基于CFD的液压滑阀阀芯均压槽的研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 01 ． 2 0 1 3 基于 CF D的液压滑阀阀芯均压槽的研究 罗艳蕾， 吴健兴 ， 陈伦军， 路 芳 贵州大学 机械工程学院， 贵州 贵 阳5 5 0 0 2 5 摘要 该文 首先对液压滑 阀阀芯偏 心且倒锥 时受 到的卡紧力进行数学建模 ， 然后介 绍了 3种不 同形状的液压滑 阀阀芯均压槽 ， 并用 F l u e n t 软件对 阀套与阀芯之间的流场进行模拟仿真。最 终分析结 果表明 ， 在液压滑 阀阀芯上加开均压槽虽然会导致滑阀缝隙泄漏量 略 有增加 ， 但能有效减少 阀芯受到 的径 向不平衡力 ， 避免阀芯发生卡滞现象。 关键词 C F D； 均压槽 ； 卡 紧力 ； 模拟仿真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 1 0 0 1 3 0 3 Th e Re s e a r c h o f t he Pr e s s u r e e q u a l i z i n g Gr o o v e f o r Hy d r a u h c S l i d e Va l v e Ba s e d o n CF D L U O Y a n - l e i ， U J i a n - x i n g ， C HE N L u n - j n ， L U F a n g 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 ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , the ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e r a d i a 1 f o r c e t h a t t h e v a l v e c o r e o f t h e h y d r a u l i c s l i d e v a l v e s u ff e r e d w h e n i t i s e c c e n t r i c a n d p o u r t a p e r e d i s b u i l t fi r s tl y ，t h e n t h r e e k i n d s of d iffe r e n t s h a p e s of p r e s s u r e - e q u a l i z i n g g r o o v e s o f h y d r a u l i c s l i d e v a l v e c o r e a r e i n t r o d u c e d ， a n d t h e fl o w fi e l d b e t we e n t h e v alv e c o r e a n d t h e v alv e c o v e r i s s i mu l a t e d wi t h Hu e n t s o f twa r e T h e fi n a l a n a l y s i s r e s u l t s s h o w tha t ， o p e n i n g p r e s s u r e e q u ali z i n g g r o o v e s i n t h e h y d r a u l i c s l i d e v alv e c o r e w i l l l e a d t o s l i d e v a l v e a p e r t u r e S l e a k a g e a l i t t l e i n c r e a s e ， b u t i t c a n e ff e c t i v e l y r e d u c e t h e u n b alan c e d r a d i al f o r c e t h e v alv e c o r e s u ff e r e d ，a n d a v o i d t h e v alv e c o r e c l a mp i n g s t a g n a t i o n ． Ke y wo r d s CF D； p r e s s u r e e q u a l i z i n g g r o o v e ； r a d i a l f o r c e； s i mu l a t i o n 0 前言 目前 ，液压系统中滑 阀阀芯的卡紧现象不仅在换 向阀中存在 ， 在其他 的液压阀中也普遍存在 ， 其 中包括 液力卡紧和机械卡紧。液力卡紧在高压系统中最为突 出 ， 特别是 当滑阀的停 留时间较长时 ， 因为阀芯受到径 基 金项 目 贵州 省重大 专项字 2 0 0 9 6 0 0 3 ，贵 州省科 学基金 项 目 J字 【 2 0 1 0 1 2 0 1 7 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 6 作者简介 罗艳 蕾 1 9 6 7 一 ， 女 。 贵 州安顺人 ， 教授 ， 博 士 ， 研究方 向为 流体 传动与控制 。 向不平衡力作用和阀孔相接触后 。缝隙中存 留液体被 挤 出， 阀芯和阀孔间的摩擦系数增大 ， 从而使 阀芯重新 移动时所需 的力增大 了许多 。以致造成移动滑阀的推 力 如电磁铁推力等 不能克服卡紧阻力 ， 使滑 阀不能复 位 。如何减小液压滑 阀阀芯受到径向不平衡力而造成 的液力卡紧现象 ， 是本文研究的主要内容。 1 液压卡紧力的数学计算 设液压滑阀阀芯倒锥 ， 即阀芯大端为流体高压端 ， 阀芯小端为流体低压端 ，则液压滑阀阀芯卡紧力计算 简图， 如 图 1 所示 。 参考文 献 【 1 】 吴振顺 ． 气压传 动 与控制[ M】 ． 哈 尔滨 哈 尔滨 工业大 学 出版 社 。 1 9 9 8 ． [ 2 】 罗艳蕾， 李 渊， 李蒙， 白华． 基 于 A ME S i m 的两位 三通 阀动态 仿 真研究[ J ] ．科技广场， 2 0 1 0 ， 6 ． [ 3 】 赵飞． 基于 A ME S i m的气动系统建模与仿真技术研究[ D ] ． 秦 皇岛 燕山大学。 2 0 1 0 ． [ 4 ] 焦素娟， 盂 国香 ． 气 动换 向阀流量特性 实验研究 [ J ] ． 机床与 液 压， 2 0 0 6 ， 8 ． 【 5 】 K ． B ． F i t e j ． E ． M i t c h e l l a n d E ．J ． B a r t h ， P r o c e e d i n g s o f t h e AS ME F l u i d P o we r S y s t e ms a n d T e c h n o l o g y Di v i s i o n 【 D 】 ． A n a h e i m ， C A ， U．S ． 2 0 0 4 ． 6 3 6 9 ． [ 6 ] H U G u o l i a n g ， L O N G Mi n g ， G AO Z h i g a n g ． D y n a mi c C h a r a c t e ris t i c s An aly s i s a n d S i mu l a t i o n Ev alu a t i o n o f a P o r t a b l e F i r e Wa t e r Mo n i t o r wi t h Va l v e- c o n t r o l l e d C y l i n d e r S y s t e m[ J ] ． H y d mm e c h a t mn i e s E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 6 8 0 - 9 1 ． [ 7 】 陈乾斌， 史维祥， 李正泉． 关于求解气动阀有效截面积的问题 【 J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 ， 3 ． [ 8 ] 王虎， 余祖耀， 朱会学， 李宝仁． 阀控缸一体化元件的响应时间 分析【 J 】 ． 流体传动与控制， 2 0 0 5 ， 2 ． 1 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 01期 图 1 阀芯卡紧力计算简图 根据上图可得阀芯卡紧力 F为【 3 J 『 1 ] z l丽 1 式 中P 1 和p 阀芯两端压力 ， 且 P l ≥p ； △ 和 △， 阀芯大小两端与 阀套之 间的半 径 间隙 ， 且 △ ， △ ； 阀芯长度 d _阀芯直 径 e 阀芯偏心距 。 2 仿真模型与条件设定 2 ． 1 仿真模型 阀芯分别开 5条矩形均压槽 、三角形均压槽和螺 旋均压槽的模型结构， 如图 2所示。设阀套与阀芯之间 的半径差为 0 ． 0 2 ram，倒锥 ；均压槽宽为 0 ． 8 mm，深为 0 ． 8 mm； 阀芯长为 1 9 m m， 阀芯半径为 8 m m， 阀芯锥角为 0 ． 0 3 。 ， 阀芯偏心量为 0 ． 0 1 m m， 如图 3所示 。 图 2 阀芯 均压槽结构简 图 i i 堇 一 【 c 图 3 均压槽结构 及参数 2 ． 2流动状态与条件设定 本文对 液压滑 阀均压槽 的流 场进行 的是 静态 分 析 ， 采用 以下参数对模型进行仿真模拟 1 采用矿物油型液压油为流动介质进行计算 ， 其 密度为 p 9 2 0 k m 3 , 5 0 t 3 时运动粘度为 v 7 O m m2 ／ s 。 1 4 2 模型中液体 的雷诺数 R e V A 2 v ， 式 中 为流 体流动速度 ； △为环缝厚度 ，在数值上等于阀套与阀芯 的半径之差 ； 为流体的运动粘度 。 则 0 ． 1 4 3 V， 又当缝隙 很小时液流速度很小 ．所以其雷诺数远小于带均压槽 的偏心环缝临界雷诺数 R e ， 因而在 F l u e n t 中采用层流 模型进行模拟计算。 3 确定本模型的两个边界条件 ， 液流入 口压力为 2 O MP a ， 出口压力为 2 MP a 。 2 。 3控 制方程 液压滑 阀阀芯与阀套之间的流体为粘性不可压缩 流体 ， 流体在该缝 隙内的流动为层流流动 ， 所以在 C F D 计算时 ， 其数值模拟控制方程如下[5 ] 1 质量守恒方程 0 2 0 ／ O X o y a 0 式中p 流体 的密度 ； ， 和 分别为速度矢量 在坐标轴 ， Y和 Z - 方 向上 的分量。 2 动量守恒方程 JD 誓 3 咖 F y 4 d i 一 詈 5 式中p 将流体离散化后微元体上 的压力 ； ，丁 和 等 因分 子粘性作用而产生的作 用在微元体表面上的粘性应力 的分量 ； ， 和卜将流体离散化后微元体上的体力 。 3 仿真模型的 C F D分析 3 ． 1 径 向力 的分 析 根据以上设定 ， 在 阀芯未开均压槽 ， 开 5条大小相 等的矩形均压槽 、 三角形均压槽和螺旋均压槽时 。 对阀 套与阀芯之间的流场进行 C F D分析 ，可得 图 3 b中上 、 下对称面上的压力分布云图和二维压力曲线。 在阀芯倒锥 、无均压槽且偏心 0 ． O l mm 见图 3 c 时 ， 由图 4 、 图 5可知 壁面上 的压力沿 Z向分布不均 下对称面人 口处缝 隙较小 ， 压力下降较快 ， 随着缝隙逐 渐变大， 压力下降逐渐变慢， 其二维压力曲线呈先急速 后平缓下降的凹型 ； 上对称面处缝隙较下对称面大 ， 压 力下降相对较慢 ， 其二维压力曲线呈平缓下降的凹型 ； 由于上、下两对称面的壁面压力沿 Z向的变化率不一 样 ， 所 以上 、 下对称 面上存在着较大的压力差 ， 其 峰值 为3 ． 1 MP a ； 上、 下对称面的二维压力 曲线所包 围的面积 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． O 1 ． 2 0 1 3 反应 了阀芯受到不平衡径 向力的大小 。且指向阀芯偏 心距增大 的方 向， 不利于阀芯与阀套同轴 ， 此时阀芯会 出现卡滞现象 。 P r eS SUr e 一”1 ．9 E 0 7 } j 1． 5 Ⅲ E0 7 _ 图 4 上 、 下对称面上的 压力分布云 图 2 E 0 7 1 5 EO 7 、 l EO 7 5 E 卜 0 6 - 0O1 5一 OO1 一O ． 0 0 5 0 Z ／ m 图 5 上 、 下对称面上的 二 维压 力曲线 在 阀芯倒锥 、开 5条大小相等的矩形均压槽且偏 心 0 ． O l mm 如 图 2 、 图 3所示 时， 由图 6 、 图 7可知 在 z _ 一 1 9 一 1 6 mm处壁面上 、 下对称面上 的压力从 2 0 MP a 沿着 z轴方 向急速下降到 1 0 M P a ， 且此范围内上 、 下对 称 面上 的压 力差相 对较大 ， 其 峰值 为 0 ． 5 2 MP a ； 在 Z 一 l 6 _ o mm处壁面上 、 下对称面上 的压力下降相对较为 平缓 ， 且压力差很小 ， 可忽略不计 ； 此时上 、 下对称面的 二维压力 曲线所包围的面积也较 阀芯未开均压槽时大 为减小 ， 即阀芯受到的不平衡径向力大大减小 。 在 阀芯倒锥 、开 5条大小相等 的三角形均压槽且 偏心 0 ． 0 1 m m 如 图 2所示 时 ， 由图 8 、 图 9可知 壁面 上 、 下对称面上 的压力一直到第三条均压槽 z - 一 1 0 ra m 处 才相等 ， 其压力差 峰值 为 0 ． 5 9 MP a ； 此时上 、 下对称 面的二维压力 曲线所包 围的面积较 阀芯开 5条大小相 等的矩形均压槽时略大 ，即阀芯开三角形均压槽受到 的不平衡径 向力 比阀芯开矩形均压槽时大 。 DreSS U re 图 6 上 、 下对称面上的 压力分布云图 p r e ss u r e 一”1 ,9 ⅢE 0 ； 一 H 1． 5E0 7 H t． 3E4 - 0 7 圈 ； 图 8上 、 下对称面上的 压 力分 布云图 2 E_ 7 1 5 E 0 7 1 E O 7 5 E O 6 - 0．01 5一O O1 0 ． 0 0 5 0 Z ／ m 图 7上 、 下对称面上的 二维压 力曲线 2 B 卜 o 7 1 5 E O 7 、过1 E十 O 7 5 E_卜 o 6 -0 01 5- 0 0 l O ． 0 0 5 0 Z ／ m 图 9 上 、 下对称面上的 二维压力 曲线 在阀芯倒锥 、 开 1 条齿宽为 0 ． 8 mm、 齿深为 0 ． 8 m m、 螺距为 2 ． 8 m m 的螺旋均压槽且偏心 0 ． 0 1 mm 图 2 、 图 3所示 时 ， 由图 l 0 、 图 1 1 可知 壁面上、 下对称面上 的 压力 差在平衡位置 压力差 为 0 上下波动 ， 其 峰值为 0 ． 6 0 MP a ； 此时整个 阀芯壁 面上 、 下对称 面上的压力差 很小 即阀芯受 到的不平衡径向力很小 ， 可忽略不计 ， 因而阀芯不会发生卡滞现象 。 图 1 0上、 下对称面上 的 压力分布云图 2 E 0 7 1 5 E 0 7 1 E 0 7 5 E0 6 _o ． 0 1 5一OO 1一 O0 0 5 0 Z ／ m 图 1 1 上 、 下对称面上的 二维压力 曲线 3 ． 2缝隙泄漏量的分析 为保证系统 的正常工作 ， 并且节能高效 ， 从而要求 液压滑阀的缝 隙泄漏量不超过其额定流量的 0 ． 1 ％。已 知该滑 阀的额定流量为 4 0 0 L ／ m i n ，即要求其缝 隙泄漏 量不超 过 4 0 0 m L ／ m i n 。根据给定边界 条件 入 口压力 2 0 MP a ， 出 口压力 2 MP a ， 可仿真得 到阀芯开不 同均压 槽时的缝 隙泄漏量 ， 如表 1 所示。由表 1 可知 ， 阀芯开 均压槽后缝 隙泄漏量略有增加 。但均小于额定流量 的 0 ． 1 ％。 满足要求 。 表 1 不 同均压槽的缝隙泄漏量 4总结 本文通过采用 F l u e n t 软件对液压滑阀阀芯均压槽 进行研究 ， 可得 出以下结论 1 在液压滑阀阀芯上加开均压槽后 ， 能有效减少 阀芯受到 的径向不平衡力 ， 避免阀芯发生卡滞现象 ； 在 同等条件下 ，阀芯加开螺旋均压槽后对减小其受到的 径向不平衡力的效果最为明显 ， 但其缝 隙泄漏量较大 ， 其次是矩形均压槽和三角形均压槽。 2 F l u e n t 数值模拟仿真为液压滑阀阀芯均压槽的 进一步研究提供 了理论依据 且 C F D方法能够将元件 可能发生故障的隐患消除在 图纸设计阶段 ，是未来液 压元件研究必不可少 的工具和手段。 参考文 献 【 1 】 陈奎生， 周雯娟 ， 郭嫒 ， 付 曙光， 张宏伟 ， 蒋俊 ． 基于 F l u e n t 的液 压滑阀阀芯卡紧力研究f J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 5 1 1 3 1 1 6 ． [ 2 】 薛红军， 许 晓东， 危 敏， 杨曙东， 赵 博． 大通径滑 阀缝 隙流场分 析 及试验研究[ J ] ． 船舶工程， 2 0 1 1 ， 3 3 3 5 3 5 7 ． [ 3 】 刘 李平． 阀芯 阀套间缝 隙 内部 流场 的 C F D计算[ D 】 ． 太原 太 原 理工 大学，2 0 0 7 ． 【 4 】 孙青林． 多路换 向阀阀芯卡死及外泄漏 的机理分析f J 1 ．农机化 研究， 1 9 8 9 ， 1 ． [ 5 】 王福军． 流体动力学分析[ M】 ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ q鄢勇．液压缸间隙密封流场仿真分析 武汉 武汉科技大学2 O l 1 ． 15 “ 黧 ●H圈