李 强 刘 健

(1.安徽金安矿业有限公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

清塞机用六通多路阀节流阀口的数值模拟分析

李 强1刘 健2

(1.安徽金安矿业有限公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

针对多功能液压破碎清塞机用六通多路阀阀口，采用Fluent软件对其进行数值仿真分析,得到不同阀口开度下的压力云图和速度矢量图。根据仿真所得的稳态液动力值绘制曲线并对其进行分析，结果为多路阀节流阀口内部结构的优化和多功能液压破碎清塞机用多路阀的选型提供了参考,对工程实践具有重要的参考价值。

Fluent 多路阀 节流阀口 流场仿真 稳态液动力

多路阀是液压行走机械最关键的元件之一，在清塞机、挖掘机上得到广泛应用并发挥了重要作用[1]。节流阀口作为多路阀阀芯上的一个核心元件直接影响着多路阀的性能。流体流经节流阀口时产生压力损失和能量耗散，使系统发热。阀口处流道不合理还会引起局部低压，甚至发生气穴，产生噪声。流体在多路阀内的动量变化还会产生附加的液动力，会对多路阀的控制特性及工作可靠性造成影响。因此，进行节流阀口流场仿真及稳态液动力曲线的绘制对改善多路阀特性品质和液压系统的性能有着重要的意义。本文针对多功能液压破碎清塞机所采用的多路阀某联阀芯节流阀口进行数值模拟[2-3],得到在设定压差下阀口的流场分布及稳态液动力曲线,为节流阀口的优化提供参考。

1 几何模型与网格划分

在Proe中建立六通多路阀三维模型(图1)，将该模型导入Gambit中简化处理。网格的划分直接关系到计算的精度及收敛性。采用分块网格划分,对计算域规则的部分采用六面体网格，不规则部分采用四面体网格，对节流阀口处进行局部加密，并设置边界条件。P→A、P→B节流阀口展开图见图2。P→B节流阀口处网格划分见图3。

2 阀口流场仿真及结果分析

2.1 仿真参数设置

在Fluent中的边界条件选择压力入口和压力出口。预设进口压力为18 MPa，出口压力为16 MPa，动力黏度为0.028 448 Pa·s，液压油密度为889 kg/m3，选择湍流 K-ε Realizable模型，标准壁面函数，默认的松弛因子，采用SIMPLE算法迭代求解各变量的离散方程[4]。

图1 多路阀三维装配简图

图2 多路阀节流阀口圆周展开图

图3 P→B节流阀口处的网格划分

2.2 仿真结果分析

不同方向节流阀口角度为pi/2处的压力见图4，不同方向节流阀口角度为pi/2处的速度见图5。

由图4可以看出，在壁面A、B、C处出现了不同程度的局部低压，均是因为在拐角处发生流体脱离壁面，有可能产生气蚀现象。流体在阀口处和阀腔漩涡中心内形成了较大的压降，前者是因为阀口的节流作用，后者是因为漩涡消耗了流体运动的能量，导致压降。

图4 不同方向节流阀口角度为pi/2处的压力云图(单位：MPa)

图5 不同方向节流阀口角度为pi/2处的速度云图(单位：m/s)

由图5(a)可以看出，随着阀口开度的增大，沉割槽中的漩涡越来越明显，且漩涡发生的中心与压力云图中的局部低压处相对应。

由图5(b)可以看出,随着阀口开度的增大，节流阀口后的漩涡逐渐靠近阀口位置,且漩涡范围变小,但程度加剧，这是因为节流阀口后的沉割槽结构与阀芯壁面所组成的空间变小所造成的。

3 稳态液动力分析

液流流经阀口时，液流速度的大小和方向发生变化，其动量变化对阀芯产生一个反作用力，即作用在阀芯上的液动力。其中稳态液动力是在阀口开度一定、稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。其理论公式中包括流量系数、速度系数、射流角度等参数[5]，然而在多路换向阀中，随着阀口开度的变化，这些参数都是变化的，即使在同一阀口开度下，由于不同节流槽，油液经过射出的角度也是不同的。所以理论公式很难精确求出多路换向阀的稳态液动力。通过Fluent仿真得到阀腔内的压力分布，通过压力对阀芯左右壁面、节流槽壁面、阀芯中间杆壁面、阀体壁面、阀芯凸肩壁面这些受压面积进行积分[6]，得到不同开度下多路换向阀的稳态液动力。不同方向节流阀口稳态液动力曲线见图6。

图6 不同方向节流阀口稳态液动力曲线

由图6可知在非全周开口过程中稳态液动力的方向不会发生变化，且不同的节流阀口稳态液动力的特性有所差异。

由图6(a)可以看出，P→A阀口打开后稳态液动力数值先上升后下降，但始终为正值，稳态液动力使得阀口趋于关闭。在开度为3.5 mm左右时，稳态液动力达到最大值并开始下降，这可能是由于在开度为3 mm时阀口中角度为0和pi处的节流槽刚好打开，参与节流而导致的。

由图6(b)可以看出，P→B阀口打开后稳态液动力数值呈现一定的波动，但始终为负值，稳态液动力使得阀口趋于关闭。在开度x=0～2.5 mm时，稳态液动力数值一直上升，而开度x=0～2.5 mm刚好落于P→B阀口中角度为0和pi的2个节流槽端部的半圆直径上。观察发现在开度为0～2.5 mm时，稳态液动力的斜率也不一致。在0～1 mm时，斜率较小，此时仅有角度为±pi/2处2个节流槽的端部半圆节流。在1～2.5 mm时，斜率数值较大，此时角度为0和pi的2个节流槽也参与了节流。在开度为2.5～3.5 mm时，稳态液动力曲线数值变小，在3.5 mm左右达到极小值，而此处正是节流槽形状发生突变处。

4 结 论

(1)阀体节流槽的锐边及流道的拐角处容易产生气穴、气蚀，造成能量损失和流体噪声，需要优化局部流道的结构，宜选用高强度耐腐蚀材料。

(2)节流阀口处的速度最大，和该处压力梯度相对应。阀口开度变大，阀腔内漩涡越来越明显。

(3)稳态液动力的变化规律与节流阀口的形状密切相关，稳态液动力曲线的拐点处往往是阀口形状发生突变处。

(4)本文分析结果为多路阀节流阀口内部结构的优化以及多功能液压破碎清塞机所使用的多路阀的选型提供了参考。

[1] 杨华勇，曹 剑，徐 兵，等.多路换向阀的发展历程与研究展望[J].机械工程学报，2005(10)，1-5.

[2] 吴晓明，要继业，李 伟，等.U+K节流槽滑阀的数值模拟[J].流体传动与控制，2010(5)：3-15.

[3] 韩占忠，王 敬，兰小平.Fluent: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，2004.

[4] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 王春行.液压控制系统[M].北京:机械工业出版社，1999.

[6] 冀 宏，傅 新，杨华勇.非全周开口滑阀稳态液动力研究[J].机械工程学报，2003，39(6)：13-17.

2015-03-23)

李 强(1969—)，男，工程师，237474 安徽省霍邱县范桥乡。