面向多學(xué)科交叉的液壓滑閥動態(tài)數(shù)字化建模

吳小鋒　干為民　劉春節(jié)　胡少剛　王曉軍

常州工學(xué)院,常州,213002

面向多學(xué)科交叉的液壓滑閥動態(tài)數(shù)字化建模

吳小鋒干為民劉春節(jié)胡少剛王曉軍

常州工學(xué)院,常州,213002

為了解決工程機(jī)械復(fù)雜工況下難以準(zhǔn)確建立液壓滑閥動態(tài)模型的問題，提出了面向多學(xué)科交叉的液壓滑閥數(shù)字化建模方法。考慮內(nèi)部流體動力學(xué)對滑閥系統(tǒng)的影響，利用CFD方法對滑閥工作時(shí)的內(nèi)部動態(tài)耦合過程進(jìn)行了解析，分析了滑閥動態(tài)工作過程中過流截面面積、流量系數(shù)、液動力隨閥芯位移的變化規(guī)律,并將它們作為滑閥數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邊界載荷和輸入?yún)?shù)。同時(shí)，在流體動力學(xué)解析模型的基礎(chǔ)上利用AMESim搭建了基于功率鍵合圖的液壓滑閥工作模型，對滑閥進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)，分析了不同的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對滑閥性能的影響。最后，進(jìn)行了液壓滑閥的臺架實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

液壓滑閥;數(shù)字化設(shè)計(jì);動態(tài)特性;多學(xué)科

0　引言

液壓滑閥被廣泛應(yīng)用于工程車輛、機(jī)床、飛機(jī)、船舶等機(jī)械產(chǎn)品中,其主要作用為控制內(nèi)部流體介質(zhì)的方向和流量。在大部分儀器和設(shè)備的應(yīng)用中，尤其要求高精度、高壓、高可靠性的精密機(jī)械中,要求滑閥工作性能可靠、操縱性能穩(wěn)定且響應(yīng)速度快[1]。由于滑閥內(nèi)部流體與固體互為邊界，滑閥在工作過程中存在高度非線性流固耦合,影響著滑閥的工作性能，單獨(dú)的固體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或流體設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)滑閥的整體性能,因此,要對液壓滑閥進(jìn)行精確建模就必須考慮滑閥內(nèi)部多學(xué)科交叉帶來的一系列耦合問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外對液壓滑閥的研究越來越多,大致可以分為兩大類別:一是避開內(nèi)部流體特征直接從滑閥性能設(shè)計(jì)出發(fā)，選擇一些靜態(tài)的流體特性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式,構(gòu)建滑閥的數(shù)字化模型;二是單研究液壓滑閥內(nèi)部流體特性,通過流體動力學(xué)特征來反應(yīng)滑閥性能[2]。基于眾多研究結(jié)果，本文融合滑閥流體動力學(xué)特性與滑閥整體數(shù)字化系統(tǒng),在流體動力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上建立滑閥動態(tài)數(shù)字化模型，有效地解決了多學(xué)科交叉帶來的流固耦合問題，并以實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證其正確性與可行性。

1　液壓滑閥內(nèi)部流體動態(tài)特性分析

1.1液壓滑閥流體動力學(xué)模型

以典型的三位四通滑閥為例,對滑閥工作原理進(jìn)行分析,如圖1所示,它主要由閥體、閥芯、閥腔、運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈簧等阻尼元件組成。當(dāng)執(zhí)行元件接受移動信號時(shí)，驅(qū)動閥芯左右移動，執(zhí)行接通或關(guān)閉油路操作;當(dāng)無移動信號時(shí),由于閥芯兩端彈簧作用，閥芯處于中位的平衡靜止?fàn)顟B(tài)。

圖1　滑閥實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

由于多腔開啟和關(guān)閉過程重復(fù),故不失一般性地選擇兩腔開啟過程進(jìn)行模擬[3-4],利用三維建模軟件UG建立滑閥內(nèi)部三維流體模型,如圖2所示。滑閥從關(guān)閉到開啟的行程為0～4 mm,再到關(guān)閉的行程為4～8 mm。

圖2　滑閥三維流體模型及平面結(jié)構(gòu)顯示

圖3　滑閥流道模型網(wǎng)格劃分

將UG模型導(dǎo)出通用的step模型文件,利用Gambit導(dǎo)入模型,并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示。定義進(jìn)口為流量進(jìn)口,出口為壓力出口,定義中間圓柱體流體為運(yùn)動區(qū)域,并定義其與兩腔的Interface接觸面,其余各面默認(rèn)設(shè)置為wall,最后導(dǎo)出mesh文件。

1.2液壓滑閥流體動力學(xué)解析

利用專業(yè)流體動力學(xué)解析軟件Fluent,導(dǎo)入網(wǎng)格mesh文件,檢查網(wǎng)格并定義流體屬性為0#液壓油,牛頓流體,不可壓縮,密度ρ為889 kg/m3,運(yùn)動黏度為29 mm2/s,流體狀態(tài)為湍流,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。滑閥動態(tài)工作過程采用動網(wǎng)格技術(shù),利用C語言編寫宏函數(shù)Define_CG_Motion,定義進(jìn)口壓力為10 MPa,出口壓力為0。設(shè)置求解算法為Simple算法,離散格式為一階迎風(fēng),求解類型為非穩(wěn)態(tài)流，仿真步長為0.002 s，總步數(shù)為35步。最后經(jīng)過迭代計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。

圖4　滑閥流道整體與軸向截面壓力分布

2　基于流體動態(tài)特性的滑閥數(shù)字化建模

2.1閥口節(jié)流面積

一般滑閥閥口存在多個(gè)狹小節(jié)流槽,有三角槽、U形槽、球坑槽等。動態(tài)過程和形狀不規(guī)則給滑閥閥口面積的預(yù)測和設(shè)計(jì)帶來一定困難，本文根據(jù)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)與流動特征來確定不同形式節(jié)流槽閥口面積[5]。分別比較滑閥從關(guān)閉到打開再到關(guān)閉過程中三種結(jié)構(gòu)的閥口過流截面變化。

這里暫取流量系數(shù)為一個(gè)平均值0.65,根據(jù)閥口流量-壓差關(guān)系，反推得到閥口節(jié)流面積仿真值,如圖5所示。此處存在進(jìn)油與出油兩個(gè)閥口，當(dāng)滑閥從左向右移動時(shí),進(jìn)油口閥口由大到小,出油口閥口由小到大。當(dāng)兩個(gè)串聯(lián)閥口面積相差很大時(shí)，過流面積近似等于小閥口的閥口面積，計(jì)算公式為

A=min(A1,A2)0≤x≤2 mm或

6 mm≤x≤8 mm

(1)

式中,A1、A2分別為進(jìn)出油閥口面積。

圖5　滑閥閥口節(jié)流面積的變化

當(dāng)兩個(gè)串聯(lián)閥口面積相差不大時(shí),將兩閥口當(dāng)做串聯(lián)閥口，計(jì)算公式為

5 mm≤x≤6 mm

(2)

通過CFD模擬可知:當(dāng)閥口開度較小時(shí),閥口前后存在壓差,閥口起到明顯的節(jié)流作用;當(dāng)閥口開度較大時(shí),閥口前后壓差很小。當(dāng)3 mm≤x≤5 mm時(shí),閥口開度較大,A=0;當(dāng)0≤x≤2 mm或6 mm≤x≤8 mm時(shí),利用小閥口節(jié)流面積計(jì)算公式計(jì)算;當(dāng)2 mm≤x≤3 mm或5 mm≤x≤6 mm時(shí),利用閥口節(jié)流面串聯(lián)公式計(jì)算。最后獲得三種閥口節(jié)流面積隨閥芯位移變化曲線,如圖5所示。

從圖5中可以看出,當(dāng)閥口開度比較小時(shí)，U形和V形槽閥芯節(jié)流面積比較大，且隨著閥芯移動變化比較平緩，而無槽閥芯滑閥當(dāng)閥芯從剛開啟到開啟較大的過程中其閥口節(jié)流面積變化較大，幾乎呈線性變化。所以，在閥芯上開節(jié)流槽可以有效地起到節(jié)流作用，使得瞬時(shí)變化平緩，緩減壓力突變和沖擊。

為了便于數(shù)字化設(shè)計(jì)建模，對圖5閥口節(jié)流面積變化曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得三種不同類型閥芯閥口節(jié)流面積關(guān)于閥芯位移的三次多項(xiàng)式。

U形槽口閥芯(mm2)：

(3)

V形槽口閥芯(mm2)：

(4)

無槽閥芯(mm2)：

(5)

2.2滑閥流量系數(shù)

滑閥流量系數(shù)可通過測試滑閥出口流量和過流截面面積來求解[6],計(jì)算式為

(6)

式中，Q為閥口流量；ρ為流體密度；pi為閥進(jìn)口壓力；po為閥出口壓力。

經(jīng)過計(jì)算可得三種不同類型閥芯對應(yīng)的滑閥隨著閥芯移動時(shí)的流量系數(shù)變化情況，如表1所示。

表1　不同結(jié)構(gòu)閥芯滑閥的流量系數(shù)

為了便于數(shù)字化建模,利用三次函數(shù)對Cv進(jìn)行擬合,得到不同閥芯結(jié)構(gòu)的Cv關(guān)于閥芯橫向位移x的多項(xiàng)式,可以獲得三種類型閥芯對應(yīng)的流量系數(shù)關(guān)于閥芯位移的多項(xiàng)式。

無槽閥芯滑閥：

Cv=0.0147x2-0.1139x+0.7833

(7)

V形槽閥芯滑閥：

Cv=0.0129x2-0.1043x+0.7881

(8)

U形槽閥芯滑閥：

Cv=0.0123x2-0.0939x+0.776

(9)

2.3滑閥液動力

滑閥液動力是引起滑閥換向過程中沖擊和振動的主要因素之一,尤其是瞬態(tài)液動力[7-9]，其非線性特征導(dǎo)致它無法被控制和掌控，它是由于滑閥開啟或關(guān)閉瞬間壓力突變所引起的,與流體動力學(xué)密切相關(guān)。

當(dāng)流體從閥口流出時(shí)，瞬態(tài)液動力的方向與閥芯的移動方向相反，阻止閥芯的移動，為正阻尼；當(dāng)流體從閥口流入時(shí)，瞬態(tài)液動力的方向與閥芯的移動方向相同，助長閥芯的移動，為負(fù)阻尼。本文對三種閥芯結(jié)構(gòu)類型的滑閥動態(tài)工作過程中的瞬態(tài)液動力進(jìn)行了解析，這里給出滑閥兩腔由打開到關(guān)閉過程中瞬態(tài)液動力大小隨著閥芯位移的變化曲線,如圖6所示。

圖6　滑閥瞬態(tài)液動力隨著閥芯位移的變化規(guī)律

同樣利用多項(xiàng)式擬合方法對壓差分別為20 MPa、15 MPa、10 MPa時(shí)的瞬態(tài)液動力進(jìn)行定量化計(jì)算，表達(dá)式如下：

F=4×10-5x5-0.0043x4+0.1938x3-

4.1661x2+37.293x-40.039(N)

(10)

F=2×10-5x5-0.0017x4+0.0775x3-

1.6664x2+14.917x-16.016(N)

(11)

F=8×10-6x5-0.001x4+0.0431x3-

0.9258x2+8.2873x-8.8977(N)

(12)

3　滑閥數(shù)字化仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1基于AMESim的液壓滑閥數(shù)字化仿真

以典型的三位四通滑閥為例,利用AMESim軟件的HCD庫構(gòu)建三位四通電磁滑閥的仿真模型,對于滑閥閥芯選擇無槽閥芯類型并采用HCD單自由度質(zhì)量塊模型,閥腔采用隨位移變化的可變節(jié)流面積閥塊模型,閥端的彈性阻尼部分采用彈簧柱塞模型，電磁閥部分采用信號庫直接轉(zhuǎn)化為滑閥位移信號和扭矩轉(zhuǎn)換模塊,通過鍵合圖理論將各模塊有效地組合,將流體特性分析結(jié)果中的流量系數(shù)、過流面積、瞬態(tài)液動力通過參數(shù)設(shè)置融入整個(gè)滑閥系統(tǒng)中,從而構(gòu)建面向多學(xué)科交叉的滑閥動態(tài)仿真模型[10],如圖7所示。

圖7　面向多學(xué)科交叉的液壓滑閥數(shù)字化模型

根據(jù)液壓滑閥工作條件與自身性能特征要求,對滑閥數(shù)字化模型中的各組成模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置,如表2所示。并定義滑閥閥芯開啟速度v=1 m/s,滑閥位移設(shè)定為X,在AMESim中定義X為全局變量。

3.2液壓滑閥實(shí)驗(yàn)測試分析

為了驗(yàn)證數(shù)字化模型與仿真結(jié)果的正確性，對三位四通液壓滑閥進(jìn)行了臺架實(shí)驗(yàn)測試，測試目標(biāo)為滑閥出口流量、出口壓力、閥芯位移等動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。測試原理如圖8所示，換向滑閥進(jìn)口由液壓泵供油，負(fù)載接溢流閥，調(diào)定溢流閥壓力作為滑閥出口壓力，在出口與進(jìn)口安裝壓力傳感器。為了測試滑閥動態(tài)工作過程中,內(nèi)部流體動力學(xué)特性以及閥芯動力學(xué)特性,安裝了LVDT激光位移傳感器，測試滑閥閥芯的運(yùn)動規(guī)律,圖9實(shí)驗(yàn)測試過程。

3.3實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對比分析

本文構(gòu)建數(shù)字化模型是為了反應(yīng)滑閥的動態(tài)性能，這里將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,圖10～圖12所示為滑閥從關(guān)閉到以速度為1 m/s速度開啟至2 mm時(shí)停止,滑閥出口流量、閥芯橫向位移以及彈簧力變化的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。

由圖10和圖11可見,在滑閥開啟瞬間由于流體動態(tài)特性,滑閥出口流量與橫向位移會有較大的波動,隨后趨于穩(wěn)態(tài)，另外從圖12可以看出仿真模型中滑閥彈簧力在開啟瞬間，由于瞬態(tài)液動力作用阻止滑閥開啟，導(dǎo)致彈簧力反而減小，當(dāng)開啟至2 mm處突然停止時(shí)，又由于瞬態(tài)液動力阻止滑閥停止，導(dǎo)致彈簧力達(dá)到峰值105 N,隨后下降，最后趨于穩(wěn)定。因此，仿真數(shù)據(jù)在滑閥移動瞬時(shí)反映了滑閥內(nèi)流體動態(tài)特性，并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。從而驗(yàn)證該仿真手段和數(shù)字化模型的正確性，為滑閥動態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

表2　滑閥數(shù)字化模型參數(shù)設(shè)置對應(yīng)表

圖8　換向滑閥動態(tài)工作過程實(shí)驗(yàn)測試原理

圖9　換向滑閥動態(tài)工作過程實(shí)驗(yàn)測試過程

圖10　換向滑閥出口流量實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對比

圖11　換向滑閥閥芯橫向位移實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對比

圖12　仿真模型中彈簧力變化

4　結(jié)論

(1)利用計(jì)算流體動力學(xué)方法對滑閥工作過程時(shí)內(nèi)部流體進(jìn)行了動態(tài)模擬和動力學(xué)解析，獲得了閥口節(jié)流面積、流量系數(shù)以及開啟和關(guān)閉過程中閥芯所受瞬態(tài)液動力隨滑閥閥芯位移的變化規(guī)律,并進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，將它們表達(dá)為關(guān)于滑閥閥芯位移的多項(xiàng)式。

(2)構(gòu)建了基于AMESim的滑閥動態(tài)工作模型，并將閥口節(jié)流面積、流量系數(shù)、瞬態(tài)液動力模型引入整個(gè)滑閥工作模型中，建立了面向多學(xué)科交叉的滑閥數(shù)字化模型，并進(jìn)行了仿真解析。

(3)搭建了液壓滑閥實(shí)驗(yàn)平臺,借助于現(xiàn)代測控技術(shù)測量了滑閥的動態(tài)性能,比較了仿真模型與實(shí)驗(yàn)測試中滑閥出口流量、滑閥閥芯運(yùn)動規(guī)律等數(shù)據(jù),驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性,可以通過該仿真模型對滑閥動態(tài)性能進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測。

[1]Liu Yinshui,Yang Yousheng,Li Zhuangyun.Research on the Flow and Cavitation Characteristics of Multi-stage Throttle in Water-hydraulics[J].

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part E:Journal of Process Mechanical En-gineering,2006,220(2):99-108.

[2]趙蕾.閥芯運(yùn)動過程液壓滑閥內(nèi)部流場的CFD計(jì)算[D].太原:太原理工大學(xué),2008.

[3]王安麟,吳小鋒,周成林,等.基于CFD的液壓滑閥多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,44(12):1767-1772.

Wang Anlin,Wu Xiaofeng,Zhou Chenlin,et al.Multidisciplinary Optimization of a Hydraulic Slide Valve Based on CFD[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2010,44(12):1767-1772.

[4]冀宏,王東升,劉小平,等.滑閥節(jié)流槽閥口的流量控制特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(1):198-202.Ji Hong,Wang Dongsheng,Liu Xiaoping,et al.Flow Control Characteristic of the Orifice in Spool Valve with Notches[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(1):198-202.

[5]冀宏,傅新,楊華勇.幾種典型液壓閥口過流面積分析及計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2003,5(5):14-16.

Ji Hong,Fu Xin,Yang Huayong.Analysis and Calculation on Typical Shape Orifice Areas in Hydraulic Valves[J].Machine Tool and Hydraulics,2003,5(5):14-16.

[6]王東升.節(jié)流槽滑閥閥口流量系數(shù)及穩(wěn)態(tài)液動力計(jì)算方法的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2008.

[7]Nguyen-Schaefer H,Sprafke P,Mittwollen N.Study on the Flow in a Typical Seat Valve of Mobil Hydraulics[J].SAE Special Publications,1997,1229:11-22.[8]Amirante R,Vescovo G,Lippolis A.Flow Force Analysis of an Open Center Hydraulic Direction Control Valve Sliding Spool[J].Energy Conversion and Management,2006,47:114-131.

[9]Amirante R,Vescovo G,Lippolis A.Evalution of Thflow Force on an Open Centre Directional Control Valve by Mean of a Computational Fluid Dynamic Analysis[J].Energy Conversion and Management,2006,47:1748-1760.

[10]候敏.液控滑閥閥芯運(yùn)動特性的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

(編輯袁興玲)

Digital Modeling of Hydraulic Slide Valve Based on Mutildisciplinary

Wu XiaofengGan WeimingLiu ChunjieHu ShaogangWang Xiaojun

Changzhou Institute of Technology,Changzhou,Jiangsu,213002

A digital design method multidisciplinary oriented was put forward herein to build the accurate model of hydraulic valve of engineering machinery which was often under the complex conditions.The computational fluid dynamics(CFD) method was used to analysize dynamic coupling in the slide valve,the change values of flow section,flow coefficient,and dynamic hydraulic force were gotten for the input parameters and boundary load of the digital design system.A power pond graph software AMESim was used to build the digital model of slide valve and analyze the performance by different structures parameters.Finally,a bench experiment was built and run to verify the precision of the simulation model.

hydraulic slide valve;digital design;dynamic characteristics;multidisciplinary

2013-07-03

2014-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305049)；江蘇省教育廳自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(13KJD460003)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.013

吳小鋒,男,1982年生。常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院博士、講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與方法。發(fā)表論文10余篇。干為民，男,1960年生。常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教授、博士。劉春節(jié),男,1972年生。常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。胡少剛,男,1977年生。常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授。王曉軍,女,1976年生。常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授。