基于多物理耦合場的固液兩相磨粒流伺服閥閥芯噴嘴拋光研究

張雷，吳紹菊，李俊燁，張心明，尹延路

（長春理工大學機電工程學院，長春　130022）

基于多物理耦合場的固液兩相磨粒流伺服閥閥芯噴嘴拋光研究

張雷，吳紹菊，李俊燁，張心明，尹延路

（長春理工大學機電工程學院，長春130022）

伺服閥閥芯噴嘴是伺服控制系統中的重要零部件，尤其是噴嘴小孔的表面質量會直接影響到整個伺服控制系統的進程，因此閥芯噴嘴要求很高的尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度。為探討磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的拋光效果，對磨粒流拋光閥芯噴嘴的加工過程進行數值模擬研究，分析了不同入口速度條件下閥芯噴嘴內磨粒流的動態壓力、速度以及湍流動能的分布狀況，研究分析了磨粒流拋光閥芯噴嘴的有效性，并對閥芯噴嘴的磨粒流拋光效果進行了預測。

伺服閥閥芯噴嘴；磨粒流拋光；數值模擬

一般閥芯噴嘴零件的尺寸比較小，但在使用的過程中要求其要具有很高的尺寸精度和形位精度以及較低的表面粗糙度值，傳統的加工工藝方法很難實現閥芯噴嘴的這種要求。而且閥芯噴嘴小孔處的表面質量會直接影響伺服閥的使用性能，當噴嘴體小孔的內壁存在毛刺、不夠光滑或者殘留有污染物時，就容易使閥芯噴嘴在射流時產生散射和螺旋現象，或是導致噴嘴體堵塞，從而對整個伺服閥控制系統造成嚴重的損害［1-3］。

磨粒流拋光技術可利用磨料介質的流動性對復雜結構的孔及型腔深孔進行拋光加工，還可以根據零件的應用要求，選取不同的磨料介質對零件進行拋光，從而獲取不同的拋光效果來滿足零件的要求［4-6］。因此可以應用磨粒流拋光技術對伺服閥的閥芯噴嘴進行拋光研磨，從而使其達到使用要求。隨著計算機、數值計算技術的迅速發展，可應用流體力學的軟件近似模擬各種流體的流動情況［7］。本文基于研究學者們在磨粒流拋光技術的理論研究基礎［8-11］，對磨粒流拋光閥芯噴嘴的加工過程進行數值模擬分析，探討了磨粒流拋光流場內的運動分布特性，并預測分析了伺服閥閥芯噴嘴內不同位置的加工效果。

1　伺服閥閥芯噴嘴的磨粒流拋光數值模擬分析

本文以磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的內通道表面為研究對象，運用流體力學軟件以流場內壓力、速度、湍流動能三個角度對噴嘴通道內固液兩相流流場的的運動分布特性進行了數值仿真模擬。基于歐拉-歐拉方法，根據閥芯噴嘴體的實際尺寸參數、磨粒流拋光工況進行數值模擬研究，經過計算求解得到磨粒流拋光閥芯噴嘴的收斂殘差曲線圖，如圖1所示。

圖1　磨粒流拋光閥芯噴嘴的收斂殘差曲線圖

由圖1可知，隨著迭代次數的增加，模型計算求解的各項參數大約迭代130次左右達到收斂，這說明了磨粒流拋光經過一段時間后達到了穩定的湍流狀態，且噴嘴磨粒流拋光求解參數和模型設置是合理的。為了進一步研究分析噴嘴體磨粒流拋光流場內連續相的運動特性，現選取相同顆粒粒徑，對不同速度入口條件下的閥芯噴嘴通道內磨粒流介質的速度、壓力以及湍流動能的分布狀態進行模擬研究。

1.1不同初始速度下的壓力分析

圖2　不同速度條件下的動壓分布云圖

為獲取速度對壓強的影響，分別選取了30m/s、40m/s、50m/s、60m/s的入口初始速度，通過數值模擬獲得了不同速度入口條件下的動壓仿真云圖，如圖2所示。

從圖2可以看出的閥芯噴嘴的小孔區域壓力變化較明顯，為了能夠更加清晰準確的分析不同速度條件下壓強的變化情況，模擬給出了不同速度條件下的動壓等值線圖，如圖3所示。

圖3　不同速度條件的動壓等值線圖

從圖3中可以清晰地看出，隨著入口速度的增大，流場內的動壓也相應的增加，且越靠近噴嘴小孔區域，動壓越大。動壓是表征運動速度的物理量，小孔區域的動壓較大，可以預測此處的流體運動比較激烈，所以小孔處的拋光效率要比其他區域高，即小孔處的去毛刺拋光效果要好。

1.2不同初始速度下的速度分析

噴嘴內磨粒流的速度分布能夠從另一方面反應磨粒流對閥芯噴嘴的作用效果，研究噴嘴磨粒流拋光過程中速度的變化時，同樣選取了30m/s、40m/s、50m/s、60m/s不同的進口速度進行數值模擬分析，獲得了速度分布云圖和速度等值線圖，如圖4、圖5所示。

通過分析圖4和圖5可以看出，小孔以及交叉孔區域速度的改變比較明顯，這主要是由于孔徑通道的尺寸變化而導致的。當磨粒流介質流經噴嘴體的小孔及交叉孔區域時，由于小孔及交叉孔區域的通道突然變的狹窄，會導致速度的急劇增加，繼而顆粒的動量增加，使得磨料顆粒在加工壁面產生很大的磨削作用，從而導致小孔及交叉孔處的微磨削作用比較明顯。

圖4　不同速度條件下的速度分布云圖

圖5　不同速度條件的速度等值線圖

1.3不同初始速度的湍流動能分析

湍流動能是湍流強度的度量，可以衡量湍流的發展和衰退，以及衡量湍流的混合能力。通過數值模擬獲取了不同初始速度條件下的湍流動能云圖和湍流動能等值線圖，如圖5和圖6所示。

從圖5以及圖6的湍流動能數值模擬結果可以看出，閥芯噴嘴交叉孔及小孔區域的湍流動能遠大于噴嘴主干通道，這表明磨粒流拋光閥芯噴嘴時，研磨介質在噴嘴的微小孔及交叉孔處較為活躍，有利于對噴嘴小孔及交叉孔進行去毛刺、倒角作用，從而實現了磨粒流光整加工，提高了噴嘴小孔及交叉孔的表面質量。

圖5　不同速度條件下的湍流動能云圖

圖6　不同速度條件下的湍流動能等值線圖

2　結論

依據磨粒流拋光特性和伺服閥閥芯噴嘴的特點，應用Ansys軟件對磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的過程進行了數值仿真模擬，通過研究分析，獲得分析結果如下：

（1）應用磨粒流拋光技術可以實現對伺服閥閥芯噴嘴的光整加工，根據分析可預測磨粒流對于伺服閥閥芯噴嘴的小孔及交叉孔區域的拋光效果要比對主干通道的拋光效果要好。

（2）通過對比分析不同速度入口條件下的動態壓力、速度以及湍流動能的分布云圖以及等值線圖可知，當初始入口速度增大時，噴嘴內的動態壓力、速度以及湍流動能也隨之增大。因此在磨粒流拋光過程中可通過適當的增加其入口速度來獲得較好的拋光效果。

［1］陳彬，易孟林.電液伺服閥的研究現狀和發展趨勢［J］.液壓與氣動，2005（6）：5-8.

［2］郭威.雙噴嘴擋板伺服閥內部流場的數值模擬分析［D］.山西：太原理工大學，2010.

［3］胡洋.伺服閥小孔零件自動配對測量技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［4］李俊燁，許穎等.非直線管零件的磨粒流加工實驗研究［J］.中國機械工程，2014，25（13）：1729-1733.

［5］李俊燁，劉薇娜，楊立峰，等.噴油嘴微小孔磨粒流加工特性的數值模擬［J］.煤礦機械，2010，31（10）：56-58.

［6］JunyeLi，WeinaLiu，LifengYang，FengyuSun. Study of abrasive flow machining parameter optimizationbasedonTaguchiMethod［J］.Journalof Computational and Theoretical Nanoscience，2013，10（12）：2949-2954.

［7］韋李娜，王燕飛，等.基于CFD的汽車離心水泵性能分析［J］.長春理工大學學報，2014，37（5）：83-86.

［8］李俊燁，劉薇娜，等.噴油嘴微小孔磨粒流加工特性的數值模擬［J］.煤礦機械，2010，31（10）：56-58.

［9］譚援強，李藝.磨粒流加工的固液兩相流模型及壓力特性分析［J］.中國機械程，2008，19（4）：439-497.

［10］計時鳴，王嘉琦，等.軟性磨粒流中顆粒碰撞和顆粒體積分數對磨削效果的影響［J］.應用基礎與工程科學學報，2013，21（5）：927-937.

［11］李俊燁，王興華，等.固液兩相流體流速熱力學分析［J］.制造業自動化，2015，37（6）：82-85.

The Abrasive Flow Polishing Research of Servo Valve Core in the Physical Coupling Field of Solid-liquid Two-phase

ZHANG Lei，WU Shaoju，LI Junye，ZHANG Xinming，YIN Yanlu
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Servo valve core nozzle is the important component in servo-control system.Especially the surface quality of nozzle holes，it will directly affect the whole process of servo control system.So the dimensional accuracy，form and position accuracy and surface roughness for valve core nozzle should be more exact.To study the quality of servo valve core nozzle after abrasive flow polishing，the paper performs the numerical simulation research for the abrasive flow polishing process of the nozzle of valve core and analyzes the distribution of dynamic pressure，velocity and turbulent kinetic energy in different entrance velocity.The study analyzes the effectiveness of the abrasive flow polishing nozzle valve core，as well as the nozzle valve core of abrasive flow polishing effect prediction.

Servo valve core nozzle；abrasive flow polishing；numerical simulation

TH117.1

A

1672-9870（2016）04-0087-03

2016-02-14

國家自然科學基金資助項目（51206011）；吉林省科技發展計劃資助項目（20130522186JH，20160101270JC）

張雷（1978-），男，副教授，E-mail：zhanglei@cust.edu.cn