液压滑阀阀芯旋转现象的CFD解析

　　0　前言

　　液压阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件。在液压控制系统中,液压阀控制着系统中液流的压力、流量和方向,因此液压阀的性能对整个系统的性能起着至关重要的作用。同时,滑阀在液压控制系统中的应用非常普遍,是产生能耗的主要元件,因此对滑阀进行深入的研究,实现滑阀结构的优化设计,提高滑阀的操作性能,就显得十分必要。

　　液压滑阀的操作过程,理论上是控制阀芯以一定的方式运动。而在液压系统中常出现作用于阀芯上的流体力大于控制力而使阀芯动作失效的情况。在实验中观察发现一些带槽孔的滑阀中经过大流量时,阀芯出现旋转的现象,在某些情况下转速甚至高达1200r/min。阀芯的旋转产生一系列不利影响:①损坏滑阀的端面;②破坏定位弹簧;③改变滑阀的控制特性,从而使滑阀操作性变差,影响整个液压系统的工作性能。本文即是应用CFD方法从阀内流场的速度和压力分布以及作用于阀芯上的流体力出发,分析产生旋转现象的原因,对防止滑阀旋转并进行滑阀流道结构的优化设计具有重要的实际意义。

　　1　滑阀的CFD模型及计算条件

　　1·1　阀芯结构及计算区域

　　图1所示为所研究的滑阀的结构简图,其主要参数如表1所示。阀芯为空心圆柱体,油液经流道入口由四个直径相等的圆孔流入阀芯,在阀芯出口处节流,经出口八个圆孔流入外流道,图中箭头所示为流体的流动方向,阀内流体的实际流动是三维的。在理论上当滑阀结构对称时,作用于阀芯上的扭矩应为零,但是对于本文所讨论的模型,在考虑出口流道时,滑阀的结构并不是对称的。

　　1·2　计算模型的建立和网格划分

　　本文以滑阀阀口开度x=6·5mm为例进行流体分析。为了分析滑阀结构对作用于阀芯的旋转扭矩的影响,本文还建立了另外两个不同结构的滑阀模型,并运用有限体积法将三个模型划分成数个六面体单元。模型的网格结构如图2 (a)、图2 (b)、图2 (c)所示。与模型Ⅰ相比,模型Ⅱ的阀芯为圆柱体结构,进出口与模型Ⅰ相同;而模型Ⅲ的出口设置为整个柱面,是完全对称的结构。网格的划分数如表2所示。

　　1·3　计算条件

　　由于对滑阀进行的是静态分析,因此在数值计算过程中,可以对上述三种模型作如下的解析假定:

　　(1)流动介质为液压油,其参数如表3所示。

　　(2)流体为牛顿流体(即速度梯度变化时,动力粘度μ不变)。

　　(3)通过计算,此模型中的雷诺数Re=v·D /υ=

　　17331,远大于临界雷诺数Recri(2000~3000),因此模型中油液的流动状态主要是紊流,故满足k-ε紊流方程,其方程如下: