水液壓節流閥精細調節閥口設計與仿真分析

張增猛，楊 勇，王 旭，侯交義，弓永軍

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116000)

引言

水液壓技術以天然海水或淡水為工作介質，有著生態環保、綠色衛生、成本低廉等優點[1]。水液壓技術也憑借其資源和成本優勢在工程機械、海洋開發、新能源利用等領域得到了廣泛地應用[2]。相比于成熟的油液壓技術，水液壓技術發展時間較短，加之水介質特殊的理化性質，水液壓技術還需要進一步的研究發展[3]。水壓閥作為水液壓技術的關鍵元件，其工作性能會直接影響水液壓系統的工作效果[4]。水壓節流閥是水壓閥的關鍵組成部分，對其進行研究也對水液壓系統的發展有著重要意義[5]。傳統的水液壓節流閥的閥口形式通常為球閥式或錐閥式，有著較好密封性的同時存在著流量分辨率低、閥口特性線性度差等缺點[6]。常見的閥口節流槽形式有U形槽、 V形槽和K形槽，組合型節流槽形式主要有U+U形節流槽、U+V形節流槽以及U+K形節流槽[7-8]。非典型的節流槽形式主要有三角形非全周開口槽和斜三角形非全周開口槽[9]。類似于傳統水液壓節流閥的閥口形式，這些節流槽形式通常也有著閥口特性線性度低，流量分辨率差的缺點。為滿足日益增長的水液壓技術發展需要，設計一種具有高流量分辨率和高線性度閥口特性的節流閥口形式顯得尤為重要。

1 閥口形式設計與節流原理

設計了一種由1個空心圓柱閥套和1個開設有均勻布置高精度切槽的滑閥閥芯構成的閥口形式。考慮到閥芯的力學性能，切槽沿周向均勻布置以平衡流體介質對閥芯產生的徑向力。如圖1所示，切槽由等深切槽和斜面切槽兩部分構成，節流區域由斜面切槽與閥套配合形成，隨著閥口開度x的變化，閥口的通流能力隨之發生變化。在所研究的閥口形式中，閥芯直徑d為9 mm，切槽深度h為1.5 mm，切槽寬度w為2 mm，斜面切槽的軸向長度l為15 mm。閥芯最大設計行程為15 mm，并且可以通過更改斜面切槽的軸向長度對閥芯行程進行調整，可見相較于其他閥口形式，該閥口形式具有較大的閥芯行程。

圖1 節流閥口結構示意圖

為了便于理論計算，將閥口的節流區域等效為節流面進行分析。圖1中虛線內局部放大部分即為該閥口的等效節流面。為了便于等效節流面積的計算，特繪制閥套與等深切槽的配合截面如圖2所示，圖中虛線和陰影部分為方便計算所添加的輔助線和輔助面。圖中陰影部分的面積可由式(1)計算得出，等效節流面積可由式(2)計算得出：

圖2 閥芯閥套配合截面

(1)

式中，As—— 陰影部分面積，得7.38×10-8m2

θ1—— 輔助線與豎直方向的夾角

S=(wxtanθ2-As)cosθ2

(2)

式中，S—— 等效節流面積

θ2—— 切槽平面與切槽斜面夾角

值得注意的是，由于閥芯為圓柱型，所以閥口等效節流面的形狀并不是矩形，其與閥套接觸部分為圓弧形。這導致了在閥口開度小于1.1 mm時，等效節流面的寬度會隨著閥口開度的減小而減小，等效節流面積與閥口開度不是線性關系。考慮到該現象對整體計算的影響較小，且閥口開度小于1.1 mm時實際等效節流面積的計算十分復雜，在式(2)中對等效節流面積的計算進行了簡化處理。當閥口開度大于1.1 mm時，等效節流面積隨著閥口開度的增大而線性增大，可知在閥口開度大于1.1 mm時，該閥口形式具有高線性度的閥口特性。

2 閥口CFD仿真分析

2.1 幾何模型與網格劃分

共計建立閥口開度分別為1～10 mm的10個閥口流場模型，考慮到仿真效率，所建立的模型均為單個切槽情況下的閥口流場。利用COMSOL軟件內置的網格劃分模塊對流場模型進行網格劃分，為保證仿真結果的準確性，對網格進行了角細化、邊界層和關鍵區域網格加密等處理。以閥口開度為7 mm的流場模型為例，網格劃分結果如圖3所示，完整網格包含224673個域單元、14538個邊界元和824個邊單元，劃分的網格中最小單元質量為6.23×10-5，平均單元質量為0.71，符合仿真要求。

圖3 節流閥口流場模型

2.2 CFD仿真設置

創建網格模型后，需要對其他仿真參數進行定義，方法如下：

(1) 流體參數：介質設置為水，溫度為20 ℃，密度為998.2 kg/m3，動力黏度為1.01×10-3Pas。

(2) 邊界條件：系統的邊界條件設置為壓力入口加壓力出口型，入口壓力分別設置為1.5，2.5，3.5，4.5 MPa，出口壓力設置為恒值0.5 MPa，即該系統的出入口壓差為1，2 ，3，4 MPa 4種情況。

(3) 仿真模型：仿真流場內流體的流動狀態為湍流，考慮到CFD仿真的效率和準確性，仿真模型選擇為k-ε湍流模型。

2.3 面積分計算流量和閥芯所受液體軸向力

在流場模型的入口處對流體的速度沿垂直于入口表面方向的投影進行表面積分，可得到單個切槽情況下進出流場的流量，該計算可表示為：

(3)

式中，Q—— 進出流場的流量

A—— 流場的入口面積

v·nx—— 流體的流速沿垂直于入口表面方向的投影

對流場模型的左端面與切槽斜面上的流體壓力沿軸向方向的投影進行表面積分，可得到單個切槽的閥芯所受到的液體軸向力，該計算可表示為：

(4)

式中，F—— 液體軸向力

A1—— 流場模型左端面面積

A2—— 切槽斜面面積

p·nz—— 流體壓力沿軸向的投影

3 仿真結果分析

共計進行了閥口開度為1～10 mm的10組仿真，以閥口開度為7 mm，進出口壓差為3 MPa的計算為例，仿真所得到的壓力云圖和速度云圖如圖4所示。分析圖像可知，流場內最大壓力為3.5 MPa，發生在流場入口處，最小壓力為0.5 MPa，發生在流場出口處，流體的壓力沿著流體的流動方向逐漸降低。在斜面切槽區域內流場出口的上游部分，液體通流面積隨著切槽深度的減小而減小，液體的流動速度也隨之增大，并在出口處達到最大值，約為70 m/s。在斜面切槽區域內流場出口的下游部分，存在著一個低速高壓區域，該區域內的液體流動速度小于10 m/s，壓力約為2.5 MPa，該區域的存在主要會影響閥芯所受的液體軸向力。

圖4 流場仿真壓力云圖和速度云圖

將仿真結果按照式(3)和式(4)進行面積分處理，可以得出在不同出入口壓差條件下，流場流量和單個切槽閥芯所受液體軸向力隨閥口開度的變化曲線。

為了方便對流場的流量進行理論分析，將等效節流面積S計算式(2)帶入薄壁小孔流量計算公式，得到該閥口形式的理論流量計算式：

(5)

式中，Cd—— 閥口流量系數，取0.9

Δp—— 出入口壓差

ρ—— 流體密度，取998.2 kg/m3

在不同壓差條件下，通過流場仿真得到流量隨閥口開度變化的曲線，對比由式(5)計算得到的流量曲線，如圖5所示。流場的流量隨著閥口開度和進出口壓差的增大而增大。理論計算流量隨閥口開度的變化完全是線性的，仿真計算曲線可以與理論計算曲線較好地貼合，說明該閥口形式具有高線性度的閥口特性。另一方面，由圖像可知，流場流量的大小隨著閥口開度和壓差的變化存在著明顯的變化，可見該閥口形式具有高流量分辨率的特點。值得注意的是，在閥口開度小于1.1 mm時仿真曲線與理論計算曲線存在著一定的偏差，這是由于式(2)對小閥口開度時閥口等效節流面積的簡化處理，致使式(5)并不能準確地計算閥口開度小于1.1 mm時的流場流量所導致的。

圖5 流量仿真及公式計算結果曲線

在不同壓差條件下，通過流場仿真得到單個切槽閥芯所受液體軸向力隨閥口開度變化的曲線，如圖6所示。在該閥口形式下，閥芯所受的液體軸向力隨著出入口壓差的增大而增大，在仿真所選取的研究范圍內，單個切槽閥芯所承受的最大液體軸向力約為5.5 N。可見該閥口形式閥芯所受的液體軸向力小，該閥口形式具有良好的力學性能。

圖6 軸向力仿真結果曲線

4 結論

設計了一種新型的非全周開口滑閥閥芯及其節流閥口形式，并對其進行了CFD仿真分析和理論流量計算式的推導，重點研究了在該閥口形式下，不同出入口壓差條件下的流體流量隨閥口開度變化的情況，以及閥芯所受到的液體軸向力的情況。進一步通過仿真結果與理論計算對比分析的方法，驗證了流體流量隨閥口開度變化的線性度。仿真試驗和理論分析表明，當閥口開度大于1.1 mm時，該閥口形式具有高線性度的閥口特性。此外，該閥口形式還具有閥芯行程大、流量分辨率高以及閥芯所受液體軸向力小等優點，為進一步研發高性能的水液壓節流閥奠定了基礎。