基于Fluent的液压伺服阀液动力研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． ； 9 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 3 9 基于 F l u e n t 的液压伺服阀液动力研究 吕庭英 ，黄效国，何康宁 北京科技 大学机械工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要利用 F l u e n t 软件对液压伺服阀的功率级主阀的内部流场进行仿真模拟，得出阀芯壁面的压力分布情况，根据仿 真结果分析阀芯所受的稳态液动力，为阀的使用与性能优化提供依据。 关键词F l u e n t 软件 ；功率级主阀；压力分布；稳态液动力 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 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 31 3 1 2 Re s e a r c h o n Fl o w Fo r c e o f Hy dr a ul i c S e r v o - v a l v e Ba s e d o n Fl u e nt L V Ti n g y i n g， HUANG Xi a o g u o， HE Ka n g n i 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 ，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 B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i mu l a t i o n o f i n t e r n a l fl o w a b o u t t h e p o w e r l e v e l v alv e o f h y d r a u l i c s e r v o v alv e w a s a c c o mp l i s h e d b a s e d o n F l u e n t ． Th e p r e s s u r e d i s t rib u t i o n o f t h e v alv e wa l l w a s a n aly z e d ．Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u h s ，t h e s t e a d y fl o w f o r c e s u ff e r e d f r o m v alv e wall w a s a n a l y z e d ． I t p r o v i d e s f o u n d a t i o n f o r t h e d e s i g n a n d p e r f o r ma n c e o p t i mi z a t i o n o f t h e v a l v e ． Ke y wo r d s F l u e n t s o f t wa r e ；P o we r - l e v e l v a l v e ；P r e s s u r e d i s t ri b u t i o n ；S t e a d y fl o w f o r c e 液动力是影响液压阀性能的关键因素之一，流体 流经阀口时，由于流动方 向和流速的变化引起液体动 量的变化 ，从而产生液动力。液动力分为瞬态液动力 和稳态液动力，作者是在定常流动下研究阀内的稳态 液动力。稳态液动力是阀芯移动完毕、阀口开度固定 的稳定流动下 ，液流流过阀口时因动量改变而作用在 阀芯 的力⋯。 电液伺服阀的功率级主阀基本为滑阀，若滑阀的 稳态液动力过大 ，会加大操纵滑阀所需的力，尤其在 高压大流量的情况下；另外，通过阀芯受力分析发 现，液动力的方向始终使阀口趋于关闭，这会严重影 响伺服阀的性能。作者以MO O G D 6 3 3直动式伺服阀 为研究对象，利用 C F D软件 F l u e n t 分析其滑 阀内压 力分布情况，分析稳态液动力大小 ，为阀的使用和性 能优化提供依据。 1 建模与网格划分 图 1是伺服阀功率级滑阀结构简图。使用 S o l i d ． Wo r k s 软件对滑阀内部流体做三维实体建模，根据其 对称性可取流动区域的一半作为仿真区域。模型保存 为 “ p a r a s o l i d ”格式，并导入到软件 G a m b i t 划分 网 格 ，网格类型是 “ H y b r i d ” ，区间大小是 0 ． 0 0 1 。图 2 是滑阀内流场的模型网格图 。 边界条件设定为速度人口和压力出口，出口压力 是 0 ． 1 M P a ，流体为不可压缩牛顿流体 ，流动状态为 紊流 ，采用标准 ． 湍流模型。流体是液压油，密度 是 8 7 0 k g ／ m ，动力黏度是 0 ． 0 4 k g ／ m S 。 图 1 滑阀结构简图 图2 滑阀内流场 模型网格图 2 仿真及分析 仿真分为两阶段 第一阶段是流量不变时，不同 开 口度下稳态液动力大小；第二阶段是开 口度不变， 不同流量下稳态液动力的变化。D 6 3 3直动式伺服阀 的额定流量有 5 、1 0 、2 O 、4 0 、6 0 L ／ m i n ，第一阶段 选取流量 为 4 0 L ／ m i n ，第 二 阶段 则选取 开 口度为 1 mm。 在 G a m b i t 软件中画好网格后 ，以 “ m s h ”格式导 出，启动 F l u e n t 软件的 3 D求解器，并将 m s h文件导 入，检查网格体积没有负值 ，设置求解器、材料属 性、操作环境、边界条件、计算模型以及监控等 ，然 后开始仿真计算 j 。 收稿日期2 0 1 0 0 6 2 0 作者简介吕庭英，硕士研究生，研究方向是电液控制。电话 1 3 8 1 1 5 4 8 0 5 2。Em a i l l v t i n g y i n g 1 9 8 5 y a h o o ． c a 。 1 3 2 机床与液压 第 3 9卷 仿真结束，观察残差收敛曲线 ，曲线平滑收敛， 说明模型仿真结果是可信的。图 3是开 口度为 1 m m 的残差收敛曲线。 l I 1 1X 1 傺 1 1 1 I X 1 0 5 0 l 00 1 50 20 0 25 0 300 迭代次数 图 3 开 口度 1 m m的残差收敛曲线 当阀的开口度由 0 ． 5 m m变化到 3 m m时，阀内 流场压力分布也不断变化。液压油流经阀体时 ，流体 对阀体内壁的压力是总压力，此压力包括了液动力和 静压力，静压力是液体静止时对阀内壁的压力，因此 稳态液动力即是阀的总压力与静压力的差值。 稳态液动力包括轴向和径向液动力 ，阀开 口处设 计有环形 槽 ，可 以认 为径 向液 动 力是 对称 而互 相抵 消，因此阀芯受到的主要是轴向稳态液动力。稳态液 动力计算公式为 F p q v 2 c o s 0 2一p q v l c o s 0 1 由于液流的出口射流角可认为是 9 0 。 ，因此上式 为 F 一p q v 1 c o s 0 l一 2 C d C WC O S 0 1 △ p 式中C 为流量系数； C 为流速系数 ； 为阀口通流面积梯度 即阀口过流周长 ； 0 为液流入 口射流角 ； 为 阀口开度 ； 卸 为液流流经阀 口前后 压差 。 图4是流量为恒值时不同开口度下阀芯所受稳态 液动力曲线。观察曲线可以得出阀芯所受的稳态液 动力与阀开口度成反比，开口度越大则稳态液动力越 小；开口度为0～1 l n m时阀芯的稳态液动力相对较 大，同时此区问曲线斜率较大 ，即微小的开口度变化 会引起较大的液动力变化，因此应注意对其补偿 ，保 证不影 响阀芯运动 。 图 5是开 口度 为 1 m m时阀芯所受 稳态液 动力 曲 线 液动力负值表示力方向与阀开口方向相反 。在 阀开 口度保持不变的情况下，稳态液动力随着流量的 增大而增大，因此伺服阀为大流量时，液动力可能会 过大而影响阀的性能。 Z 需 链 图4流量 4 0 L ／ m i n 的稳态液动力 根据动量定律 图 5 开 口度 1 m m 的稳态液动力 F 一 r r t v 2一my I 流体对阀芯的作用力即液动力跟进出口轴向速度 差相关。流量不变时开口越小 ，进出口轴向速度差越 大 ，则液动力越大 ；同一开 口度 ，流量越大速度差也 越大。这和图4 、5以及仿真实验中的阀腔速度场是 相符合的。因此要降低稳态液动力 ，应该控制进出口 轴向速度差。重新设计阀腔流道，能在一定程度上减 小液动力；也可以调整进出口的尺寸和位置，使进 口 流动不是完全竖直 向下 ，改变 阀腔 进 出 口流动状 态 ， 也能 降低液动力 。 3结论 F l u e n t 软件是基于有 限体积法 的功能最全面的 C F D软件，在仿真计算中，观察模型的残差收敛监 线、进出口总量差以及特征面压力分布，基本符合物 理事实，说明仿真结果是可信的。 研究发现 由于阀内流场的不对称性 ，导致 阀杆 上下受力不均匀 ，下半表面压力比上半表面的大，导 致阀杆存在径向不平衡力，阀芯易产生液压卡紧，因 此要考虑措施消除液压卡紧。 另外 ，分析仿真结果得知，电液伺服阀的滑阀受 到的稳态液动力与 阀开 口度 以及流量密切相关 ，液动 力大小与开口度成反 比，与流量成正比，方向总是指 向阀口关闭的方向。液动力的存在会影响阀芯开闭性 能，严重时会使电磁铁烧毁。因此应采取措施降低稳 态液动力，改善阀的工作性能。 参考文献 【 1 】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 5 ． 【 2 】 韩占忠， 王敬， 兰小平． F L U E N T流体工程仿真计算实例 与应用[ M] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 王林翔， 章明川， 方志宏． 阀内流道布置对液动力的影响 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 0 6 2 7 2 8 ． 【 4 】王林翔， 陈鹰， 路甬祥． 液压阀道内三维流体流动的数值 分析[ J ] ． 中国机械工程， 1 9 9 9 ， 1 0 2 1 2 71 2 9 ， 1 7 4 ．