某系统液压集成块流道液流特性分析.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T00L＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0l O Vo l | 3 8 No ．1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 4 3 某系统液 压集成块流道液流特性分析 杜经民，蔡保全 ，李宝仁 华中科技 大学 F E S T O气动技术中心 ，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要针对液压集成块内部复杂流道对液流特性的影响，利用计算流体动力学 C F D 方法对系统实际工况下液压集 成块内复杂流道进行建模和仿真，分析影响液压集成块压力损失的主要因素及液压集成块内部流道结构与液流流动特性的 关系。通过与实验数据的对比，验证仿真模型的可行性 ，为系统性能提高和集成块的优化设计提供了依据。 关键词液压集成块；流道；液流特性 中图分类号T G 1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 31 4 3 4 An a l y s i s f o r Fl o wi ng Ch a r a c t e r i s t i c s o f Fl u i d I n s i de Hy dr a ul i c M a n i f o l d Bl o c k Cha n n e l s o f a Ce r t a i n S y s t e m DU J i n g mi n．C AI B a o q u a n．L I Ba o r e n F E S T O P n e u m a t i c C e n t e r ，H u a z h o n g 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 g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a Abs t r ac tI n v i e w o f t h e e f f e c t s o f t h e c o mp l e x c h a n ne l s o n fl o wi n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t flu i d i n s i d e h y d r a ul i c ma n i f o l d bl o c k．t h e c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s C F Dm e t h o d w a s a p p l i e d t o s i m u l a t e r e a l w o r k i n g c o n d i t i o n s o f t h e c o m p l e x c h a n n e l s i n s i d e h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k o f a c e r t a i n s y s t e m．T h e ma i n f a c t o r s r e l a t e d t o t h e l o s s o f p r e s s u r e i n s i d e h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n t e r n a l s t r u c t u r e o f h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k a n d t h e f l o wi n g c h a r a c t e ri s t i c s o f fl u i d w e r e a n aly z e d ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s w e r e c o mp a r e d wi t h t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s t o v e ri f y t h e f e a s i b i l i t y o f s i mu l a t i o n mo d e l i n g． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r f u t u r e i mp r o v e me n t o f s y s t e m p e r f o r ma n c e a n d o p t i mi z a t i o n o f h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k d e s i g n i n g ． Ke y wor ds Hy d r a ul i c man i f o l d b l o c k； Cha n n e l ； Fl o wi n g c hara c t e ris t i c s 随着工业技术的全面进步，提高液压系统的能量 利用率和研究节能技术，成为液压技术发展的方向之 一 。液压系统的能量利用率较低 ，无功损耗比较大， 其中由于结构设计不合理造成的能量损失仍占有较大 的比重 。 液压集成块是通过钻 、扩 、铰 、镗 、攻等加工方 法在块体内部预制复杂的流道 ，流道与液压阀件组成 液压系统功能回路 ，从而减少了管路 、体积、泄漏和 降低能量损失。如果液压集成块内部流道结构设计 、 布置不合 理虽可 以完成 系统 的功能要求但 能量损耗 较 大，降低了能量利用率。液阻是评价液压集成块性能 的关键指 标。 为提高装备 整体性 能 ，合 理科学 分配系统中的动 力源 ，作 者主要 分析在 实际工 况下 ，液压集成块 内部 流道产生压力损失的主要原因，从而为液压集成块的 优化设计，各环节所需能量的合理分配和装备整体性 能的提高提供依据。 1 模型的建立 由于液压集成块 内部流道液流特性复杂 ，很难用 实验 的 方 法 测 得 ，所 以作 者 采 用 计 算 流 体 动 力 学 C o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c ，C F D方法来仿真分析 液压集成块内部流体的液流特征，将结果以直观的图 形显示出来，便于分析液压集成块内部产生压力损失 的主要 原因。 1 ． 1数 学模 型 假设流体在液压集成块流道内部流动为不可压缩 P为常数 的定 常流 动 ，在三 维直 角坐标 系下建 立 数学模型。流体在液压集成块流道内部的流动一般为 紊流流动，流体微团做不规则的运动，加上液压集成 块流道的结构复杂 ，使得它们之 间产生激烈的相互作 用 ，造成能量的大量损失 。为此专 门建立数学模型研 究管道内部的紊流流动，但由于紊流的复杂性，人们 对紊流流动 的机理有待深入研究 。 对于紊流流动 ，方程组一般不存在解析解 ，根据 实验和物理性的研究 ，对方程组进行模型化，从而使 方程组封闭求出数值解。在实际工程计算中，发展了 各种紊流模型来模拟平均 流特性 中的紊 流效果 。作者 采用基于 B o u s s i n e s q 假设 的低 雷诺数流 动 的 R N G k - e 紊流模型 。在 R N G模 型 的方程 中加 了一个 条件 ，考 虑 了湍流漩 涡 ，为 湍流 P r a n d t l 数 提供 了一 个解 析公 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介杜经民 1 9 6 9 一 ，男，副教授 ，硕士研究生导师。主要研究方向为电 一气／ 液伺服控制，机电、液、气一体化 技术 和工业控制检测技术等方面。电话 1 5 0 7 1 4 1 7 7 6 9，Em a i l h u s t d j m1 6 3 ． c o n。 1 4 4 机床与液压 第 3 8卷 式，有效地提高了计算精度。 连续性方程为 杀 p “ p ， 丧 p u 0 1 式中 P为流体密度，u 、u 、u ； 为 、Y 、z 方 向的 瞬时速度 。 对于不可压缩的紊流流动，单位质量流体微团的 方 向的动量守恒 N a v i e r S t o k e s 方程 为 u W 韭 一 鲤 V u 2 十 U 十 十 一 一 十 v 二 ， I ￡ d a y a z P O x 式中 u 、 、W为 、Y 、Z 方 向 的瞬时 速度 ， P为 瞬 时压力 。 Y和 Z 方 向的 N S方程与式 2 的形式相 同。 k 方程为 啬 击 p 毒 雒 差 G G 一 p s y S 3 s方程为 鲁 cp ， 去 cp 毒 dx 罄 c } G c ⋯ G 一 C 2 }一 R S 4 低雷诺数下有效速度 限制方程为 d 等 7 2 焘 5 C 一 1 0 0 式中 表示 时均 速度 ， 表 示 流体 的 动力 黏性 系 数， 表示紊流黏性系数，i 和 的取值范围为 1 ， 2 ，3 ，G 是平均速度梯度引起的紊流动能的产生 项，G 是 由于浮力影响引起的紊流动能 的产生项， 表示可压紊流动能扩张的贡献，C C C ， 为 经验常数 ，．s 、Js 为 自定义源项， 和 分别是与 紊流动能和耗散率对应的 P r a n d t l 数，在 F l u e n t 程序 中推荐 C 。 1 ． 4 2 ，C 2 1 ． 6 8 ，C 0 ． 0 8 4 5 ， 1 ． 4 ， 1 ． 3 。由于液流为不可压缩流体，在紊流模 型中 G C ， R 0 。 1 ． 2物 理模 型 作者选用由液压集成块内部 3段流道与两个板式 液压阀、一个叠加阀组成的液压功能回路为研究对象 图 1 ，用圆弧转弯的管路代替液压阀件的流道 如 图 1中的 1 和2处 ，把液压集成块内部的流道连接 起来 ，便于从整体上分析液压集成块内部流道的液流 特性。将整体的流道模型进行分块，采用结构化网格 和非结构化网格的混合形式，并在流道转弯处进行局 部加密处理 如图 2中 1 和 2 处 。 图 1 液压集成块流 道三维模型 图 2 液压集成块网 格加密结构 假设液流的流动为不可压缩的黏性流动，密度 P 9 0 0 k g ／ m ，黏度 0 ． 0 4 P a S 。根据 系统 的实际 工况设定边界条件 ，采用速度入 口和压力 出口，并假 定入 口处液流为充分发展 的稳定流动 ，流道 的壁面为 无滑 移 、无 泄 漏 的刚性 壁 面 ，设 定 各参 数 为 3 ． 2 m／s ，P3 MPa， T3 2 0 K。 根据上述建立的数学和物理模型，结合设定的边 界条件，参数的离散均采用二阶精度的迎风格式，应 用压力的耦合方程的半隐式方法 S I M P L E 求解方 程组 。 2仿真分析 对建立的模型进行求解计算，将计算结果以压力 云图、速度云图和速度的迹线图等图形的方式表示， 直观地将液压集成块流道内部的液流特性展示出来。 2 ． 1 集成块流道的流场分析 从 图 3所示 的压力云 图分析得 出 ，集成块 内部流 道 的沿程压力损 失较小 ，压力损失的主要部位在短直 管的直角转弯处 ，将液压集成块内部流道连接起来的 两段圆弧转角管路产生的压力损失很小。 雾 图 3 液压集成块 流遭压力 云图 如图4所示，当稳定流动的流体进入集成块流道 后，在直角转弯的上游开始转向，经直角转弯后流柬 截面收缩，液流出现分离脱流现象，分别在刀尖角和 流道壁内侧产生漩涡，由于入口处流动稳定和两端流 道直径相差不大，产生漩涡尺寸较小，内部流线比较 第 1 3期 杜经民 等某系统液压集成块流道液流特性分析 1 4 5 稀疏 ，漩涡 的强度 较 弱。液 流转 向后 流经 较长 的 一 段直管 ，开 始 扩散 和 附壁 。在 A处 液 流 连 续 转 向 ， 流经两个 直角转 弯 ，并且 流道 直径减小 ，造成 液流速 度剧烈变化 ，速 度流线 加密 ，出现分 离和脱 流 ，在 刀 尖角 和 工艺 孔 容 腔 处 产生 漩 涡 ，刀 尖 角 处 漩 涡 流 线 比较 密。 由 于液 流 特性 在 此 处 剧 烈变 化 ，必 将 产 生 较 大的压力 损失 。 图 4 液 压集成块流道 截 面的速度图 如 图 5所示 B处 与 图 4的 A位置 相 同 ，为三 维流道沿 中心轴线的不同截面液流在直角转弯处 速度急剧变化后 ，流经两段圆弧转弯的流道 ，液流开 始扩散 和附壁 ，逐渐平稳下来 ，可见 圆弧转 弯流道对 液 流特性影 响不 大 。液 流在 C和 D处 两次 流经 直角 转 弯 ，在 D处 的液 流变 化更 加剧 烈 ，产生 的漩 涡尺 寸 比 C处 的大 ，能量损 失 大于 C处 。因为液流 经 c处直角转弯后没有 充分发展 就流过 D处 的 直角转 弯 ，加剧 了液流 的分离脱 流 ，产生漩 涡 的尺寸更 大 。由于两个 直角转弯之间的间距较 小 ，两 处 漩 涡 互 相 影 响 ，增大 了 D处 的局部 液 阻 ，所 以在 D处产生 更 大的压力损失 。 2 ． 2工 艺流道 的流 场分析 图 5 液压集成块流道 截面的速度图 a 刀 尖 角 的速 度 矢量 图 f b 工艺孔容腔的速 度矢量 圈 图6 工艺流道的速度矢量图 C 在液压集成块 的设计 制造 过程中为保证 内部 流道 的连通 ，集成块 内部必然有刀尖 角和工艺孑 L 容腔 的存 在 。根据液流在刀尖角 和工艺孔容腔 的速度矢量 图分 析它们对液压集成块内部液流流场的影响。刀尖角对 液流 的特性影响 如 图 6 a 所示 ，液流流 向如 图中箭 头所示 ，两个 刀尖 角 处都 产 生漩 涡 ，在 B结 构产 生 的漩涡体积 大于 A结构 处 的漩 涡体积 ，并且 流线 也 比 A结构处 的密集 ，造成 更 大 的压 力损 失 ，所 以在 设计液压集成块时流道 应尽量避 免采用 B结构 形式 。 图 6 b 为工艺 孑 L 容腔 对液 流特性 的影 响 ，由于封 闭 工艺孔容腔的存在 ，液流流经时不仅要充满工艺孔容 腔，而且在容腔处产生回流，消耗主液流的能量，增 大能量损失，在设计制造过程当中，尽量减小工艺孔 容腔体积 。 2 ． 3 辅助 连接 流道 的 液流 流场 分析 为 了从 整 体 上 分 析液压集成块 的性能 指标，用 圆弧转 弯管 路代替液压阀件的流 道将 液 压 集 成 块 流 道 连接 起 来 。从 图 7 中 可 知 ，液 流 在 圆 弧 转 弯流道里的流动 比较 平 稳 ，速 度 的 迹 线 沿 壁 面 方 向，没 有 产 生 液流 的 分 离脱 流 和漩 a 圆 弧流 道 的速度 迹 线 图 b 1 圆 弧转 弯流 道 的液 流速 度 迹线 图 图 7 辅助连接管路 的速度迹线图 涡 ，没有改变液流 的流场特性 。 2 ． 4液压集成块流道的压力损失分析 以液 压 集 成 块 内部 流 道的 长度 为 轴 ，液 流 的 压力损失为 y 轴建立如 图 8 所示 的 坐标 系。选 取 液 压 集 成块 入 口截 面 中心原 点 的液 流迹 线 ，分 析 其 在 流 道 内部 流 动 时压 力 损失 情 况 。从 图 中分 析 得 出 ，1 、 图 8 液压集成块流 道压力损失图 2 、3 、4处压力值直线下降的位置对应流道的直角转 弯处。在 1 处流道直角转弯处压力损失较小，因为液 流稳定流人 ，转弯前后管路的直径只差 5 m m，产生 的漩涡较弱 ，对液流流场特性影 响不 大 ，所 以产生压 力损失较小。液流转弯后流经较长的直管 ，经扩散和 附壁后逐渐平稳下来 ，在 l 和 2之间直管没有压力损 失。在 2处的直角转弯处 图 4的 A处液流压力 突变 ，产生较大压力损失。并在 2和 3之间流道开始 出现沿程压力损失 ，因为在 2处液流速度突变，加剧 了紊流的脉动性 ，使得液流之间质点相互碰撞加剧 ， 1 4 6 机床与液压 第 3 8卷 增加了液流流动的阻力。同样 3 、4两处直角转弯处 压力突变，产生较大的能量损失，并且 3和4之间的 流道压力下降更快 ，说明上游液流的干扰增加了下游 液流能量 的损失。 3实验数据 根据仿真结果 ，文 中液流流经液压集成块 内部流 道 产生 的压力损失为 却 0 ． 7 M P a ，3个液压 阀件的 样本标注压力损失为 △ P 0 ． 9 M P a ，两项压力损失相 加，再减去由辅助连接管路产生的压力损失 △ p 0 ． 1 7 M P a ，液压集成块理论压力损失为 却 1 ． 4 3 M P a 。对文中液压集成块功能 回路进行 多次实验 ，结 果为 △ p 1 ． 3～1 ． 4 M P a 。用 同样 的分 析方法 ，对系 统中的液压集成块集成的其他液压回路进行仿真和实 验，仿真数据和实验数据均基本吻合，说明用这种整 体方法分析液压集成块的流道产生的压力损失，具有 可行性。 4结论 以实际工程中的液压集成块集成的液压回路为研 究对象 ，对 流道 内部 的液 流特性 进 行分 析 ，结 论如 下 1 采用液压集成块流道整体的仿真分析方法， 仿真数据与实验数据基本吻合 ，说明这种分析方法的 可行性。在液压集成块设计阶段 ，采用这种流道液阻 的仿真分析方法 ，可以从整体上把握液压集成块的流 道设计，防止了局部最优而整体性能降低的情况，可 为液压集成块的优化设计提供依据。 2 液压集 成块 压力损 失最大 部位在 直角 转弯 处 。直角转弯改变液流的流动特性 ，增加液流速度 的 脉动性，液流的分离和扩散都要克服液体内部的黏性 力，产生热量，造成能量的损失。图7中圆弧形流道 对液流特性改变较小，精密铸造技术进步后，尽量采 用这种结构形式 。 3 刀尖角 和工 艺孔容 腔处产 生 的漩 涡 消耗掉 主液流的大量能量 。所 以应 着力研究分析漩涡生成 的 机理和影 响因素，优化设计液压集成块内部流道结 构 ，尽量减小能量的损失。 参考文献 【 1 】 何永森 ， 刘邵英． 机械管内流体数值预测[ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 2 】 王永安， 张宏， 田树军．液压集成块 内部孔道流场的 C F D仿真分析[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 1 7 4 0 6 1 4 06 4． 【 3 】张宏 ， 田树军． 基于 C F D的液压集成块典型流道液阻仿 真研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 1 8 2 2 2 3 2 2 2 6 ． 【 4 】田树军． 液压集成块管 网动态特征仿真[ J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 7． 3 5 4 1 9 62 0 0． 【 5 】C h e n Q， S t o ff e l B ， Q u a n L ． C o u p l i n g s i m u l a t i o n s o f h y d r a u l i c s y s t e m s w i t h c h a r a c t e r i s t i c m e t h o d a n d C F D f C ] ／ ／P r o - c e e d i n g s o f t h e S i x t h i n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n F 1 u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 5 5 4 35 4 7 ． 【 6 】F l u e n t I n c ．F L U E N T 6 ． 1 U s e F s G u i d e v o l u m e 2 [ M] ． 20 0 3。 上接 第 1 3 3页 4 结论 1 从仿真结果可以看出，即使在最大锻造负 载和极限锻造偏心时，同步平衡系统的稳态精度也在 0 ． 1 1 1 1 1 7 1 之间，调整时间小于 1 s ；并且系统在不同 负载 1 0 M N和2 0 MN 作用下，动静态性特均能满 足工程实际要求 ，达到了设计目的。 2 P I D控制器参数的不 同直接影响系统的性 能，通过优化 P I D参数 ，使系统具好较好的动静态特 性 。 3 当锻造偏心一定时，锻造负载力越小，系 统的上升时间越短，快速性越好。 4 通过对同步平衡系统的建模和联合仿真研 究 ，了解了系统中各参数之间的影响关系，为实际系 统 的现场调试提供了理论指导 ，也为以后系统 的优化 设计提供了理论依据。 参考文献 【 1 】张友旺， 谭建平． 模锻液压机同步平衡系统开关和比例 控制的自动调节特性分析[ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 8 1 3 638． 【 2 】 俞新陆． 液压机现代设计理论[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 7 ． 【 3 】 H U A N G Y F ， L I U Y ， T A N H H ． A d a p t i v e f u z z y n e u r a l n e t - w o r k c o n t r o l f o r h y d r a u l i c b a l a n c i n g a d j u s t m e n t s y s t e m [ J ] ． J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 1 8 4 8 8 ． 【 4 】 L I U Z W， L I U S J ， H U A N G M H ． O p t i m i z a t i o n of t h e g i ant h y d r a u l i c p r e s s ’ S s y n c h r o n i s m b a l a n c i n g c o n t r o l s y s t e m [ C ] ． 2 0 0 9 I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n M e a s u r i n g T e c h n o l - o g y a n d Me c h a t r o n i c s Au t o ma t i o n ， 2 0 0 9 ． 1 8 2 88 3 1 ． 【 5 】 S T A D L E R W． A n a l y t i c al R o b o t i c s a n d M e e h a t r o n i e s [ M] ． Mc G r a w H i l l S e ri e s i n E l e c t ri c al and C o m p u t e r E n gi n e e r - i ng， 1 9 95． 【 6 】 C H U N X ， X I N G X F ， J I N Y P ． R e s e ar c h o n a n e w h a r d n e s s t e s t i n g d e v i c e b as e d o n t h e t e c h n o l o g y o f A DAMS a n d A ME S i m c o - s i m u l a t i o n [ J ] ． P r o c e e d i n g s of t h e 2 n d I n t e r n a - t i o n al C o n f e r e n c e o n Mo d e l l i n g a n d S i mu l a t i o n， 2 0 0 9 ． 5 3 3 33 3 9． 【 7 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ．