阀芯直径对液压锥阀性能的影响

　　液压锥阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件。锥阀主要由阀芯、阀座及附属的弹簧、密封件等构成，安装时只需将阀芯插入阀体或阀块的插孔内，利用控制盖板与阀体或阀块的螺钉联接而固定。虽然阀套、阀体插孔和盖板三者之间的相关尺寸均已标准化，但组件内部尺寸包括阀芯形状、阀套内孔与阀芯配合部分的形状及尺寸、弹簧尺寸等，均可由设计者决定，其中，阀芯形状对阀性能影响最大。因此，文中主要研究了锥阀的阀芯直径对锥阀性能的影响。锥阀工作时，通过阀芯在阀座内轴向移动，实现对压力、流量的控制。

　　利用计算流体动力学 ( Computational Fluid Dy-namics，CFD) 的方法，对外流式锥阀进行流体解析，得出阀芯直径的变化对流量系数与液动力的准确影响，对锥阀的结构设计具有一定的参考价值。

　　1 锥阀结构与建模

　　1. 1 锥阀结构

　　如图 1 为 CFD 解析用锥阀的主要结构，由阀芯与阀座构成，其主要结构尺寸如下: A = 90°，B =16. 5 mm，C = 3 mm，D = 6 mm，F = 120°，G = 120°，E 为阀芯直径值。图 1 中箭头方向为流体的流动方向; I 区及 II 区分别是两个旋涡产生区。由于锥阀阀腔结构对称，内部流动对称，因此可仅取流动区域的一半作为计算对象。

　　1. 2 几何模型与网格划分

　　将图 1 中的流体区域作为求解区域，利用三维设计分析软件 I-deas 按上述思想对锥阀建模; 并采用四面体网格进行划分，考虑到计算机的运行时间和存储容量，需要对计算网格进行规划，在入口和出口部分因为流速和压力变化缓慢，网格较粗; 阀口处存在节流作用，压力梯度较大，速度变化很大，对阀口处的网格进行了初步的细化，并且在出口拐角处进行了局部细化。将网格导入流体分析软件 Star-CD 中对锥阀进行 CFD 解析。

　　1. 3 解析条件

　　文中对锥阀进行解析计算时，对上述模型作如下假设: ( 1) 假设锥阀为理想锥阀，即阀芯与阀套配合精确而无径向间隙; ( 2) 流体为不可压缩、恒定的牛顿流体 ( 即速度梯度变化时，动力黏度 μ 不变) ; ( 3) 因阀体尺寸很小，忽略流体重力与阀腔内部流体传热的影响; ( 4) 流体的介质参数如表 1;( 5) 边界条件设定如图 2。

　　2 CFD 解析结果及分析

　　通过对锥阀进行 CFD 数值解析，得到不同阀芯直径 E 下，不同阀口开度 x 时稳态的速度分布、压力分布等情况，并得出流量系数与液动力值。

　　2. 1 阀芯直径对锥阀流量特性的影响

　　通过对阀芯直径 E 从 16 mm 以 1 mm 为梯度变化至 20 mm 对应的模型进行 CFD 解析，可以得到锥阀在不同开口时的速度分布和压力分布。通过对阀口处的速度分布进行积分，得到不同开口对应的流量 ( 图 3—4) 和锥阀的流量系数曲线 ( 图5 —6 ) 。