基于CFD動網格優化快速鍛造機補液模型研究

王欲進，柳 淵，韓賀永

(1.太原學院 機械工程系，山西 太原 030032；2.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

引言

近年來，隨著汽車工業的飛速發展，對于車軸、齒輪等關鍵性部位的加工工藝要求大幅提高。但是鍛造加工工藝不完善及鍛造設備存在的缺陷，在生產過程中會導致工件加工精度低甚至出現裂紋等缺陷，嚴重影響車軸等工件生產進度和質量[1]。快速鍛造機作為車軸的主要鍛造設備，其在展現快速鍛壓的優點的時候也同樣暴露出其突出的缺點—空化問題。快速鍛造機的空化問題造成油缸控制精度降低、沖擊振動大、缸的壽命降低等問題，這些問題對外突出的表現之一就是會影響工件的鍛壓質量、影響工業生產。為了改善這個一直以來都存在的問題，前人做了很多關于空化問題的研究。

快鍛機的空化問題即由于高速的流體沖激摩擦會在液體中形成眾多的空穴或者氣泡，大量的空穴聚集在油缸會導致油缸控制精度降低、降低工作效率，氣泡破裂會釋放高溫、高壓、放電、發光和激震波等，嚴重影響了液壓系統的壽命。杜學文等[2]對流體中氣泡做了深入的研究，發現氣泡潰滅時會產生的高頻噪聲，其穿透力強、輻射范圍廣，具有很強的破壞性，為了有效的改善氣泡的影響，其團隊采用二級分壓原理對閥口進行設計，有效達到減少氣穴的目的。韓賀永[3-4]及其團隊，通過分析新型液壓雙邊滾剪切機的非線性系統穩定性和對其數學模型穩定性分析，得到流體中的氣泡是影響液壓系統穩定性的重要因素。張玉瑛[5]設計了噴油螺桿壓縮機油氣分離器及濾芯，能夠有效降低液壓油中的含氣量，大大減少了氣泡的數量。HAN Mingxing等[6]利用Fluent模擬得出了重要結論，閥內部的流場特性以及流動力與氣蝕之間是有相關性的。SANDEEP M等[7]研究流動裝置中氣穴現象引起的潛在侵蝕區域的數值預測,得出了合理的空化算法。莫燾等[8]得出壓力下降會產生氣穴。OSHIMA[9]對不同的大規格直徑碟形閥的空化流進行了試驗研究，發現在渦旋中心有空化現象，并且對于不同碟形閥其初生空化系數基本是恒定的。MARTIN等[10]對大流量方向控制閥的空化進行了研究，給出了空化系數與雷諾系數之間的關系，并且研究了空化、噪聲和能量譜之間的關系。劉瑞芳等[11]研究了液壓系統空化氣蝕的產生機理和影響因素，提出了液壓系統減小氣蝕空化的措施。孔祥森等[12]在鍛造液壓機流控領域做的一些探索性工作，為重型裝備的綠色化和智能化發展提供指導。王銀等[13]利用Fluent中混合模型(Mixture)及標準k-ε湍流模型，對不同閥芯錐角的錐閥進行計算流體動力學(CFD)分析，發現開度對空化程度有直接影響。楊國來等[14]運用PumpLinx在不同轉速及吸油口尺寸進行了仿真，發現空化極大的影響了吸油口的流量穩定性。鄭智劍等[15]采用數值模擬方法研究液壓滑閥內的高壓空化流動特性，分析出進口壓力越高，節流槽出口處的空化區域和強度越高，空化流動周期性變化的時間越短。彭健等[16]利用Fluent空化模型對不同閥芯結構下的多級降壓調節閥進行數值模擬，分析其在相同壓力工況下的流量系數和防空化性能，發現多級降壓閥芯結構更能改善閥門的空化現象。

快速鍛造機滑塊下行接觸工件后建立壓力緩慢。本研究通過ANSYS建立快速補液裝置的模型，Fluent 15.0軟件進行計算仿真和數值分析，研究了快速鍛造機補液裝置的進口壓力和滑塊下行速度對于補液流速和空化量的影響。本研究將為快速鍛造機補液裝置的設計和應用提供指導，既可增加補液速度，又可減少空化量。

1 數學模型的建立

1.1 瞬時流動模型

瞬間位置流動模型是本研究的研究對象，設滑塊瞬間位置流動模型為:

s=vΔt

(1)

式中，s—— 滑塊位移,mm

v—— 滑塊下行速度,m/s

Δt—— 滑塊下行時間,s

1.2 混合物模型

現在工業使用的液壓油都混有空氣，以及本研究的液壓油空化量的問題，用到了液態和氣態兩相，所以選用兩相流動模型。液壓油為主相流，空氣為次相流。混合模型方程為：

(2)

式中，δij為Kronecker符號。

當i=j時，δij=1。

混合物的密度ρ和黏度μ為 :

ρ=αρv+(1-α)ρl

(3)

μ=αμv+(1-α)μl

(4)

式中，ρv—— 氣體密度

ρl—— 液體密度

μv—— 氣體動力黏度

μl—— 氣體體積分數

由式(3)、式(4)可得:

(5)

式中，f—— 氣體質量分數

2 仿真模型的分析

2.1 仿真模型的建立

根據工程中實際情況，為了便于模型建立及減少仿真計算量，將充液罐或蓄能器的補液壓力轉移到液壓缸管路進口處，設備如圖1所示。為了便于建立液壓缸及相連管路的仿真，故將其簡化為如圖2所示的模型，僅表示液壓缸控制閥塊之后的液壓部分。

圖2 仿真模型

2.2 動網格的劃分

將管路進口壓力和滑塊下行速度獨立控制，可以使仿真更加接近實際應用，所以采用Smoothing和Remeshing劃分動網格，利用2.5D模型重構3D區域中的網格，將滑塊運動的區域通過運動面劃分為動網格，實現管路進口壓力和滑塊下行速度獨立控制如圖3所示。

圖3 動網格

2.3 CFD模型及參數

用Fluent15.0軟件進行計算，必須定義工作介質、湍流模型、邊界條件和求解器等，如表1所示。在此研究過程中，滑塊運行的速度分別設定為50，200，400 mm/s，充液管路進口壓力設定為0.8，5，10 MPa。采用simple算法求解。

表1 CFD 仿真設置

3 仿真參數分析

3.1 進口壓力及滑塊下行速度對流量的影響

當快速鍛造機補液裝置的進口壓力一定時，不同的滑塊速度會對補液裝置的流量以及補液的速度有一定的影響。當進口壓力為0.8，5，10 MPa時，滑塊不同速度下液壓油的流速以及流速的變化率,如圖4～圖6所示。當不同進口壓力下，滑塊速度為50 mm/s時，不同進口壓力下液壓油的流速以及流速的變化率,如圖7所示。

圖4 0.8 MPa時液壓油的流速及流速的增加率

圖5 5 MPa時液壓油的流速及流速的增加率

如圖4～圖6所示，在同樣的進口壓力下，增加滑塊速度后，在同一位置，流速隨著滑塊速度的增大而增大。在400 mm位移處，進口壓力分別為0.8, 5, 10 MPa 時，滑塊速度在400, 200, 50 mm/s的流速變化率分別為4.07%, 0.36%, 0.15%，仿真數據表明進口壓力增大時，可以減小滑塊不同速度之間流速的變化率。如圖7所示，當進口壓力增加后，在同一位移處，進口壓力越大，滑塊的速度也就越大，且滑塊的速度增加明顯。進口壓力從0.8 MPa 增加到10 MPa時的流量變化率變化接近300%，所以增加進口壓力可以大大增加液壓缸的補液速度，減少補液時間。

圖6 10 MPa時液壓油的流速及流速的增加率

圖7 50 mm/s時液壓油流速及流速的增加率

3.2 進口壓力及滑塊下行速度對氣泡量的影響

快速鍛造機在運行過程中，液壓油中氣泡含量會嚴重影響控制精度以及液壓缸的使用壽命，所以降低空化量是非常重要的。以下進行兩種方式的研究：當進口壓力為10 MPa，滑塊在不同速度下的空化量如圖8所示；當滑塊速度為50 mm/s時，不同壓力下的空化量如圖9所示。

圖9 不同壓力下的空化量及空化增加率

如圖8所示，當壓力在10 MPa時，空化量e隨著滑塊速度的降低而增加。滑塊速度為400 mm/s的空化量比50 mm/s空化量降低2.4%，所以降低滑塊速度有利于減少空化量從而增加控制精度。

圖8 10 MPa時的空化量及空化增加率

如圖9所示，對速度為50 mm/s進行分析，空化量隨著進口壓力的增加而減小。當進口壓力增加時空化量會減少，進口壓力為10 MPa時的空化量比進口壓力為0.8 MPa的空化量減少0.72%。

4 結論

研究液壓缸充液管道進口壓力和滑塊下行速度對液壓缸補液速度和液壓油空化量的影響，將現場實際情況轉化為仿真模型，使用三維動網格進行研究，實現管路進口壓力和滑塊下行速度分別獨立控制，選擇三組不同進口壓力和滑塊下行速度的多組數據進行對比研究，將采集的流速、流速變化率和空化量、空化量變化率繪制成曲線對比分析，得出以下結論：

(1)將液壓缸充液管路進口壓力從0.8 MPa增加到10 MPa時，補液流速最大可提高300%。不同滑塊下行速度引起的流速差異越來越小，同時空化量可減少0.72%。在快速鍛造機工作過程中，有利于提高液壓缸的補液速度，降低建壓時間；

(2)在快速鍛造機工作過程，空化量隨著滑塊下行速度的減小而減小，速度從400 mm/s降低到50 mm/s，空化量可減少2.3%，所以降低滑塊速度有利于減少空化量從而增加控制精度；

(3)利用大流量插裝閥控制高壓蓄能器替代單向閥控制低壓充液罐補液，可以增加補液速度,降低空化量，提高了快速鍛造機的控制精度，減少液壓缸的氣蝕，增加了液壓缸的使用壽命。