溫度對(duì)轉(zhuǎn)閥內(nèi)泄漏影響的研究

張 超，汪世益,2，王子威，徐義程

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.宣城市安工大工業(yè)技術(shù)研究院，安徽 宣城 242000)

0 引言

液壓轉(zhuǎn)閥因結(jié)構(gòu)特征能實(shí)現(xiàn)油液周期性的啟閉及高速換向，具有廣闊的應(yīng)用前景，而在轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)中，閥芯與閥套之間的間隙大小是一個(gè)尤為重要的參數(shù)。為保證閥芯與閥套之間有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)以及避免形位誤差造成的卡緊現(xiàn)象，正常情況下都會(huì)在閥芯與閥套之間設(shè)計(jì)有一定的徑向間隙[1]，所以轉(zhuǎn)閥內(nèi)泄漏不可避免，通常的設(shè)計(jì)會(huì)留有一個(gè)內(nèi)泄漏預(yù)測(cè)量，同時(shí)能保證不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作造成影響。而在轉(zhuǎn)閥工作過(guò)程中，油液換向頻率較高，會(huì)使油液溫度升高，導(dǎo)致油液的物理特性隨之發(fā)生變化，增大內(nèi)泄漏的量，最終可能對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)造成影響[2,3]。

本文主要從溫度變化引起油液的密度和黏度的變化角度出發(fā)，建立轉(zhuǎn)閥帶間隙的內(nèi)部流場(chǎng)模型，通過(guò)Fluent軟件仿真，研究溫度對(duì)間隙泄漏的綜合影響規(guī)律，為轉(zhuǎn)閥內(nèi)泄漏量的預(yù)測(cè)及轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 轉(zhuǎn)閥工作原理及縫隙流場(chǎng)模型

1.1 轉(zhuǎn)閥工作原理

轉(zhuǎn)閥主要由閥體、閥套和閥芯等零部件構(gòu)成，如圖1所示[4],其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別為閥芯左、右臺(tái)肩上的溝槽；①、②、③、④分別為閥套對(duì)應(yīng)閥芯臺(tái)肩上的窗口。閥芯臺(tái)肩上的溝槽設(shè)計(jì)成相錯(cuò)一定的角度，使閥芯左、右臺(tái)肩同側(cè)溝槽與閥套窗口導(dǎo)通時(shí)，另一側(cè)則是關(guān)閉狀態(tài)。在閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，閥芯溝槽與閥套窗口形成導(dǎo)通的油路，即當(dāng)Ⅱ—②、Ⅳ—④導(dǎo)通時(shí)，油液通路為P→A、B→T，此時(shí)Ⅰ—①、Ⅲ—③處的閥口是關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)Ⅰ—①、Ⅲ—③導(dǎo)通時(shí)，油液通路為P→B、A→T，此時(shí)Ⅱ—②、Ⅳ—④處的閥口是關(guān)閉狀態(tài)。閥芯連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油路的周期性導(dǎo)通及換向。

圖1 轉(zhuǎn)閥工作原理圖

1.2 帶間隙內(nèi)部流場(chǎng)模型

由轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套的裝配可知，閥芯與閥套之間存在著一定的徑向間隙，在與外界密封良好的情況下，不考慮外泄漏，所以只考慮內(nèi)泄漏的情況，即進(jìn)油腔通過(guò)閥芯左、右臺(tái)肩與閥套配合處的間隙向回油腔內(nèi)泄，同心環(huán)形間隙示意圖如圖2所示。

圖2 同心環(huán)形間隙示意圖

縫隙中液體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因有兩個(gè)：一個(gè)是由于存在壓差而產(chǎn)生流動(dòng)，這種流動(dòng)稱(chēng)為壓差流；另一個(gè)是由于組成縫隙的壁面具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使縫隙中的液體流動(dòng)，稱(chēng)為剪切流，兩者的疊加稱(chēng)為壓差-剪切流。轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套的壁面之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)軸向移動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)內(nèi)泄漏量的大小幾乎沒(méi)影響[5]。所以無(wú)偏心情況下，轉(zhuǎn)閥的縫隙流動(dòng)應(yīng)屬于同心環(huán)形縫隙壓差流，通用的泄漏流量Q0(m3/s)計(jì)算公式為：

(1)

其中：d為閥芯直徑，m；h為間隙高度，m；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；l為縫隙長(zhǎng)度，m；Δp為縫隙兩端壓差，Pa。

因間隙處與閥套窗口兩處均有連通，但始終有一側(cè)是關(guān)閉狀態(tài)，另一側(cè)是回油進(jìn)口，所以對(duì)帶間隙的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行稍微的簡(jiǎn)化，不考慮關(guān)閉和回油進(jìn)口的閥套窗口處的流場(chǎng)，簡(jiǎn)化后的帶間隙內(nèi)部流場(chǎng)如圖3所示。令閥芯左臺(tái)肩處的間隙為前間隙，閥芯右臺(tái)肩處的間隙為后間隙。

2 溫度與液壓油密度和黏度的關(guān)系

在工程實(shí)際中，液壓油本身的物理特性參數(shù)和黏度受到系統(tǒng)的溫度、壓力及混入空氣量等的綜合影響[6]。本文不考慮液壓油的可壓縮性，從溫度對(duì)液壓油的密度和黏度的綜合影響出發(fā)，研究轉(zhuǎn)閥間隙內(nèi)泄漏的規(guī)律[7]。

常溫下礦油型液壓油密度ρ=850 kg/m3～960 kg/m3，液壓介質(zhì)的密度隨溫度升高而減小，其關(guān)系為：

ρ=ρ0-β(t-t0).

(2)

其中：ρ、ρ0分別為溫度在t、t0時(shí)液壓油的密度；β為系數(shù)。當(dāng)t0=20 ℃時(shí)，β與ρ0的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 β與ρ0的關(guān)系

液壓系統(tǒng)中常用的礦物型液壓油在40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度小于135 mm2/s，且溫度在30 ℃～150 ℃范圍內(nèi)時(shí)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算不同溫度時(shí)液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度：

(3)

其中：υ40為溫度在40 ℃時(shí)液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；t為溫度，℃；n為指數(shù)。n隨液壓油40 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的不同而異，其值見(jiàn)表2。

表2 指數(shù)n與不同液壓油40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的對(duì)應(yīng)值

對(duì)于黏度較大的油類(lèi)(υ40>135 mm2/s)，式(3)仍然適用，但溫度的適用范圍應(yīng)為40 ℃～110 ℃。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(3)，選擇液壓油的密度在20 ℃時(shí)為850 kg/m3、運(yùn)動(dòng)黏度在40 ℃時(shí)為46 mm2/s，則選擇參數(shù)β=0.699 kg/(m3·℃)、n=2.13，可得溫度與液壓油密度和黏度的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示，溫度范圍取30 ℃～90 ℃。

圖4 溫度與液壓油密度和黏度的關(guān)系

3 內(nèi)部流場(chǎng)有限元仿真

3.1 內(nèi)部流場(chǎng)仿真模型建立

假設(shè)閥芯與閥套都是完全精確的圓柱體，完全同心，徑向間隙處處相等。對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。其中因間隙流場(chǎng)域與閥腔和閥芯溝槽流場(chǎng)域連通，在網(wǎng)格劃分中，存在一對(duì)多的面映射關(guān)系，所以這里將間隙流場(chǎng)域分割成多個(gè)小塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)間隙高度處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，沿高度方向分為五層。

圖5 內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

3.2 仿真邊界條件設(shè)置

選擇基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，選擇k-epsilon Standard的湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。流體介質(zhì)選擇液壓油，密度與黏度參數(shù)根據(jù)不同的溫度條件進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)介質(zhì)為不可壓縮的單相牛頓流體，無(wú)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，忽略流體重力的影響。接觸邊界設(shè)置為Wall靜止壁面，閥套窗口入口的邊界條件采用Pressure-inlet=5 MPa，閥套窗口出口的邊界條件采用Pressure-outlet=2.5 MPa，壓差為2.5 MPa，前、后間隙出口的邊界條件采用Pressure-outlet =0。計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為200步。

4 仿真結(jié)果分析

利用Fluent仿真軟件里面的Reports功能，讀取前、后間隙出口的Mass Flow Rate的值，這里，前間隙處的閥口處于導(dǎo)通狀態(tài)，后間隙處的閥口處于關(guān)閉狀態(tài)。分別分析了不同溫度條件下、不同閥口開(kāi)度下以及溫度和黏度單獨(dú)影響下的泄漏規(guī)律。

4.1 不同溫度條件下的泄漏

以閥口開(kāi)度分別為2.5°、12.5°和22.5°為例，得到了不同溫度條件下的前、后間隙泄漏量，如圖6所示。

由圖6可知：隨著溫度的增加，間隙泄漏量逐漸增大，且增大趨勢(shì)逐漸減緩；不同閥口開(kāi)度的前間隙之間的泄漏量相差較大，而后間隙泄漏量之間的差值比前間隙之間的差值要小；隨著閥口開(kāi)度的增大，前、后間隙泄漏量的差也逐漸增大，說(shuō)明閥口導(dǎo)通處的泄漏量受溫度影響較大，閥口關(guān)閉處的泄漏量則受溫度影響較小。

圖6 不同溫度下的前、后間隙泄漏量

4.2 不同閥口開(kāi)度條件下的泄漏

以溫度分別為30 ℃、40 ℃和50 ℃為例，得到了不同閥口開(kāi)度條件下的前、后間隙泄漏量，如圖7所示。

圖7 不同閥口開(kāi)度下的前、后間隙泄漏量

由圖7可知：隨著閥口開(kāi)度的增大，間隙泄漏量在逐漸減小，變化趨勢(shì)較為平緩，特別是從后間隙泄漏量的變化趨勢(shì)可以看出閥口開(kāi)度對(duì)間隙泄漏影響較小，而前間隙與后間隙相比，泄漏量隨著閥口開(kāi)度的增大而減小量更大；在溫度較高的條件下，前、后間隙的泄漏量相差較小，在溫度較低時(shí)相差較大，說(shuō)明閥口開(kāi)度增大的情況下，流體更多地流向出口。

4.3 密度和黏度單一影響下的泄漏

以溫度為30 ℃時(shí)開(kāi)始，保持黏度不變，隨著溫度改變密度；再保持密度不變，隨著溫度改變黏度，得到不同溫度條件下的泄漏量，并將其與密度和黏度綜合影響下的泄漏量進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

由圖8可知：密度對(duì)泄漏量的影響隨著溫度的增大而減小，整體變化量較小；黏度對(duì)泄漏量的影響隨著溫度的增大而增大，且在黏度的單獨(dú)影響下，泄漏量比其他兩種情況均要大，與綜合影響條件下相比，兩者泄漏量的差值隨著溫度的增加而逐漸增大，總體相差不太大。說(shuō)明溫度對(duì)泄漏量的影響主要是溫度改變了油液的黏度，而油液密度的改變對(duì)泄漏量的影響幾乎可以忽略。

圖8 不同條件下的泄漏量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

采用Fluent對(duì)帶間隙的轉(zhuǎn)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，研究在不同溫度下，油液密度和黏度對(duì)間隙泄漏量的影響，結(jié)果表明：隨著溫度的升高，泄漏量隨之增加，增加趨勢(shì)逐漸緩慢；隨著溫度的升高，閥口開(kāi)度對(duì)泄漏量的影響增大；閥口開(kāi)度越大，間隙泄漏越小；隨著溫度的升高，油液密度減小，泄漏量隨之減小，影響程度較小；黏度減小，泄漏量隨之增大，影響程度較大。