液压集成块典型转弯孔道流场仿真分析.pdf

2 0 1 2年 3月 第4 0卷 第 5期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS Ma l- ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 4 2 液压集成块典型转弯孔道流场仿真分析 林义忠，陈丽莉 ，张忠南 广西大学机械工程学院，广西南宁 5 3 0 0 0 4 摘要针对液压集成块中典型转弯孔道结构，应用前处理软件 G A MB I T建立不同孔道结构模型，采用 F L U E N T软件提 供的k - 6湍流模型对其孔道内流场进行数值仿真 ，并分析工艺孔容腔及偏心距对管道流场的影响。结果表明在布局布孔 条件允许的情况下 ，采用无工艺孔容腔正交直角转弯结构的连通方式，流体流经孔道的压力损失及能耗最低。 关键词液压集成块；流场；仿真 中图分 类号 T H1 2 2 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 51 3 4 4 S i mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f F l o w F i e l d o f Ty p i c a l Tu r n i ng Cha n ne l i n s i d e Hy d r a ul i c M a n i f o l d Bl o c k U N Yi z h o n g． CHEN Li l i ， Z HANG Z h o n g na n Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e s o f t y p i e M t u r n i n g c h a n n e l 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，d i f f e r e n t p i p e l i n e s t ruc t u r e mo 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 GA MBI T， a n d t h e fl o w f i e l d s o f p i p e l i n e s w e r e s i mu l a t e d w i t h t u r b u l e n c e mo d e l p r o v i d e d b y F L U EN T． T h e e f f e c t s o f e r a f t wo r k h o l e a n d e c c e n t r i c t h r o w o n p i p e l i n e flo w fie l d w e r e a n a l y z e d ． T h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e c o n n e c t e d p a t - t e r n o f n o c r a f t w o r k h o l e o r t h o g o n a l r i g h t a n g l e t u r n i n g s t r u c t u r e i s e mp l o y e d a s f a r a s p o s s i b l e wh e n t h e l a y o u t i s v i a b l e ， t h e p r e s s u r e l o s s a n d e n e r g y c o n s u mp t i o n a r e l o w e s t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k； F l o w fi e l d ； S i mu l a t i o n 在集成式液压系统中，集成块中的孔道与其承装 的阀块体中的孔道相连通 ，构成一定的回路，实现系 统连通要求。集成块上会安装多个阀体 ，使得集成块 内部孔道结构复杂繁多，当孔道布局和孔道结构不合 理时，由其产生的局部损失增多，以致整个系统能量 损失增加，品质下降。 流体在液压集成块孔道内的压力损失主要有两种 形式 1 在孔道中的直线流段中，黏性摩擦起主 导作用的沿程压力损失； 2 由于孔道断面突然变 化、油液流速大小和方向突然改变等引起的局部压力 损失。液压集成块管网中存在着短管、直角拐弯、分 支管路 、工艺孔容 腔等复 杂繁多 的孔道形式 ，且孔道 一 般都比较短 ，其沿程压力损失与局部压力损失相比 非常小，在计算压力损失时可以忽略不计，因此，液 压集成块的主要压力损失是由这些复杂繁多的孔道所 引起 的局部压力损失组成 。 直角转弯是液压集成块中最为常见的孔道连通形 式 ，其流动性能好坏对整个管网的流动特性具有至关 重要的影响。文中采用F L U E N T软件对液压集成块内 部孔道典型直角转弯结构流场进行仿真分析，探讨不 同直角转弯孑 L 道结构液流流动特性、压力损失规律 等，以达到液压集成块内部流场优化的目的。 1 建立模型 1 ． 1物理模 型 图 1 为拆去阀类元件后典型的液压集成块块体。 可以看出，液压集成块内部孔道转弯结构复杂繁多。 在此选取几种典型的直角转弯结构进行仿真分析，研 究其液流流动特性以及局部压力损失规律。 图 I 液压集成块内孔道复杂连通管网结构示意图 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 1 基金项目广西壮族自治区科学基金项目 2 0 0 9 A M 6 0 1 1 、合同号桂科 自0 9 9 1 0 5 2 作者简介林义忠 1 9 6 4 一 ，男 ，工学博士，教授，研究领域为机器人技术、机电液 自动控制。通信作者陈丽莉 ， E ma i l c h e n l l 01 20 1 26 ．c o m 。 第 5期 林义忠 等 液压集成块典型转弯孔道流场仿真分析 1 3 5 液压集成 块 内部孔 道 的直 角拐 弯 ，最 常见 的是 两 孔道 中心线在 同一 平面 的正交 方式 ，其 正交 方 式 又分为带 工 艺孔 容 腔 和 不 带 工 艺 孔 容 腔，见 图 2 a 、 b 所示 。另外 ，由于外部液压阀类元件和 集成块内部孔道连接在某些情况下受到限制 ，使得 两条相交孔道的中心线不在同一个平面内，产生两 孔道中心线非正交连通的方式，如图2 C 所示 。图 中，d 、d 为孔 道直径 ， 为工艺孔长度 ，6为非 正交孔 道偏心距 。 a 带工艺孔容腔 正交 b 无工艺孔窨腔正交 c 非正趸转弯 转弯结构示意图 转弯结构示意图 结构示意图 图2 液压集成块内几种典型孔道结构示意图 1 ． 2 孔道流体流动计算模型 液压集成块内部孔道中的流体为液压油，其中典 型流道内的液流多数情况下处于紊流状态。因此，流 体流动要遵守物理守恒定律，即质量守恒定律、动量 守恒定律和能量守恒定律 在此不包括能量方程 的 支配 ，还要遵守附加的紊流输运方程。 1 质量守恒方程 巳 丛 0 1 1 dx a az 式 中P为 密度 ；“ 、 和 W为 速度 矢 量在 、Y和 方 向的分量 。 2 动量守恒方程 N a v i e r S t o k e s 方程 E 2 3 a 压 力 云 图 亚 O Xi去 O uA， - pP 一 一 l ，“ J 2 式中 为动力黏度；S为动量守恒方程的广义源项。 3 低 数 k - s模型输运方程 毒 崩 G kor 一 a f a a ， L ＼ 。 ／a J } G If , i - c ’ p 『 I l 2 P 0 2n } I] 3 L2 式中 C l 1P ； n 代表壁面法向坐标；u 为-b 壁面平行的流速。在实际计算时，方向n可近似取为 、Y 和 z中最满足条件的一个，速度 u也做类似处 理 。 2仿真结果及分析 2 ． 1 数值处理方法及仿真结果 在 F L U E N T前处理软件 G A MB I T中建立仿真所需 模型 ，并对其内部流场进行网格划分 ，将该网格模型 导入 F L U E N T流体仿真软件中，采用有限体积法对该 孔道流场进行数值模拟 ，并选用 k - 8湍流模式和 S I M P L E算法进行数值求解。在此 ，两相交管路的管长均 为 3 5 m m，孔道直径d均为 1 0 m m，图2 a 中工艺孔 长 L d ，图2 c 中偏心距 60 ． 3 d 。假定进 口液流 为充分发展流，并且垂直于进 口流场方向上的流体速 度为零；在所有壁面上施加无滑移边界条件 即所 有速度分量都为零 ，油液密度P 9 0 0 k g ／ m 。 ，动力 黏度 0 ． 2 5 5 7 8 N s ／ m，人 口速度 为 5 m ／ s ，出 口压 力为 0 。仿真结果图如下。 正交转弯仿真结果见图3 4 。 辨 e D 7 ． ． O 0 7 ． ∞ ，2 6 ． ． 0 0 L 图3 带工艺孔容腔正交转弯仿真图 j i l } 2 一 一 -啊 ■■E Ⅲ l b 速度流线圈 伽甜 舢硼伽埘叫∞∞∞∞ 鼍j 董埘戒 2 ， ， 3 L 0 c ， ■ ■． - ■曩譬●●● 第 5期 林义忠 等液压集成块典型转弯孔道流场仿真分析 1 3 7 流 ，使压力损失增大；在两管道相交处 ，通流截面 减小 ，根据流量连续性与伯努利方程可知，管路的通 流面积减小使液流在未通过最小截面时收缩效应增 大，形成回流漩涡，同时通过最小截面的高速液流使 扩散作用增强 ，压力损失梯度增 大。与正交直 角转弯 孔道相比较非正交直角转弯孔道 内的流体流动复 杂 ，产 生的漩 涡多且强度大 ，压力损失也明显增大 。 3结论 1 在直角转弯孔道 内，流体转 向所形成的涡 流和二次流是增大液 阻 、产生 系统 能耗 的主要 原 因。 因此 ，在设 计液压集成块时 ，尽量采用无工艺孔容腔 的直角转弯结构，以减少漩涡产生个数 ，削弱漩涡强 度，降低压力损失；同时，如果条件允许 ，最好采用 精密铸造流道，这样可以尽量避免直角转弯，又可得 到表 面光滑的流线型流道 ，从而消除转弯后形成 的涡 旋 ，减少能量损失 。 2 对比正交与非正交直角转弯孔道流体的仿 真结果图可知两管中心线正交相连通，即偏心距等 于0时，形成的小尺度涡较少，壁面和中心线位置的 速度分布比较均匀，流场压降损失比非正交转弯孔道 低，且正交转弯孔道取得的通流效果较好。因此，在 液压集成块管网优化设计时，为减少压降损失，应尽 可能采用两管正交的连通方式。 参考文献 【 1 】张宏 ， 田树军， 刘万辉 ， 等． 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 22 322 2 6． 【 2 】王福军． 计算流体动力学分析 C F D软件原理与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 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 1 406 4． 【 4 】张宏． 基于管网液流特性仿真的液压集成块优化设计 [ D] ． 大连 大连理工大学 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】田树军 ， 张宏， 李利． 液压集成块管 网动态特性仿真 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7， 3 5 4 1 9 6 2 0 0 ． 【 6 】袁昌耀， 博连东， 王佳， 等． 基于 F L U E N T液压集成块管 内数值仿真[ J ] ． 机械， 2 0 0 8 ， 3 5 1 2 l 6 1 8 ． 【 7 】高殿荣， 王益群． 液压集成块内弯曲流道流场数值计算 与分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 6 3 4 3 5 ． 【 8 】张宏， 田树军 ， 高艳明， 等． C F D辅助液压集成块管网优 化设计 [ J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 0 7 ， 4 7 5 6 8 9 6 92 上接 第 1 3 3页 t ／ s a 位置跟随曲线 t ／ s b 跟 随误 差 曲线 图 5 从动缸模糊 P I D控制 时的位 置跟随曲线和跟随误差曲线 从 图 5可以看 到 主动缸 在较快的时间 内平稳地 到达 2 5 0 m m处 ，没有 出现超调 。在 图 4中，主从 缸 的位 移跟随 曲线有着较大 的跟 随误差 ，最 大误差 大于 0 ． 1 m m；在图 5中，主从缸的跟随曲线基本重合 ， 跟 随误差在 0 ． 0 3 m m 以 内 ，从 动 缸有 着 良好 的跟 随 效果 。这是 因为模糊 P I D控制 有着 很强 的 自适 应性 ， 可以根据工作过程 自适应地调节 P I D的参数 ，使从动 缸 能够更快地跟随主动缸 的运动 。 4 结束语 通过对液压同步控制系统进行建模 和在 MA T L A B 下仿真，定量地研究了在不同的控制算法下主从缸跟 随效果的差异 ，同时提出了一种新的控制策略。仿真 结果证 明 该控制策 略在液压 同步控制过程 中有着 良 好的控制效果 ，能够为以后的同步控制实践提供一定 的指导。 参考文献 【 1 】 G U A N C ， P A N S X ． A d a p t i v e S l i d i n g M o d e C o n t r o l o f E l e c t r o h y d r a u l i c S y s t e m wi t h N o n l i n e a r Un k n o w n P ara me t e r s [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 8 ， 1 6 1 1 1 2 7 5 1 28 4． 【 2 】顾凯， 李长春， 周欣． 电液伺服系统同步控制研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 6 1 3 ． 【 3 】夏玮 ， 李朝晖， 常春藤， 等． 控制系统仿真与实例详解 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 8 2 8 3 2 9 0 ． 【 4 】 周科， 陈柏金， 冯仪 ， 等． 基于 P L C 控制的液压同步顶升 系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 1 2 1 4 91 5 0 ． 【 5 】 李洪人． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 81 57． 【 6 】 江辉军， 安玉娇， 袁朝辉． 飞机液压系统流量压力负载模 拟研究[ J ] ． 航空学报 ， 2 0 1 1 1 1 1 2 ．