基于流场仿真的多路阀流道结构优化设计

　　1 前 言

　　多路换向阀简称多路阀, 它是以两个以上换向阀为主体, 集换向阀、单向阀、过载阀、补油阀和制动阀等于一体的多功能集成阀[1]。无论是整体式多路阀还是片式多路阀, 其内部流道结构复杂, 如何进行流道优化设计, 提高加工工艺可行性, 从而减少大流量时的压力损失和提高系统压力, 增大工程机械的系统压力和节约系统能量, 成为设计过程中比较棘手的问题。目前国内多路阀产品流道设计还处于经验和参考设计阶段, 采用传统的试验表格粗略计算。沿程阻力损失计算是根据标准试验条件下的管道形式确定雷诺数, 从而根据经验数据判断流动状态, 最终确定沿程阻力系数; 而局部阻力损失是根据标准试验条件下的管道入口、出口或扩口形式确定局部阻力系数。由于沿程阻力损失和局部阻力损失是根据管内平均流速和标准试验条件而来,因此忽略了局部流速过高或过低产生的局部高压区或低压区甚至负压区, 进而形成流体噪声与过多能量损失问题。

　　计算流体力学是根据三大定理———质量守恒定理、动量守恒定理和能量守恒定理的数学方程描述欧拉方程与纳维- 斯托克斯方程, 采用数值计算方法求解, 从而研究流体运动特性和给出流体运动空间的定常流动或非定常流动规律[2]。ANSYS 公司收购了 ICEM CFD 和 CFX, 拓宽了 ANSYS 的应用领域, 提升了其在流场仿真和流固耦合中的地位。本文采用 ANSYS ICEM 划分网格、ANSYS CFX 求解来对多路阀桥路进行优化设计, 从而为多路阀的流道设计提供了一种新途径, 具有重要的工程意义。

　　2 流道结构优化

　　2.1 多路阀主阀体

　　针对传统六通多路阀容易受系统压力影响、负载变化时操作不稳定的缺点, 研究人员根据二通调速阀的原理, 发展了带二通压力补偿器的四通多路阀。压力补偿控制, 实质是通过消耗一部分能量, 来换取工作节流阀口的压差基本不变。图 1 所示的桥路实际上是将先节流后减压的液压油通向执行机构, 这种桥路结构解决了以前老产品需要采用单向阀梭阀将同一联中的两个负载油口压力相比较再取出的问题。当负载出现加速下坠时, 单向阀或梭阀结构容易将背压侧的油压误作负载敏感油路反馈到三通压力补偿器或负载敏感泵的敏感腔, 而桥路结构不会出现这种情况。

　　2.2 优化前后的桥路油道几何结构

　　为了比较对桥路圆弧过渡与不用圆弧过渡而产生的流场差别, 特设计了两种桥路结构, 其尺寸分别如图 2 和图 3 所示。可以从图对比看出, 优化前后几何尺寸的主要差别在于上方用两个 R10 圆弧进行过渡, 下方用两个 R20 圆弧过渡, 其侧面四角用 R1 倒圆。