基于動網格技術的滑閥液動力分析

袁俊 蔡佳敏

摘? ?要：文章以某三級電液伺服閥為研究對象，在0～3 mm的閥開口量范圍內，研究其主閥在不同時刻的動態壓力特性。文章基于CFD動網格仿真技術，根據已有結構尺寸，利用ICEM建立了主閥的二維仿真模型，得到主閥在不同時刻所受的力，分析在不同工作壓力下閥的受力影響，為功率級滑閥的設計提供參考。

關鍵詞：動網格;瞬態液壓力;Fluent平臺

電液伺服閥是連接液壓部分和電氣部分的橋梁，集機械、電氣、液壓及控制技術于一體，能將輸入的電信號轉變為液壓信號，驅動執行元件作為液壓伺服系統的核心元件。其性能的好壞對整個伺服控制系統的性能優劣有重要的影響。然而，對于實際三級電液伺服閥滑閥而言，其結構形式多種多樣，尺寸千差萬別，再加上難以觀察到液流流過滑閥閥口的流動狀態，通過實驗來分析影響液流流態的各種因素十分困難。

仿真技術是解決該類問題的一個重要研究途徑。Fluent軟件中的動網格技術能夠有效地解決計算域內物體運動的問題，主要使求解過程中的網格發生運動和不斷更新、變化，從而解決瞬態仿真問題。運用動網格技術解決瞬態問題，可以極大地減少建模時重復的工作量，且仿真結果更直觀、更接近實際情況。因此，本文使用Fluent軟件對三級電液伺服閥功率級主閥在開啟時所受的力進行數值仿真研究，為三級電液伺服閥主閥結構設計提供指導。

1? ? 滑閥ICEM模型及計算條件

1.1? 模型設置

本文研究的三級電液伺服閥額定流量為1 000 L/min，閥芯行程為3.0 mm，閥芯和閥套的控制節流邊按全周節流邊設計。三級電液伺服閥主閥結構如圖1所示。該閥有左右對稱的兩個主閥腔，每個閥腔為對稱結構，為減少計算量，取單個閥腔的1/2建立二維模型，并進行網格劃分。模型整體的尺寸為20×50 mm，閥口最小開口量只有幾百微米，而且本模型不是規則的幾何模型，在仿真過程中，采用整體劃分網格的話會發生網格畸變，因此，采用分塊結構網格進行網格劃分[1]。

理想網格劃分和邊界條件設置如圖2所示，是閥開口量為3 mm時閥芯閥套之間的過流空間。油液由P口流入，從A口流出，P口和A口的邊界條件分別為壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件。

實際網格劃分如圖3所示。采用結構化網格劃分，最大網格尺寸為0.3 mm，最小網格尺寸為0.2 mm，左右兩個網格區域分兩次畫出。

1.2? 仿真條件與參數選取

本文中功率級滑閥閥芯直徑d1=30 mm，閥桿直徑d2=18 mm，閥芯最大位移xmax=3 mm。針對此模型的仿真在分析問題允許的誤差范圍內，若僅考慮對結果影響較大的主要因素，忽略次要因素，則對計算模型的仿真研究提供了如下假設。

（1）假設伺服閥用滑閥為理想滑閥結構，即認為滑閥所有的節流邊為直角形狀且具有尖銳的棱邊，閥芯與閥體之間配合完美，無配合間隙，不可能發生泄漏。

（2）仿真中所用流體為牛頓流體，流體在壓力作用下不可壓縮。

（3）不考慮配合件之間的摩擦及摩擦與節流升溫對伺服閥用滑閥內流場的影響。

本文以壓力入口和壓力出口為邊界條件，根據所選閥空載時壓力參數設定計算參考值分別為Pin=7 MPa，Pout=3.5 MPa。通過選定的閥的頻率特性曲線，根據時間步長設置，初步設定滑閥運動速度V=1 mm/s為計算的初始條件。為了使仿真更加準確和便于計算，選定水作為內部流體，其密度ρ=916.8 kg/m3，運動粘度μ=0.002 98 Pa·s，熱傳導系數k=0.62 W/m·K。

2? ? 動網格及相關程序設置

2.1? 動網格設置

動網格技術被應用于計算運動邊界問題。通過預先指定線速度或角速度來實現邊界的運動，通過迭代前一步的計算結果實現運動。在計算前，必須先定義網格的初始狀態，在邊界運動后，其流域的網格更新遵循用戶選擇的更新方式在Fluent內自動完成。

本文研究滑閥在運動時所受的力，仿真內部計算域是隨著時間發生變化的，屬于非穩態問題。因此，本文決定利用動網格仿真技術，通過用戶自定義函數來定義邊界的運動規律，最終模擬仿真。對比動網格的幾種更新方式，結合所建立的網格模型，采用動態層更新法[2]來實現動網格更新，并選用常值比例法進行網格的切割，采用默認設置即可，即分裂因子為0.40，收縮因子為0.04。

2.2? 用戶自定義函數與程序編寫

UDF是Fluent軟件提供的一個用戶接口，必須在C語言編譯器內編寫，然后導入到Fluent軟件中編譯并加載，UDF的基本功能有指定邊界條件、定義材料屬性、修改源項、定義網格運動等。

本文采用DEFINE_CG_MOTION宏函數，可以實現對特殊動態域移動的定義。本文主要是給定其中一條邊一個速度，達到開口增大的目的。UDF程序如下。

#include

#include”udf.h”

DEFINE_CG_MOTION（valve，dt，cg_vel，cg_omega，time，dtime）

{

if（time<=3）

cg_vel[0]=1.0;

else

cg_vel[0]=0.0;

}

該宏中cg_vel指平動速度，cg_omega指轉動速度，二者都是矢量，cg_vel[0]就是cg_vel的x方向的分量。以此類推，可以知道，cg_vel[1]和cg_vel[2]分別是cg_vel的y和z方向的分量，若是速度值定義為負的，則速度方向沿軸的負方向。cg_omega的分量也可以按照相同的方法定義。在程序中，time指運動時間，當運動時間小于3 s時，所定義邊的x方向的運動速度為1 m/s，若是超過該時間，則速度變為0。

2.3? 仿真計算中殘差及時間步長設置

（1）殘差值的設置。將閥內流場中速度、湍流動能、湍流散耗率的殘差精度均設置為0.001。當以上參數的殘差精度都達到0.001時，即可認為計算達到收斂要求，本文是瞬態問題，只要當開口到達3 mm，即停止仿真，默認為達到收斂。

（2）時間步長的設置。在仿真過程中，避免網格負體積的產生是需要注意的問題，負體積的產生與許多因素有關[3]，如網格的劃分、塊的劃分和時間步長設置。時間步長的設定是根據用戶的計算需要，先粗略算出特征長度除以特征速度的值，一般來說，比計算的值小2～3個數量級即可作為時間步長。本文特征長度/特征速度為3 s，通過仿真，結合迭代次數，設定總迭代100次，時間步長設定0.03 s。

3? ?仿真結果分析

3.1? 滑閥不同時刻所受力的分析

按照上文建立模型并設置好參數后，運行仿真模型，即可得到仿真模型中每個邊受到的力，可得出閥芯在不同時刻所受液動力的大小。在油溫為27 ℃、工作壓力為7.0 MPa（出口壓力為3.5 MPa）的環境下進行仿真。

根據仿真結果，繪制出液動力與時間即開口量之間的關系曲線，如圖4所示。在繪制時考慮了液動力的符號。實際上，整個仿真過程都是以閥芯的右移為正方向的，仿真結果為負值時，表明液動力方向向左，為正值時方向向右。

由圖4可知，滑閥所受的液動力與時間（開口量）呈非線性關系。在時間為0.03～0.45 s，即開口量為0.60（初始開口量設定為0.60 mm）～1.05 mm區域內滑閥受的液壓力隨著開口量的增加而減小。這是因為在此區域液流狀態完成了從附壁流到自由流的轉變，由于附壁流的流量系數大于自由流的流量系數，流量系數減小剛好抵消了閥開口量增加的影響。當時間為0.45～1.35 s時，受力增加，因為隨著開口量的增加，流量會逐漸增多，導致滑閥受力增加。在時間為1.35～3.00 s時，所受力開始減少此時滑閥的另一臺肩開始受到流體的沖擊，受到與初始臺肩相反的力，使得滑閥受到的合力減小，最終使得滑閥受到相左的合力。仿真結果表明：滑閥所受的液動力很大，最大時壓強能到1.2 MPa。

3.2? 不同工作壓力對液動力的影響

實際上，電液伺服閥的使用場合和工作的環境多種多樣，需要改變環境變量，探究不同工況下滑閥所受的液壓力。

保持滑閥閥口的壓降不變，液壓油的溫度27 ℃不變，只改變進口處的壓力值，分別取工作壓力為5、7、9 MPa。根據仿真結果即可繪制出相同油液溫度和閥口壓降情況下不同工作壓力對穩態液動力影響的曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在允許的工作壓力范圍內，在油液工作溫度和閥口壓降相同的情況下，不同工作壓力對其所受液動力有著很大的影響。當工作壓力增大時，閥芯所受最大液動力也會增大，而且最大液動力和最小液動力之差會顯著增大，使得閥芯受到震動，縮短閥芯的使用壽命。當工作壓力很小時，若開口量增大，閥芯則較為平穩。

4? ? 結語

對三級電液伺服閥功率級所受瞬時液動力進行仿真分析，得到的結果如下。

（1）在滑閥向右運動的過程中，滑閥所受的力并非線性增加，而是與開口量有關系，開口量較少時，流態切換液動力減少。當流態切換完成后，隨著開口量增大，液動力逐漸增大。當兩臺肩都受到液動力時，滑閥所受合力又開始減少，最終受到與運動方向相反的合力。

（2）滑閥所受液動力會隨著工作壓力的改變而改變。當工作壓力增加時，滑閥所受的最大壓力和壓力極差會增加，會引起閥芯產生震動。

[參考文獻]

[1]蔡霖，黃其濤.Fluent平臺上滑閥流態切換現象仿真研究[J].現代制造工程，2009（12）：20-23.

[2]沈洋.基于動網格的高速液壓缸動態流場數值模擬[D].武漢：武漢科技大學，2013.

[3]王東魏.三級伺服閥流場特性研究及故障分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[4]欒健，王強，何曉輝.基于動網格的液壓錐閥動態特性研究[J].液壓于氣動，2015（7）：103-106，110.