基于CFD的液压锥阀动态和静态性能研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i e s S e a l s ／ N o ．6 ． 2 O 1 1 基于 C F D的液压锥 阀动态和静态性能研究 李惟祥 刘 晓红 邓 斌 西 南交通 大 学新 型驱 动技术 中心 ， 四川成 都6 1 0 0 3 1 摘要 对液压锥 阀的内部流场采用 C F D 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 方法进行数值模拟 ， 通过移 动网格 技术 ， 研 究锥 角大小和 阀芯圆周直径以及 同一调定压力下不同额定流量对锥 阀芯静态和动态性能的影响 ，其次计算 了阀 口倒角对锥阀性能 的影响。结果表 明 阀芯圆周直径 B值对锥阀动、 静态特性有较大影响 ， 当 B 1 5 m m 时 ， 锥 阀的动 、 静态性能都较好 ， 且 对于同一 种阀芯结构 ， 随着额定 流量的增加 ， 锥阀的静态调压偏差增大 ， 即开启 比降低 ， 而合适 的阀 口倒角长度可 以有效提高锥阀的开启 比 5 ％左右。 关键词 液压锥阀 ； 静态性能 ； 动态特性 ； C F D； 移动 网格 中图分类号 T H 1 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 1 0 6 0 0 2 5 0 4 R e s e a r c h on Hy d r a u l i c P o p pe t Va l v e’ S S t a t i c a n d Tr a n s i e n t Pr o p e r t i e s Ba s e d o n CF D Xi o o h on g DENG Bi n J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a d o p t s t h e me t h o d o f C o mp u t a t i o n a l H u i d Dy n a mi c s a n d mo v i n g g ri d t o s i mu l a t e t h e fl o w fi e l d i n h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e ， F i r s t ， w e r e s e a r c h e d t h e e ff e c t s o f c o n e ， c i r c u mf e r e n c e d i a me t e r a n d a l s o t h e d i ff e r e n t r a t e d fl o w o n t h e p o p p e t v a l v e’ S S t a t i c a n d T r a n s i e n t p r o p e r t i e s ， An t h e n ， we c a l c u l a t e d t h e i n fl u e n c e o f c h a mfe r l e n g t h o n p o p p e t v alv e ’ S p r o p e rti e s ． T h e r e s u l t s h o w s Th e v a l u e o f c i r c u mf e r e n c e d i a me t e r h a s g r e a t i n fl u e n c e o n p o p p e t v a l v e ’ S T r a n s i e n t a n d S t a t i c p r o p e rt i e s ， wh e n c i r c u mf e r e n c e d i a me t e r i s 1 5 mm，b o t h t h e S t a t i c a n d T r a n s i e n t p r o p e r t i e s a r e b e t t e r ， Wh a t ’ S mo r e ， F o r t h e i d e n t i c a l p o p p e t v a l v e s t r u c t u r e ， t h e mo r e r a t e d flo w i s ， t he mo r e i n f e r i o r t he St a t i c pr o pe r t y i s ， h o we v e r ， a s u i t a b l e c ha mf er l e ng t h c a n i n c r e a s e t he u nl o c k r a t i o b y a b ou t 5％． Ke y W or ds h y d r a ul i c p o pp e t v a l v e； s t a t i c p r o p e rty； t r an s i e n t p r o pe r t y； CFD； mo v i ng g r i d O 引言 作 为液压传动与控制 中十分重要 的基础元件 ， 液 压锥阀具有密封性好 ，抗污染能力强 。构造简单等特 点 ， 从 而广 泛应 用 于液 压 系统 中。但 是 ， 由于锥 阀 内部 流道复 杂 ，流 体在 阀腔 内部 的 流动 情况 对 液压 锥 阀 的 动态和静态特性都有较直接的影响 ， 因此 ， 采用数值模 拟 的方 法 来 获 取 阀腔 内部 的 三 维 速 度 场 和 压 力 场 分 布 ．对 于 液压 锥 阀 内部流 道 的优 化 以及 性 能 的研 究 都 有 十分重 要 的实际 意义 。 近 年来 ，一 些 学者 采 用可 视 化技 术 对锥 阀的性 能 进行 了研 究 和分析 。K a t o等利 用 有 限差 分法 对 锥 阀 的 节流系数进行了 2 D模 型分析【 ” ， 并与试验结果进行 了 比较 ； 西南 交 通 大 学 的李 辉 、 刘 晓红 使 用 S T AR C D对 液压锥 阀 内流场 进行研 究阁 。 收稿 日期 2 0 1 0 一 l l 一 0 l 作者简 介 李惟祥 1 9 8 7 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 西南交通 大学驱 动技 术与智 能系统专业 ， 研究方向为液压元件 的 C F D数值模拟 。 本文根据参考文献 圆 中的锥 阀结构进行建模与 C F D计算 ，从而研究 阀芯结构尺寸对锥阀动态性能和 静态性能的影 响，并分析计算大额定流量下阀口倒角 以及倒角长度对液压锥阀静态性能的影响。 1 液压锥 阀的结构 计 算 采 用 的锥 阀结 构 如 图 1所 示 ， 由 阀 芯 和 阀座 图 1 锥 阀基本结构 25 { 8 w h 莠 耽 e ，C L o n h C e T e ． n D w e N 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 1年 第 6期 组成 ， 其 中 为锥角 ， 为阀芯圆周 直径 ， 由文献翻 可 知 ，对锥阀受力以及过流量影响最大的是参数 4和 B 的 值 ， 因此 ， 本 文 主要 研究 参数 A 和 曰对 锥 阀动 、 静 态 性 能的影 响 ， 选定 锥 角 的变化 范 围 6 0 。 ～ 1 2 0 。 ， 阀芯 圆周 直径 的变 化 范 围为 1 5 ～ 1 8 m m。而 选定 参数 C， D， E， F ， C为固定值 ， 其值如表 1 所示[ 2 1 。 表 1 锥阀结构尺寸 2 液压锥 阀的 C F D模 型 2 ． 1流 场网格 划分 由于计算过程中使用动网格 ，故采用前处理软件 I C E M C F D和 P R O S T A R将 锥 阀的 内流场 划分 为六 面 体网格， 如图 2所示 。 图 2锥 阀流 场 网格 2 ． 2 计算参数及边界条件 在数值模拟过程中，设流体为不可压缩的牛顿型 流体 物理参数如表 2所示 。湍流模型采用 ， c s紊流 模型。设锥阀的调定溢流压力为 5 MP a ， 为了研究其动 态 特性 及开启 特性 ， 入 口压 力选 为调 定压 力 的 9 5 ％， 即 4 ． 7 5 MP a ， 人 13的湍流特征长度取为人 1 3 直径 1 4 ra m 的 十分之一f 3 1 。 表 2流 动 介 质 参 数 物理特性 数值 87 0 0 ． 0 2 6 1 4 ． 7 5 0 密度 p ／ k g ／ 动力黏度 ／ P a s 入口压力p J M P a 出 口压 力 a 2 ． 3求解 方法 首先计算小阀口开度下锥阀人 口压力 4 ． 7 5 MP a 时 的稳态阀腔流场， 获得了稳态流场的计算结果之后 ， 入 口输入压力阶跃信号 如图 3所示 ， 该 阶跃信号使入 口压 力跳 变 至 5 MP a ， 根 据 阀芯 的 受力 平 衡 方 程 ， 并 利 用 移动 网格 技术 ， 计算 阀芯 的动态响应 。 图 3入 13压 力 阶 跃信 号 通过瞬态计算 ，可得到阀芯的动态响应和最终稳 态位置及其流量。由于锥阀的静态调压偏差可以拟合 为一条直线I4 ] ， 根据线性插值 ， 可计算出锥 阀的静态调 压偏差即开启比 ， 此值可作为液压锥 阀的静态性能评 价参数 。 一 且 1 q 5 - q 4 ．7 5 上式 中 q 为初始状态人 口压力为 4 ． 7 5 MP a时的 流量 ， q 为稳态时人 口压力为调定压力 5 ． 0 MP a时的流 量 ， 即额 定流 量 。 3 流场仿 真结果及其分析 3 ． 1 锥角 A 和 阀芯 圆周直径 B对锥 阀性 能的影 响 依次取锥角 ／ 4为 6 0 o ， 7 5 。 ， 9 0 。 和 1 2 0 。 ， 与阀芯圆周 直径 为 1 5 ram， 1 6 mm， l 7 m m和 1 8 mm的情况进行组 合 ， 计算不同结构参数下的液压锥阀瞬态流场 ， 得到阀 芯在不 同结构 尺寸 下的动态 响应 如图 4 ～ 图 7所示 。 图 4 锥角 A 6 0 。 的阀芯动态响应 图 5 锥角 A 7 5 。 的阀芯动态响应 ； 3 ． 2 不 同额定 流量对 锥 阀性 能的影 响 流过锥 阀的流量 可 由下述 公式计 算 r r一 Q 、 ／ 2 V P 式 中 一流量 ； C 厂 一 流量 系数 ； A 阀 口过 流面 积 。 可见 ， 在不改变进出口压差 △ p 的条件下 ， 可以通过 改 变 阀 口开度 来调 节额 定流量 。 因此 ， 选定 锥角 A 6 0 o ． 阀芯圆周直径 B 1 5 m m， 分别计算该阀芯结构在初始入 口压 力 为 4 ． 7 5 MP a的 情 况 下 ， 阀 口 开 度 依 次 为 h 0 ． 1 ， 0 _ 3 ， 0 ． 6以及 l mm 时 阀腔 内流场 ， 从 而 绘 制 出在 不 同额 定流 量下 的锥 阀静态 特性 曲线 如 图 9所示 。 0 00 o 5 001 0 001 5 0[ 2 0 002 5 时间 ／ s 图 6 锥角 A 9 0 o 的阀芯动态 响应 图 7锥 角 A1 2 O 。 的 嘲 芯 动 态 响 应 由图 4 一 图 7可知 ， 对任意的锥角 A值 ， 阀芯 的动 态特性均随锥 阀芯参数 的增大而降低 ，当 B 1 8 mm 时， 阀芯 的振 动情 况 最 为严 重 ， 锥 阀需 要 较 长 时 间 的振 动才能回到平衡位置 ， 其动态性能最差 ； 而 当 B 1 5 mm 或 1 6 m m 时 ． 阀芯 的 动态 响应 较 快 ． 能 在 极 短 时 间 内 回 到平衡 位 置 ，动态 性 能 较好 。 阀芯 圆周 直 径 B 1 8 m m 时 ， 锥角 A 对 阀芯 的动态 性能 有 一定 影 响 ， 而 在 取 其 他值时 ， 锥角 A对阀芯的动态响应影响不大。 根据式 1 计算不同结构参数 A和 B下 ， 锥阀的静 态 特性 ． 即开启 比曲线如 图 8所示 。 。 垂 基0 图 8液 压 锥 阀的 静 态 特 性 曲 线 由图 8可知 ，锥角A 的 大小 对 于锥 阀 的静 态性 能 有 一定 影 响 ， 在 同样 的 参 数 B值 下 ， 锥 角 A 9 0 。 时 ， 阀 芯 的 开启 比较 低 ， 最 低 达 到 8 7 ％， 而 在 A 9 0 。 的两 侧 ， 开 启 比均有 一定 回升 ， 在 锥 角 A 6 0 。 时 ， 锥 阀开启 比最 高 ，达到 9 2 ％； B值对阀芯静态性能的影响十分明显 ， 即随着 B值的增大 。 阀芯的静态性能逐步下降。 O 0 0 0 o 0 O 0 额定流 最 L ／ min 图 9 I司一 结 构 ． 不 同 额 定 流 量 F的静 态 特 性 曲线 由图 9可知 ， 对于同一结构尺寸的液压锥阀 ， 在调 定压力一定的情况下 ，即使可以在小额定流量下保持 很好的静态特性 ， 但随着额定流量的增加 ， 其静态性能 稳步下降 ，开启 比可从小流量时的 9 2 ％降至大流量时 的 7 1 ％左 右 。 3 ． 3 阀口倒 角及倒 角长 度对 锥 阀性 能 的影响 通过 3 ． 2的研究发现 ， 随着额定流量 的增大 。 在 同 一 调定压力下 ， 锥阀的静态性能下降， 因此 ， 在结构上 对阀 口进行倒角以研究其对锥阀性能的影响 ，寻找合 适的倒 角长度 以提高大额定流量下的锥阀静态性能 。 计算 的基本结构尺寸仍选为 A 6 0 。 ， B 1 5 m m。锥 阀阀 口的倒角结构及倒角长度所代表的距离如图 1 O所示。 图 1 O锥阀阀 口的倒 角结构 27 液 压 气 动 与密 封 ／ 2 0 1 1年 第 6期 根据 图 1 O所示 的阀 口倒 角结 构 ， 分别 计 算不 同额 定 流量下 。不 同倒 角长 度 的锥 阀动 态 响应 以及静 态特 性 ， 其 静态特性 曲线 如图 l 1 所 示 。分析该 曲线 可知 ， 在 任何额定流量下，阀 口倒角均对锥阀的开启 比有一定 影 响 ； 然 而 ， 在小 额 定 流量 下 ， 阀 E l 倒 角对 锥 阀静 态 性 能影响不大 在阀口倒角长度小于 0 ． 5 ra m的范围内， 阀 口倒角 可略微 提 升开启 比 ． 倒 角长 度大 于 0 ． 5 mm 以后 ， 开启比下降 ． 倒角使得 阀芯静态性能下降 ； 对于中等和 大额定 流量 情况 下 ，阀 口倒 角长度 对 锥 阀的静 态性 能 有较 明显 影 响 随着倒 角 长度 的增 大 ， 锥 阀开启 比先 随 倒角长度增大而下降 ， 达到某一倒角长度后 ， 开启 比跳 变到最大峰值 此峰值相对于未倒角的锥 阀结构 ， 开启 比可提高 5 ％左右 ， 经过该峰值后 ， 开启 比随倒角长度 增加而迅速下降 且随着额定流量的增加 ， 达到峰值开 启 比所 对应 的最 佳 倒 角 长 度 逐 渐增 大 额 定 流 量 为 3 0 ． 3 L ／ m i n的锥 阀 ， 在 阀 口倒 角长 度 为 0 ． 6 mm 时 ， 开 启 比达到 9 2 ％， 比未倒 角时 的 8 6 ． 3 ％提 高 了 5 ． 7 ％ 而额 定 流量为 7 3 ．0 L ／ mi n的锥 阀 ，在倒 角长度 为 1 ． 0 mm时 ， 开 启比为 7 6 ％， 比未倒角时的 7 0 ． 9 ％提高了5 ． 1 ％。 0 I 2 3 4 阀口倒角 跃度 ／ mm 图1 1 不 同倒角长度下的静态特性曲线 上接 第 l 9页 一 是要事先做好可行性研究 ， 包括 了解东盟经济 政策和产业规划 ， 掌握其市场经销的特点 ， 调查合作伙 伴资信， 等等， 这可避免 日后的走弯路。 二是 要有 长期 开 发东 盟市 场 的规划 ，这就需 要 液 压气 动 密封 件 行 业 的企 业 注 重产 品 和 服务 的质 量 ， 注 重产品和服务的宣传 ， 打造好品牌 。 三 是要 了解 三个 市 场开 放 的时 间表 ． 即 中 国与东 盟相互 开 放市 场 的时 间表 ，东 盟 内部 相 互开 放市 场 的 时间表 ， 东盟与其他建 自贸区国家 如韩 、 澳 、 日等 相 互开放市场的时间表 ， 了解时间表有利于抢抓商机。 四是要人乡随俗。在走进东盟后 。 要遵守东盟国家 的法律法 规 ， 尊重 其 风土人 情 ， 争 取我 国驻 东盟 国 家大 4结论 1 锥角A的大小对阀芯动态性能影响不大 ， 对静 态性能有一定影响 ，阀芯阀芯 圆周直径 的大小对锥 阀动态和静态性能有较大影响 ，随着 值增大 ，锥阀 动、 静态性能均下降。参数A 6 0 。 ， B 1 5 m m时 ， 锥 阀的 动态和静态性能都达到最优化。 2 对于调定压力相同的同一锥阀结构 ， 随着额定 流量的增大 ， 其静态性能下降。 3 对于额定流量较大的锥阀， 可以通过合适的阀 口倒角提高开启比 5 ％左右 ； 为提高锥 阀开启 比而设置 的倒角 ，其最佳倒角长度应随着额定流量的升高而增 大。 参 考 文献 【 l 】 K a t o T , K a w a m o t o S ， M o o r i A ， e t a1． D i s c h a r g e c o e ff i c i e n t o f a P o p p e t Va l v e f N u me r i c al An a l y s i s o f a Di v e r g e n t F l o w [ J 1 ．J S M E I n t e r n a t i o n al J o u rnal i n J a p a n e s e ， 1 9 8 2 ， 4 2 7 8 5 8 1 - 5 8 4 ． 【 2 ] 李辉 ， 柯坚 ， 刘晓红． 基 于 C F D的液压锥阀结构特性分析【 J ] ． 流体机械 ． 2 0 0 9 9 ． 【 3 ] U s e r g u i d e o f C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s S o f t w a r e S t a r - c d V E R S I O N 3 ． 1 5 A [ M] ． 西迪阿特公司， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 张利平 ． 液压 阀 原理 、 使 用与 维护 【 M】 ． 北 京 化 学工 业 出版 社． 2 0 0 8 ． 【 5 】 王 国志 ， 等． 水压滑 阀流 动特性可视化 分析【 J 】 ． 机床 与液 压 ， 2 0 0 3 1 ． [ 6 】 杨国来 ， 等． 锥直形喷嘴结构参数对射 流流场影响的数值模 拟[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 9 1 1 ． [ 7 】 刘晓红 ， 柯坚． 基于计算流体动力学解析 的液压 锥阀噪声评 价【 J J ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7 2 2 ． - 一 十一 十一 -一 一 一 - - 使馆的支持。中国一 东盟商务理事会 正在举行“ 中国企 业走进东盟” 评选活动 ， 以使广大中国企业分享 已进入 东盟的成功经验，促进 中国企业提高在东盟的投资效 益 、 贸 易效益 、 服务效益 。 在 2 0 1 0年 l 0月 召开 的第 十三 次 中 国与 东盟 领导 人会 议 上 ， 温 家宝 总理 指 出 “ 中 国一 东盟 自贸区 的全面 建成使双方资金 、 资源、 技术和人才等生产要素的流动 效率显著提高 ，为扩大贸易和投资合作提供了前所未 有的良好环境。” 有理由相信 ， 在 中国一 东盟 自贸区中， 中国液压气动密封件行业的企业将获得新的更大的发 展 。