动圈式伺服阀内部流场的数值模拟

    电液伺服阀因其具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳、能适应模拟量和数字量调制等优点,在冶金、航空等行业中都得到广泛应用[1-2]。本文运用Fluent软件,对动圈式电液伺服阀(简称动圈阀)中的流体进行分析,研究其前置级滑阀在运动过程中内部流场的分布特性。

    1　动圈阀前置级滑阀结构

    动圈阀的主滑阀兼作前置级滑阀的阀套(如图1所示),在平衡位置时,节点a和b的压力相同,主滑阀保持不动。如果前置级滑阀在动圈作用下向左运动,a点压力降低,b点压力上升,主滑阀随向左运动。由于主滑阀又兼作前置级滑阀的阀套(位置反馈),故当主滑阀向左移动的距离与前置级滑阀一致时,主滑阀停止运动。同样,在前置级滑阀向右运动时,主滑阀也随之向右移动相同的距离[3]。

    2　建模

    为了研究前置级滑阀在这一过程中内部流场的分布规律,在建立数值分析模型时,主要考虑前置级滑阀阀芯在运动过程中与主滑阀形成的阀口的变化给内部流场带来的影响,因此根据前置级滑阀实际工作时与主阀芯(前置级的阀套)的配合,忽略主阀芯和主阀套的配合,将模型简化,如图2所示。

    模型建好后,采用Fluent前处理器Gambit软件生成网格,如图3所示。为了更加准确地模拟前置级滑阀在运动过程中流场的瞬态变化,采用动态网格的计算方式,运用C语言编写阀芯的运动函数并在Fluent中进行编译,分别将阀芯运动区域中需要压缩或拉伸的各边(包括Wall和Axis上的各条线段)设置为变形体(Deforming),?再将阀芯上需要移动的部分统一设置为刚性体(Rigid Body),使用UDF文件加载并控制此运动,阀芯从中位开始直到阀口趋于关闭(运动距离约为1 mm,时间约为20 ms)[4]。

    阀芯的运动方程为:

式中:S为阀芯的运动距离,mm;t为运动时间,ms;υ0为阀芯在X方向的运动速度,mm/s;a=(F±Ff)/m,其中:F为电磁力,N;Ff为液体阻力,N;m为导阀芯质量,kg。

    网格划分好以后,根据动圈式伺服阀在工作中的实际情况,为确保模拟的精确性,建立了如下的边界条件:

    (1)将导阀入口P(inlet)定义为速度入口边界条件。一方面是为了能够较为精确地模拟出阀体内部的流场情况(速度入口边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量),另一方面在阀体实际的工作状况中,流体的速率波动比压力波动要小。

    (2)将导阀出口T(outlet)定义为压力出口边界条件。这是因为压力油经过阀体后进入液压缸(或马达)后,它的压力是相对稳定的(仅有阀体的压力损失),压力出口边界条件适用于压力已知但是流动速度或速率未知的情况[5-6]。