基于CFD的液压滑阀阀芯表面热效应分析

2013-03-20晏静江周大海

机床与液压 2013年5期

晏静江，周大海

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

在中高压系统使用过程中，经常会出现液压阀的热卡紧现象，这是由于节流槽口附近油液流动的速度很高，液压阀黏性加热现象显著，槽口来不及将热量传递出去而造成局部温度升高。这种现象的产生会对液压阀的工作性能产生很大影响:轻度时会使液压元件内的相对移动件如阀芯、叶片、柱塞、活塞等运动时的摩擦阻力增加，造成动作迟缓;严重时会使液压元件内的移动件卡住，造成不能动作，手柄的操作力增大，如换向阀不能换向，柱塞泵柱塞不能运动而实现吸油和压油等，同时还增加了阀件的磨损，降低使用寿命，并且可能导致动作滞后失效等严重后果。因此，对阀芯温度场的模拟和分析是十分重要的。作者采用CFD 流固耦合的方法，研究了不同开口度和不同工作压力对节流阀油流温升和应力应变的影响。

1 控制方程

虽然流体流动和传热的现象十分复杂，但都受最基本的3个物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒。在数值仿真计算中，湍流模型采用时均形式的微分方程[1]。

质量守恒方程:

其矢量形式为:

动量守恒方程:

式中:φ为通用变量，可以用来表示速度、压力等待求变量。等号左边为对流项，右边第一项为扩散项，Γφ是扩散系数，Sφ为源项。

能量守恒方程:

其中:cp是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，ST为流体的黏性耗散项。

热流耦合分析选取了温度场的第三类边界条件和热流耦合特有的边界条件。第一类边界条件为已知温度均匀且保持常数，即:TW=常数;第三类边界条件为固体与流体因温度差而发生了对流换热，此时固体表面的热流密度与温度差成正比，即:

式中:n为换热表面的外法线;

h为换热系数，W/(m2·℃);

TW为边界面温度，℃;

Tf为流体温度，℃。

热流耦合特有的边界条件包括流体进出口压力、流体温度和壁面边界。由于流体和固体遵循不同的控制方程，所以固体和流体交换壁面上温度和热流密度必须满足连续性边界条件[2]，即:

2 有限元模型

建立液压滑阀流体与阀芯的流固耦合三维模型如图1所示。并以此模型为算例计算了耦合系统的稳态流动与传热。

图1 液压滑阀流体与固体三维网格模型

算例中流体与固体的材料特性参数分别如表1和表2所示[3]。

表1 40#液压油50℃时的计算参数

表2 普通钢材料属性

在进行稳态计算分析时，对流体做了如下假设[4]:流体为不可压缩恒定流动的牛顿流体，在模型中的流动状态主要为紊流，采用k－ε 紊流模型。

所计算的滑阀阀芯与流体的流固耦合模型包括了流体与固体之间的耦合传热，同时也包括了固体的热应变分析。

3 仿真分析

将流体和固体的材料特性和边界条件施加到有限元模型上，计算收敛后分别得到流体的流场和温度场，然后再将流场的温度耦合到固体上，得到固体温度场，最后计算出固体的热应变。

图2为不同开口度和不同压差下的液压流体速度场分布示意图，流体流出阀口，流出的地方叫槽口后方，流入阀口的地方叫槽口前方。从图中可以看出:高速射流区域面积随着开口度的增大而增大;高速射流区域的位置随着开口度的增大逐渐从槽口后方向槽口前方移动。出现这种现象的原因是因为U型节流槽的阀口迁移现象引起的。U型节流槽存在一个特殊的阀口开度，当阀口开度小于这个特殊的开口度时，最小过流面积是随着阀口开度的变化而变化的;而当阀口开度大于这个特殊阀口开度时，阀口的最小过流面积为一个常数。同时，随着开口度的不断增大，液压油流出阀口的射流角也不断增大，不同的出射角，对射流后部流场的影响也不同。当阀口开度由小变大时，进入阀口后方区域的液压油开始冲击到阀芯窄颈段的表面上，产生了回流现象，随着阀口的开度进一步增大，液压油冲击在阀芯窄颈段的表面上的液压油更多，回流区也更大。

图2还给出了液压滑阀流体在压差分别为10 MPa，15 MPa，20 MPa时的速度场分布，由图中可以看到:节流口附近的流体速度和流体高速区域随着压差的增大而增大，并且节流槽口及下游区域的涡强度随着压差的增大而增强，这也是产生温升现象的主要原因。

图3为阀芯温度场分布示意图，从图中可以看出，阀芯中间段及槽口附近是明显高温区，阀芯两端是低温区，的右边的低温区明显比左边的低温区大，这是因为右边是油液上流，温度较低，而左边是油液下流，油液经过槽口，速度增大，黏性加热显著，产生大量热量。热量一部分随着油液流向出口，一部分则通过槽口表面传向阀芯。同时，在槽口内部存在一个相对低温区，如图3所示。

图2 液压滑阀流场分布示意图

图3 阀芯温度场示意图

为了更好地了解阀芯表面温度场的分布趋势，图4列出了阀芯在不同开口度和不同压差下的阀芯表面的温度分布云图。从图中可以看出，阀芯的局部高温分布在槽口的轮廓线附近。开口度不同的阀芯整体的温度分布趋势基本相似，都是阀芯两端为低温区，以槽口表面为温度集中区，也就是高温区，向四周传热。阀芯表面温度有随着离槽口距离的增大而逐步减小的趋势。

图4 不同开口度下的阀芯表面温度分布示意图

对照图2和图4容易看出，槽口表面的温度和附近油液的速度分布紧密相关。图4中，当K=1 mm时的最高温度明显低于其他开口度时的最高温度，这是因为K=1 mm时的槽口表面的高速射流区域最小;而槽口表面的高温区随着开口度的增大，逐渐往槽口方向移动，这是因为高速射流区域随着开口度的增大逐渐往槽口方向移动，如图2所示。

图5对比了不同开口度和不同压差下的阀芯变形，从图中知道，阀芯的变形趋势基本一致，阀芯的总体变形发生在槽口附近;槽口径向变形发生在槽口半圆弧形处，向上拱起;而轴向变形则是阀芯表面受到挤压向外延伸。最大变形都出现在槽口附近，根据图4和图5，不难看出节流槽最大径向变形位置与槽口表面的局部高温位置相对应，除了K=1 mm时出现在半圆壁面上，其他位置都出现在槽口两侧的壁面上。

在表3中，最高温度Tmax出现在开口度为3 mm和4 mm 附近，而最大变形量Dmax出现在开口度为2 mm时，说明最大变形量并不是随着最高温度的增大而增大的，这是因为最大变形量和最高温度出现的位置有关;当最高温度出现在槽口半圆处时，也就是说离槽口入口处越远的地方，引起的轴向挤压较大，径向变形就较大;离槽口入口较近时，引起的轴向变形挤压较小，因此径向变形也就较小。