程 ⋯。 质量守恒方程 塑 O p w ．0 a ￡ a y a z 其矢量形式为 d i v p 0 动量守恒方程 d i v J D u 6 d i v g r a d b s 式中 为通用变量，可以用来表示速度、压力等待 求变量。等号左边为对流项，右边第一项为扩散项 ， 是扩散系数 ， 为源项。 能量守恒方程 d iv p U T _ d iv 寺 其中C 。 是 比热容 ， 为温度 ， 为流体的传热系数 ， Js 为流体的黏性耗散项。 热流耦合分析选取了温度场的第三类边界条件和 热流耦合特有的边界条件。第一类边界条件为已知温 度均匀且保持常数，即T w常数 ；第三类边界条 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 6 作者简介晏静江 1 9 8 1 一 ，女，博士研究生，主要从事液压元件的 C F D仿真研究。Em a i l j i n g j i a n g _ y a n 1 6 3 ． c o rn。 1 4 6 机床与液压 第 4 1 卷 件为固体与流体因温度差而发生了对流换热，此时固 体表面的热流密度与温度差成正比，即 一 A 三 一 式中 n为换热表面的外法线 ； h为换热系数 ， w／ 1 T I o C ； 为边界面温度 ， o C； 为流体温度， c I 。 热流耦合特有的边界条件包括流体进出口压力、 流体温度和壁面边界。由于流体和固体遵循不同的控 制方程，所以固体和流体交换壁面上温度和热流密度 必须满足连续性边界条件 ，即 A 式 中 A f≠ A ， l ≠ 1。， 需 要 通 过 耦 合 迭 代 求 解 耦合 面的温度 和热流密度 。 初始条件 l 1 “ o 2 有限元模型 建立液压滑阀流体与阀芯的流固耦合三维模型如 图1 所示。并以此模型为算例计算了耦合系统的稳态 流动与传热。 图 1 液压滑阀流体与固体三维网格模型 算例中流体与固体的材料特性参数分别如表 1和 表 2 所 示E 3 ] 。 表 1 4 0 液压油 5 0℃时的计算参数 动力黏度 P a s 密度 p ／ k g m。 热导率 ／ W i n ～ K 质量定容热容 c ／ J k g ～ K 表2 普通钢材料属性 密度／ k s ／ m 热传导系数／ W m～ K 热导 W In 一 ℃ 热膨胀系数／ ℃ 弹性模量／ MP a 泊松比 在进行稳态计算 分析时，对流体做 了如下假 设 流体为不可压缩恒定流动的牛顿流体 ，在模 型中的流动状态主要为紊流，采用 k s紊流模型。 所计算的滑阀阀芯与流体的流固耦合模型包括了 流体与固体之间的耦合传热 ，同时也包括了固体的热 应变分析。 3仿真分析 将 流体 和固体 的材料特性和边界条件施加 到有 限 元模型上，计算收敛后分别得到流体的流场和温度 场，然后再将流场的温度耦合到固体上，得到固体温 度场，最后计算出固体的热应变。 图2为不同开 口度和不同压差下的液压流体速 度场分布示意图，流体流出阀口，流出的地方叫槽 口后方 ，流人阀口的地方 叫槽 口前方。从图中可以 看出高速射流区域面积随着开 口度 的增大而 增 大；高速射流区域的位置随着开口度的增大逐渐从 槽 口后方向槽 口前方移动。出现这种现象的原因是 因为 u型节流槽的阀口迁移现象引起的。u型节流 槽存在一个特殊的阀口开度 ，当阀口开度小于这个 特殊的开 口度时，最小过流面积是随着阀 口开度的 变化而变 化的 ；而 当阀 口开度 大于 这个 特殊 阀 口开 度时 ，阀口的最小过流面积为一个常数。同时，随 着开 口度的不断增大，液压油流出阀 口的射流角也 不断增大，不同的出射角 ，对射流后部流场的影响 也不同。当阀口开度由小变大时，进入 阀口后方区 域的液压油开始冲击到阀芯窄颈段的表面上，产生 了回流现象，随着阀口的开度进一步增大 ，液压油 冲击在阀芯窄颈段的表面上的液压油更多 ，回流区 也更大 。 图 2还给出了液压滑阀流体在压差分别 为 l 0 M P a ，1 5 MP a ，2 0 M P a 时的速度场分布 ，由图中可以 看到节流口附近的流体速度和流体高速区域随着压 差 的增大而增大 ，并且节流槽 口及下游区域的涡强度 随着压差的增大而增强，这也是产生温升现象的主要 原 因。 图 3 为 阀芯 温度 场分 布示 意 图 ，从 图 中可 以看 出，阀芯中间段及槽口附近是明显高温区，阀芯两端 是低温区，的右边的低温区明显比左边的低温区大， 这是 因为右边是油液上流 ，温度较低 ，而左边是油液 下流，油液经过槽 口，速度增大，黏性加热显著 ，产 生大量热量。热量一部分随着油液流向出口，一部分 则通过槽口表面传向阀芯。同时，在槽口内部存在一 个相对低温区 ，如图3所示 。 咖 ～ 一 一 一 2 8 8 机床与液压 第4 1 卷 4 轧辊设计 确定 了型材变形工艺图后 ，开始设计轧辊 。在设 计 轧辊 时需要考虑 以下 因素 断面高度 、轴直径 、材 料厚度 、转速比、轧辊直径增量等。以立辊 3 为例说 明设计过程，选择 自动建立轴线按钮 ，将前面建立的 轧机轴线数据加载。分别设置水平辊和立辊特征属 性 。提取需要配辊 的道次 ，进入 当前道 次交互 配辊。 在 配辊 中需要考虑 以下 因素 考 虑到金 属流动 特性 ， 设计 时 需要 留有 足 够 大 的 间 隙 ；立 辊 辊 缝 可 以较大，因为其承 载的变形量不是很大； 反 之 ，水 平 辊 不 能 留 太 大 间 隙 ，防 止 板 型 从 辊 缝 变形 ；且 立 辊 的高 度 要 比辊 花 高 一 图 1 1 立辊 3 配辊结果 定距离 。配辊结果如图 1 1 所示。 设计好机架道次轧辊后将其保存 ，转入下一道 次 。配置好所有轧辊后可 以查看应变 ，插 入轧辊查看 变形 图。如图 l 2所示 。 图 1 2 加入轧辊的应变图 5结束语 1 通过 C O P R A的计算方法和分析模型分析变 形工步及应变合理性 ，可以看出 改进后的设 计方案 P 形管最大变形为 0 ． 2 1 ％，远小于屈服极限值 ，且左 右两侧受力均匀 ，不容易产生大的扭曲变形。该方案 采用4平 5立 9道次成型，比第一方案少 2个道次， 节约了成本 ，所 以更为合 理。 2 利用 C O P R A软件辅助设 计完成 的变形工艺 是否合理直接影响着产品的尺寸精度和外观质量。采 用计算 机模拟技术可 以对模拟 中发现的不合理变形及 时给予修正，缩短了设计周期，提高了设计精度，减 轻工作量 ，而且有效地避免某些产品缺 陷的产生 ，达 到优化设计的 目的。这样在实际生产中 ，可 以减少实 验调试 的次数 ，节约生产成本 ，提高生产效率 ，为企 业带来更 多的经济效益 。 3 在轧 辊设计 方面 ，系统可建 立一 个 “ 机器 文件” ，其中包括机组机架数、速比及调节范围等参 数 ，并输出轧辊图纸，通过数控技术模块，可转换成 N C通用指令代码 。因而 ，计算 机辅助设 计技术 比传 统的设计手段有着无可 比拟的优越性 。 参考文献 【 1 】王春新， 刘继英． 冷弯成形过程仿真技术的发展[ J ] ． 北 方工业大学学报， 2 0 0 4 1 4 6 5 0 ． 【 2 】彭建华， 王晓军． 基于 C A D ／ C A M的计算机辅助工程分 析方法[ J ] 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