一種旋轉閥芯式流量控制閥的內部流場分析

丁 飛，范加利，王云翔，楊茂勝

(海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041)

0 引 言

液壓滑閥廣泛應用于工程車輛、機床、飛機、船舶等現代化機械產品中，主要用于控制機構運動狀態。鄭長松等[1]研究了某型裝甲車輛綜合傳動換擋滑閥的流場特性與穩態液動力特性，郭舒[2]對全液壓壓裂車的大流量換向閥進行了結構設計和仿真，張銀濤[3]分析了濕式雙離合自動變速器液壓控制系統滑閥的性能情況，以上不同應用場景充分展現了液壓滑閥應用廣泛，可靠性高的特點。基于此，在某新型壓力機設計生產時選用的大流量控制閥就是滑閥形式，用于控制壓力機慢速啟動、快速運行、慢速停止的運動過程。但在實際應用過程中發現，該液壓機的快速運行段性能優良，慢速段運動穩定性不佳，也就是說，該滑閥式控制閥的大流量控制功能完善但小流量控制不夠穩定。

課題組研制了一種旋轉閥芯式流量控制閥，通過閥芯的旋轉可以實現穩定的小流量控制和大流量控制[4-5]，與壓力機的運動速度曲線完美匹配，是一種理想的控制解決方案。筆者利用計算機流體力學，借助仿真軟件FlowSimulation計算分析了該控制閥在不同閥芯位置時內部流場的壓力、速度分布情況，得出了輸出流量曲線，驗證了該解決方案的有效性。

1 結構與工作原理

旋轉閥芯式流量控制閥的簡化結構如圖1所示，其核心部件主要有兩部分，分別是可旋轉的閥芯部分和固定的閥座部分。閥座上設置有進出油口，是閥芯運動的基座；閥芯在閥座內僅可轉動，不能左右方向移動，其驅動方式可以采用電機減速機直接驅動轉動或者采用油缸連桿推動轉動。

圖1 旋轉閥芯式流量控制閥結構

當油液從閥座的進油口流入內部環形流道后，首先經過閥芯的進油流道進入閥芯的內部；當閥芯處于開啟位置時，油液流經閥芯出油流道、閥座出油流道后通過環形流道匯集，最終從出油口流出。閥芯出油流道與閥座出油流道的分布情況如圖2所示。

圖2 閥座與閥芯油口設置

閥座出油流道設計為4個圓形流道，分為2個對稱布置的小規格流道和2個對稱布置的大規格流道，分別用于小流量控制和大流量控制，4個流道均與外部的環形流道相連通。閥芯出油流道設計為4個矩形流道，同樣分為小規格和大規格，對稱布置。

閥芯在初始位置時閥芯出油流道與閥座出油流道互不交聯，處于關閉狀態(見圖2(a))。當閥芯以某一速度順時針旋轉時，小規格出油流道由小到大首先連通，若此時閥芯停止運動(見圖2(b))，則該閥可提供一個穩定的小流量輸出；閥芯繼續順時針轉動，在保持小規格出油流道連通的同時接通大規格出油流道(見圖2(c))，直至兩種出油流道均連通后停止閥芯運動(見圖2(d))，此時該閥可輸出一個由閥座上4個出油流道決定的穩定的大流量輸出。

閥芯從關閉狀態到小規格出油流道完全開啟需要轉動的角度為15°，到大規格出油流道完全開啟需要轉動的角度為45°。當閥芯以同樣的速度逆時針轉動時，首先關閉大規格出油流道的油路，此時閥芯停止運動可繼續保持穩定的小流量輸出，閥芯繼續逆時針轉動方可完全關閉控制閥。這樣通過閥芯的正反轉實現了該流量控制閥由關閉→小流量增加→穩定小流量→疊加大流量增加→穩定大流量→大流量減少→穩定小流量→小流量減少→關閉這樣一個完整的流量控制過程。反應到被控執行機構液壓缸上就體現為柱塞的運動速度曲線如圖3所示，實現了快慢兩種速度控制。

2 內部流場分析

為了評估該流量控制閥的性能，本文采用計算機流體力學(CFD)方法在制作樣機之前對液壓閥內部的流場情況進行分析，根據模擬數據來驗證并優化閥的設計，可以大大減少研發時間[6-7]。為了方便分析計算，文中簡化了旋轉閥的流道結構，刪除進油口部分油路，僅保留出油口部分的流體區域來進行分析，簡化后的流體區域如圖4所示。

圖3 壓力機柱塞運動速度曲線

該閥內部的主要流道尺寸如圖5所示，其中旋轉閥芯直徑D=200 mm，出油口直徑D1=100 mm，兩個大流量流道孔的直徑D2=50 mm，兩個小流量流道孔的直徑D3=20 mm。

圖4 閥內流體區域 圖5 閥內主要流道尺寸

2.1 分析參數設置

文中的分析對象旋轉閥芯式流量控制閥的油液流向是：油液進入到控制閥內部后，首先充滿閥芯內部，然后流經閥芯與閥座的出油流道，在環形流道匯集后最終從出油口流出，所以文中的分析為內部流場分析，假設該控制閥為理想閥，分析時不考慮泄露。流體介質選用46號抗磨液壓油，密度為875 kg/m3，動力粘度為0.04 Pa·s。壁面熱條件選用絕熱壁面。邊界條件選擇入口壓力為20 MPa，出口壓力為10 MPa。在FlowSimulation仿真軟件中，可以設置分析目標來明確分析的重點，以增強對這些變量的收斂性，在此選擇進出油口設置表面目標，具體參數為體積流量和速度[8]。

2.2 網格劃分

設置完成分析參數后我們來開始對模型劃分網格，首先通過自動劃分全局網格，初始網格的級別選擇3，我們得到流體部分的網格模型如圖6所示，網格總數43226。為了更清楚的得到閥芯油口和閥座油口接觸位置流體的流動特性，我們在此位置增加局部網格來細化該部位的網格密集程度，來提高分析的精度。增加局部網格后的網格模型如圖7所示，網格總數增加到176533。

圖6 流體部分網格劃 圖7 增加局部網格后流體部 分情況 分網格劃分情況

3 仿真結果及分析

3.1 壓力分布分析

壓力分布情況可以直觀反應閥體內部的壓力變化情況和流動情況。隨著閥芯順時針轉動，閥芯出油流道與閥座出油流道交接處的過流面積會發生改變，由圖8的截面靜壓力云圖分布情況可知，閥口開度較小時，閥口節流作用較強，油液壓力下降很快，壓力的變化主要集中在此處。

圖8 不同閥芯轉角截面靜壓分布云圖

當2個小規格出油流道完全開啟(閥芯轉角15°)時，由于流通的油液體積較小，僅在小規格出油流道位置產生微小油液沖擊和壓降，整個出油口油腔內的壓力基本維持穩定，此時可以穩定的輸出壓力。當2個大規格出油流道開始開啟時，出油口交疊節流位置同樣產生低壓，流動紊亂，對整個環形流道內的壓力產生影響；當2個大規格出油流道完全開啟(閥芯轉角45°)時，此時4個出油流道同時供油，底部大規格流道出油對壁面產生油液沖擊的同時還對2個小規格出油流道出口處的油液流動產生影響，但經過環形流道的緩沖后可以保證總體出油口處壓力平穩。

3.2 速度分布分析

速度分布可以反應閥體內部油液的流動情況，由于流動變化最大的位置在閥座的四個出油流道處，故我們從閥座4個出油流道的截面處來分析速度分布情況，如圖9所示。

圖9 不同閥芯轉角截面速度分布云圖

隨著閥芯順時針轉動，小規格出油流道率先由小至大開啟，液壓油從閥芯內高速沖出，撞擊到環形壁面后往出油口方向匯集。小規格出油流道開口尺寸小，通過流量小，對出油口處油液流速影響不明顯。閥芯繼續轉動，2個大規格出油流道開始開啟，總流量迅速增大，對出油口處流速影響明顯。所有出油流道均開啟后可以發現在各閥口中心位置流速最大，整個流道內油液流動性好，對稱性好。由于分析條件設定的進出口壓差恒定，最大流速基本穩定在155 m/s范圍內。

3.3 出口流量分析

在進行出口流量分析時，我們按照實際使用工況來對旋轉閥芯式流量控制閥來進行分析，其開啟關閉規則如下：①該流量控制閥的閥芯順時針旋轉開啟至15°也就是小規格出油流道完全打開時，停止閥芯的轉動并保持一定時間；②繼續順時針旋轉開啟閥芯至45°也就是4個出油流道都完全打開時，停止閥芯轉動再保持一定時間；③逆時針旋轉關閉閥芯至15°也就是僅小規格出油流道完全打開時，停止閥芯的轉動并保持一定時間；④繼續逆時針旋轉關閉閥芯至完全關閉出油流道。

根據閥芯按上述開啟關閉規則測得的分析數據，我們將出口流量情況進行了統計，并繪制了如圖10所示的流量曲線。

圖10 不同閥芯轉角出口流量曲線

從上圖看出，在僅開啟小規格出油流道時可以保持一個穩定的小流量輸出，對應于圖3壓力機柱塞的低速運動段；然后大規格出油流道開啟時可以快速提升輸出流量直至一個穩定的大流量輸出，對應壓力機柱塞的高速運動段，從而實現了柱塞啟動和停止階段能夠實現慢速運動、中間過程快速運動的控制要求。

4 結 論

(1) 文中所設計的旋轉閥芯式流量控制閥，閥內通油口采用對稱結構，受力均衡，具有穩定的兩種輸出流量，出口流量和閥芯旋轉角位移成正比，線性度好，便于控制。

(2) 隨著閥芯開度的增大，閥體內部壓力場和速度場均穩定變化，僅在閥座出油流道口位置存在一定的射流現象，對出油口影響較小。

(3) 閥芯和閥座出油流道位置尖角對流動影響大，壓力波動大，后期設計時可適當倒鈍處理。

綜上所述，所設計的閥芯旋轉式流量控制閥滿足使用需求，是一種更好的解決方案。