基于CFD的电液控制主阀阀芯所受作用力分析

　　主阀的操作过程，实际上是控制阀芯以一定的方式沿轴向移动，来调整阀口开度，接通或断开回路，以达到调节压力、流量或液流方向的目的。在这一过程中，阀芯上作用着许多力，如弹簧力、摩擦力、惯性力、液动力等。这些力构成阀芯所受的总作用力，它是设计、分析液压控制阀及液压系统考虑的重要因素之一，也是影响液压阀性能的关键因素，不仅决定换向阻力，也影响阀的精确控制。研究作用在电液主阀阀芯上的总作用力具有现实意义。

　　1 主阀的基本结构与工作原理

　　主阀是二位三通阀，其结构简图如图 1 所示。当先导阀电磁铁断电时，处于非工作状态，此时主阀工作口 A 与高压油口 P 隔开，与回液口O 相通，这时主阀在弹簧力的作用下并未打开;当电磁铁通电时，使先导阀进入工作状态，输出高压油，通过高压油入口进入主阀阀腔，直至蓄积的压力超过主阀弹簧的作用力，此时顶杆与进液套产生相对运动，促使阀口打开，主阀进入工作状态，推动各执行元件完成相应动作;电磁铁再次断电时，主阀的工作口 A也与高压口 P 隔开，保持与回液口 O的相通，从而实现卸载。

　　2 边界条件的设定

　　(1)选取不可压缩液态水作为流动介质进行计算，其密度为998.2 kg/m3，动力粘度为 0.001 Pa·s。且假定水为粘性牛顿流体，不考虑水重力的影响，计算中在阀道内部无热传导现象。

　　(2)水流在主阀内的流动状态主要是紊流，故采用 k—ε 紊流方程进行计算，标准 k—ε 模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理得到的，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准k—ε 模型只适合湍流的流动过程模拟。

　　3 阀芯所受的总作用力理论计算

　　工作过程中，为了研究阀芯受到的总作用力，可以对阀内流体的流动设定一个与阀芯动作有关的特定空间，即取一个控制体积，把物体运动的动量定理应用于控制体积内的流体，从而求解流体流动时对阀芯的作用力。

　　根据动量定理：

　　取控制容积，分析在dt 时间内流体的动量变化d(mν)。

　　(2)式右边第一项是动量随流体流动过程中因位置变化而引起的动量的位置偏增量。

　　假定dL1和dL2上的速度υ 是均匀的，过流断面面积A 也看作是不变的。

　　(3)式是动量随时间变化而引起的动量的时间偏增量。

　　取用当量过流断面面积AD，和当量速度υD，得到：