先導式比例方向閥流熱固耦合仿真分析

(1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250102； 2.山東大學 海洋研究院，山東 青島 266237)

引言

液壓閥作為液壓元件中的基礎元件，被廣泛應用于液壓系統，其技術水平與性能的好壞，直接關系著液壓系統整體性能和質量的好壞。先導式比例方向閥是液壓閥的一種，控制精度高、響應速度快，能精確實現流量的方向和比例控制，提升其性能對于電液比例系統的高精度控制及整體性能提高有著重要的意義[1]。先導式比例方向閥在使用過程中常出現閥芯卡緊、卡死和泄漏等現象，導致系統無法正常工作，最主要的原因是油液流經節流槽口產生節流溫升導致閥芯受熱膨脹變形[2]。因此，對先導式比例方向閥進行流熱固耦合分析，進行溫度場的熱特性以及閥芯閥體的熱變形研究是很有意義的，可為其優化設計提供參考依據。

先導式比例方向閥是滑閥的一種，一般來說，對于閥內實際復雜的流動情況，用傳統的經驗計算公式準確地計算出不同復雜情況下的液壓節流閥熱變形量是不大現實的，但是隨著計算流體力學(CFD)的出現，實現了液壓閥流體流場的可視化分析，國內外研究人員以此為依托從不同角度進行了研究。金瑤蘭等[3]對射流管伺服閥滑閥進行靜力學分析以及AMESim仿真分析，探究在不同工況下，形變對滑閥性能產生的影響。董堰凱等[4]運用Fluent軟件對V形節流槽滑閥進行結構仿真，主要研究節流槽的深度和夾角以及槽與閥體對稱面的偏轉角對閥芯上的穩態液動力以及閥口流量特性的影響。張鑫等[5]為解決液壓滑閥工作時產生的閥芯卡滯以及磨損嚴重問題，對雙U形節流槽液壓滑閥建模，分析探究閥口壓差以及節流槽數量對閥腔內應變場、速度場以及溫度場的影響，為閥芯結構優化提供了理論基礎。王志良[6]對液壓換向閥閥芯卡緊進行了分析，并提出相應的解決措施，包括加工工藝、污染卡緊等，但沒有對閥芯受熱卡緊進行分析。

眾多學者針對滑閥的溫度特性以及多場耦合問題開展研究工作。陳曉明等[7]針對滑閥工作時，因黏性加熱而產生閥芯熱卡緊現象進行研究，運用COMSOL軟件對滑閥內的流熱固耦合場進行數值分析與計算，有助于改善滑閥控制特性。張順鋒等[8]采用基于動網格的流熱固耦合分析方法，對滑閥開啟過程進行數值計算。馬勇等[9]為解決閥門失效問題，對滑閥閥門組件以及閥內組件進行流固耦合分析并提出相應的改進措施。黃浩等[10]對比例多路閥進行流場分析，針對閥芯的空化現象進行優化，并對優化后的結構使用 Workbench流固耦合技術進行分析。胡林華等[11]針對結構復雜、高壓大流量的多路閥容易發生閥芯卡滯現象進行研究，使用ADINA有限元分析軟件建立閥芯與流道模型，進行流固熱耦合分析。

本研究對先導式比例方向閥進行建模，利用基于CFD的流體仿真分析方法，探究其在不同壓差下的溫度場分布以及閥芯與閥體的變形情況。為先導式比例方向閥的結構設計或改進提供參考依據。

1 節流溫升和熱變形分析

1.1 節流溫升分析

當油液通過先導式比例方向閥節流槽口時，由于節流槽口處過流面積突然減小造成油液速度快速增大，油液流動情況發生變化，同時，液壓油液分子間的黏性應力會產生抵制脈動變化增大的反作用功，紊流動能轉變成熱能而被消耗掉，在又窄又長的節流槽口處，油液黏度和漩渦的存在導致油液的溫度無法迅速下降，造成節流槽口處油液溫度快速升高，同時在工作環境、液壓油溫升等共同作用下，閥腔里產生較大的溫度變化，從而產生較大的熱變形量。

1.2 熱變形分析

由于先導式比例方向閥的主閥常用于大流量、中高壓的液壓系統中，溫度對其工作的影響是至關重要的，當閥的工作溫度處于正常工作范圍時，液壓閥能夠保證閥體與閥芯間的正常配合尺寸，不會產生損壞或失效；但當流體溫度急劇變化后，閥中的零部件尤其是閥芯和閥體會因過熱而膨脹，使得閥芯閥體發生熱變形，破壞其原有的正常配合間隙。若配合間隙變大會直接造成泄漏量增大，若間隙變小將可能造成液壓閥卡緊或卡死，使系統不能正常工作。

總形變可以描述為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，εx,εy,εz分別為x，y，z3個方向正應變；γyz,γxz,γxy分別為y-z，x-z，x-y3個平面內的切應變；σx，σy，σz分別為x，y，z3個方向正應力；τyz，τxz，τxy分別為y-z，x-z，x-y3個平面內的切應力；ΔT為壁面溫升；α為材料熱變形系數；E為材料彈性模量；G為材料切變模量；μ為泊松比。

2 仿真模型建立

2.1 三維模型建立

利用三維軟件對先導式比例方向閥進行三維建模，其結構簡圖如圖1所示。該閥由主閥1、中間閥2、先導閥3構成，先導閥及主閥均為滑閥結構。考慮到先導式比例方向閥的特性，先導閥和中間閥均油液流量小、溫升小，而主閥油液流量大、工作壓力高、溫升大，主閥部分更容易出現熱變形而導致卡閥故障，故將主閥作為研究對象。

主閥芯結構如圖2所示，為非全周開口滑閥，即主閥閥芯是帶有三角形和矩形組合形狀節流槽的滑閥，左右對稱，且切槽個數成1∶1的比例關系。

2.2 主閥流場搭建及網格劃分

先導式比例方向閥主閥共有4個閥口，分別為P，A，B，T口，其具體流道結構如圖3所示，使用ANSYS Fluent前處理軟件Design Modeler進行流場抽取，忽略彈簧、螺釘、螺栓、凸臺、凹槽等結構，對主閥流道進行抽取。

為了便于探究主閥的內部流場以及減少計算量、方便求解，對其流場進行小幅度簡化處理，處理后的最終流場如圖4所示。

在進行網格劃分時，需綜合考慮劃分網格所需時間、計算量以及精確度。網格的質量對計算的精度和穩定性有直接的影響，故網格劃分在CFD前處理過程中至關重要。綜合考慮，對于該流場，選擇四面體網格劃分方法，對閥口節流槽、出口處這些流體速度變化大、壓力損失高且對結果影響較大的地方進行局部網格細化，網格大小設為0.9 mm；對于其他流速等變化不大的區域，為了減少計算量，設置網格大小為2 mm，主閥流場網格劃分如圖5所示。

3 仿真設置

3.1 理想化假設

在進行仿真前，做以下假設：

(1) 閥芯及閥體之間配合和密封良好，內泄漏小，不考慮控制腔的影響；

(2) 液壓油為理想牛頓液體，即油液不可壓縮；

(3) 油液黏度不隨溫度而變化；

(4) 流體域的出入口流量分布和負載分布為均勻分布，且不隨時間發生變化。

3.2 介質屬性及邊界條件

采用ANSYS進行的流熱固耦合分析，忽略壁面粗糙度對沖蝕磨損的影響及閥的形變對閥的流場產生的影響，所需的液壓油、閥芯、閥體參數分別如表1、表2所示。邊界條件為進出口壓力邊界條件，在閥口開度為5 mm的情況下，考慮到該閥的最大工作壓力為35 MPa，選取入口P口壓力分別為10, 15, 20, 25, 30, 35 MPa，出口T口壓力為0 MPa條件下進行流熱固耦合分析。

表1 液壓油參數Tab.1 Parameters of hydraulic oil

表2 閥芯、閥體材料參數Tab.2 Material parameters of valve spool, body

3.3 求解器設置

求解器中基于壓力基求解，速度公式為絕對方法，并考慮重力影響。采用標準壁面函數條件，固定壁面：無滑移，閥口開啟時，油液流通狀態為湍流狀態，選擇Realizablek-ε湍流模型來計算。打開黏性溫升(Viscous Heating)選項，同時激活能量方程(Energy Equation)選項，在計算資源足夠的情況下選Coulped方法縮短計算時間，并選用二階迎風差分格式提高計算精度。

4 仿真結果分析

4.1 流體溫度場分析

在分析不同條件下閥的熱變形情況前，需要先對閥的溫度場分布進行定性分析。在入口壓力為25 MPa的情況下，主閥閥芯溫度分布的仿真結果如圖6所示。

由圖6可以看出，主閥閥芯溫度分布極不均勻，溫度較高的部位基本都集中在主閥閥芯的節流槽口處，且三角形節流槽口1部位的溫度與矩形節流槽口2的溫度也有較大差距，主閥閥芯最高溫度出現在三角形節流槽口的頂尖部位，三角形節流槽口溫升高于矩形節流槽口。

在閥口開度一定條件下，不同壓差Δp對應的閥芯最高溫度和閥體最高溫度值如表3所示。且由仿真結果可知，在閥口開度一定的情況下，壓差增大，油液流量增大，對應油液流速增大，閥芯和閥體的最高溫度T1，T2均升高，且主閥芯最高溫度出現的位置不隨著壓差的變化而改變。

整理表3得出閥芯最高溫度與壓差的變化關系圖以及閥體最高溫度與壓差的變化關系圖，如圖7、圖8所示。

圖9是先導式比例方向閥在閥芯開口5 mm，入口壓力為25 MPa下的油液流速分布云圖，取1個節流槽口分析，將節流槽口處分為C1，C2，C3，D1，D2，D3，6個主要區域。液壓油通過C3進入節流槽口時，由于槽口面積突然減小，導致流速提高，將流速開始提高的區域定義為D3；油液繼續流動，到達C2區域，在該區域中，逐漸出現高射速流，最高流速便出現在該區域中，較大的速度梯度使得黏性力做功產生熱量，其中一部分熱量通過流體與固體間的對流換熱使得閥芯節流口局部溫度升高。為了便于區分，將該區域定義為D2區，油液接著流動，流入D1區域，該區域過流面積不斷增大，油液流速逐漸減慢。

根據仿真結果可知，在開口一定及其他條件相同的的情況下，隨著壓差的增大，節流槽口附近的流速逐漸增大，且區域也不斷增大，但是位置并沒有改變。

根據圖10壓力分布云圖可知，節流槽口B處局部壓力損失比較大，局部壓力損失導致流體機械能轉化成熱能，顯然閥內溫度較高的部位都應集中在主閥芯節流槽口位置附近。

如圖11為先導式比例方向閥的流場速度跡線圖，圖中顯示在閥內的拐角處有局部漩渦產生，由于在該處流體的流動方向以及速度被迫改變，從而造成局部壓力損失，導致局部溫升的產生。

4.2 閥芯和閥體熱變形分析

閥芯和閥體受熱膨脹發生形變，兩者的徑向變形可能會破壞原有的配合間隙，造成閥無法正常工作，因此主要分析閥芯、閥體的徑向變形量大小。同樣以入口壓力為25 MPa為例，閥芯和閥體熱變形結果如圖12所示。

閥芯和閥體在多物理場的耦合作用下均會發生一定的膨脹變形，變形主要集中在閥芯的節流槽口處，與預期結果基本一致。

為了更直觀地分析在多物理場下不同壓差時，閥芯和閥體的綜合變形規律，列出其配合面變形情況如表4所示，根據表格數據畫出相應的曲線圖，如圖13所示。

表4 閥芯和閥體配合面變形情況Tab.4 Mating surface deformation of valve core and body

根據仿真結果可知，隨著入口壓力的增加，先導式比例方向閥閥芯和閥體的徑向形變量最大值也隨之增大，總體上基本呈正相關趨勢。閥芯的最大變形量總是大于閥體的最大變形量，且兩者之間的差值也隨著壓差的增大而增大，因此兩者配合面的間隙隨著壓差的增大而逐漸減小，在最大工作壓力時，間隙最大減小了8.86 μm。對于液壓閥而言，當閥芯直徑大于20 mm時，閥芯與閥體之間的配合間隙一般為0.015～0.025 mm，因此，此先導式比例方向閥的間隙改變量最大時，閥芯與閥體間仍存在空間余量，不會造成閥芯卡緊或卡死現象，先導式比例方向閥仍能正常工作。

4.3 優化分析

通過先導式比例方向閥溫度場的仿真結果，對比閥芯三角節流槽口1和矩形節流槽口2的溫升可以看出，三角節流槽口的溫升高于矩形節流槽口的溫升，由圖2b三角節流槽口局部放大圖可知，三角節流槽口呈階梯狀分布，形狀復雜，坡度較陡，而矩形節流槽口相對而言，坡度較小，過渡緩和，速度梯度相對較小，因而壓力損失較少，導致矩形節流槽口2的溫升相對三角節流槽口1小。因此，在設計閥芯時要綜合考慮節流口的形狀，例如將節流槽口坡度減小或者換用其他形狀節流槽口以減小節流口處的速度梯度，降低局部溫升。

再者，閥內部的拐角處也易產生由于流體的流動方向以及速度被迫改變的漩渦，造成壓力損失，進而造成溫升現象，因此，在設計閥體時，在兼顧加工成本的同時，盡量減少拐角的數量，使流體過渡盡量平緩。

由先導式比例方向閥熱變形的仿真結果可以看出，在閥口開度一定的情況下，隨著進出口壓差的增大，閥芯和閥體的熱變形均隨之增大，而閥芯的形變幅度大于閥體的形變幅度。在設計先導式比例方向閥時，要考慮其閥芯和閥體之間的配合間隙以避免熱變形造成的卡緊、卡死或泄漏的情況，為閥芯閥體的設計提供參考依據。

5 結論

本研究通過對先導式比例方向閥的基于CFD的流熱固耦合仿真，對閥芯和閥體的溫度場分布和變形結果進行了分析，得出結論如下：

(1) 其溫升分布主要集中在閥芯節流槽口處，且受節流口形狀的影響，溫升的高低與流體流過節流口的速度梯度有關，速度梯度越大，局部壓損越大，黏性力產生的熱量也越多。在進行先導式比例方向閥設計時，要慎重綜合考慮節流口的形狀；

(2) 在閥口開度一定，壓差不同的情況下，閥芯和閥體的徑向熱變形都隨著壓差的增大而不斷增大，總體呈正相關趨勢。閥芯的熱變形總是大于閥體的熱變形，因此兩者之間的配合間隙在設計時需要考慮熱變形影響，避免出現卡緊、卡死和泄漏；

(3) 在設計先導式比例方向閥的相關結構考慮穩態熱變形的影響時，均可將本研究所述的多物理場耦合方法仿真結果作為設計參考依據，以節約成本。