閥芯旋轉式高速開關閥的氣穴特性研究

陳震，王鶴，閻宇，豐健，高有山

(1.太原理工大學，新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西太原 030024；2.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024)

0 前言

隨著計算機和微電子技術的廣泛應用，液壓元件數字化已成為液壓技術的發展趨勢。高速開關閥作為典型的數字液壓閥，通過數字信號控制流量輸出，具有響應速度快、抗污染能力強、可集成性高、價格低等優點，具有廣闊的應用前景。目前，高速開關閥均為滑閥、錐閥或者球閥，利用電-機轉換器驅動閥芯作往復運動控制閥口啟閉，存在閥芯行程與開關頻率之間的矛盾，使得開關頻率難以提高。針對這一問題，提出一種閥芯旋轉式高速開關閥，通過閥芯旋轉實現油路切換，突破閥芯往復運動結構的限制，提高閥的開關頻率。

高速開關閥在閥口開啟過程初期，過流面積較小，油液流經窗口時流道急劇變化，流速升高，壓力急劇下降。當壓力低于油液的空氣分離壓時，油液內溶解的空氣會大量分解出來，產生氣穴現象。氣穴不僅會誘發閥體的振動和噪聲，還會破壞液流的流動特性，造成流量不穩定，影響閥的輸出特性。因此，抑制高速開關閥氣穴現象的產生對提高高速開關閥的的性能具有重要意義。

針對液壓閥內氣穴現象，研究人員進行了大量研究。白繼平和阮健對極端環境下的高頻電液數字閥閥腔流場的氣穴變化規律進行了研究。陸倩倩等研究了2D伺服閥矩形先導控制閥口的氣穴特性及其對閥芯穩定性的影響。張圓等人分析了錐形節流閥的氣穴現象并得到內部流場隨閥桿行程的變化關系。WANG等通過研究板式高速開關閥，發現改變閥芯孔數可以抑制氣穴，提高閥內流場穩定性。馬丁等人針對煤礦水壓安全閥的氣穴現象，對閥內流道的結構進行了優化分析。孫澤剛等分析了不同結構參數對V形節流槽氣穴性能的影響，并利用改進遺傳算法對模型進行了結構優化。然而，不同結構的液壓閥產生的氣穴現象有很大差異，現有研究結果不適用于新型閥芯旋轉式高速開關閥中。

因此，本文作者對閥芯旋轉式高速開關閥閥口的氣穴現象進行研究，運用SolidWorks軟件建立閥內流體模型，選用Fluent中的兩相流模擬流體模型在不同運動和結構參數下的氣穴現象。根據仿真結果中閥口氣穴范圍和氣相體積分數的變化規律，分析氣穴現象發生的主要位置及氣穴特性的影響因素，為高速開關閥的結構參數設計提供參考。

1 閥芯旋轉式高速開關閥的結構設計及工作原理

1.1 結構設計

圖1所示為閥芯旋轉式高速開關閥的結構設計圖。該閥由閥芯、閥套、閥體、套筒、堵頭等部分組成。

圖1 閥芯旋轉式高速開關閥結構設計圖

閥芯有2個相互獨立的自由度，可同時進行旋轉運動和軸向運動，閥芯左端的套筒聯接伺服電機，由電機直接驅動閥芯旋轉；右端的堵頭聯接步進電機，驅動閥芯作軸向運動。閥芯結構的設計方案：在閥芯中部凸肩左右兩端分別開設8個三角形溝槽，沿圓周方向均勻分布，左右兩端溝槽對稱分布，每個溝槽的外圓周所對應的圓心角為45°，相鄰兩凸肩溝槽所對應的圓心角為45°。在閥套上開設兩圈菱形窗口與閥芯上三角形溝槽相對應，窗口均沿圓周方向分布，相鄰兩窗口所對應的圓心角為180°。

1.2 工作原理

閥芯旋轉式高速開關閥的閥套嵌入閥體孔內，閥套配合閥芯的高速轉動，通過閥芯旋轉改變閥芯凸肩上三角形溝槽與閥套上菱形窗口之間的相對位置來實現油路通斷。閥芯旋轉一圈，溝槽與窗口之間會發生8次通斷。閥口完成一次啟閉即為一個周期，而溝槽與窗口的重疊時間在周期內的占比為占空比，由軸向運動調節，用字母表示。占空比控制輸出流量的通流時長，增大占空比可以減小流量脈動，提高輸出流量的穩定性。以左端入口為例，當步進電機驅動閥芯右移時，占空比增大。伺服電機驅動閥芯旋轉，閥芯溝槽旋轉至與窗口有重疊部分的位置時，閥口打開，油液由出口流出；當閥芯溝槽旋轉至與窗口無重疊部分時，閥口關閉，出口無油液流出。圖2中陰影區域即為重疊部分，閥芯旋轉不斷改變重疊部分的面積大小，使得閥口流量周期性通斷，實現高速開關。

圖2 閥芯旋轉式高速開關閥工作原理

2 氣穴理論分析

2.1 混合相的控制方程

Mixture模型是一種簡化的多相流模型，將流體中各相視為相互混合的單流體，通過求解混合物中的連續方程、動量方程及氣相體積分數方程來模擬氣液兩相流體的運動。

(1)混合相連續方程：

(1)

=+(1-)

式中:為混合相密度;為混合相速度;為氣相體積分數;為液相密度;為氣相密度。

(2)動量方程：

(2)

=+(1-)

式中:為混合相動力黏度;為混合相速度;為液相動力黏度;為氣相動力黏度。

(3)氣相體積分數方程：

(3)

式中:為傳質源項(與氣泡的生長和破裂有關)。

2.2 氣泡動力學方程

在大多數工程情況下，假設空化是由于有大量氣核生成的。在液相與氣相之間無滑移運動時，氣泡動力學模型可由廣義Rayleigh-Plesset方程推導得到：

(4)

式中:為氣泡半徑;為液體表面張力系數;為液體運動黏度;為氣泡表面壓力;為環境壓力。

忽略氣泡動力學方程中的二階項和表面張力，式(4)可簡化為氣穴擴散方程，如式(5)所示：

(5)

2.3 Schnerr-Sauer空化模型

Schnerr-Sauer空化模型基于Rayleigh-Plesset方程，能夠描述液相中單個氣泡的生長。將式(1)與式(3)聯立，得到氣相質量變化率與氣相體積分數變化率之間的關系：

(6)

其中:氣相體積分數可由氣泡數密度與氣泡半徑表示：

(7)

對式(7)求導可得氣相體積分數變化率與氣泡半徑變化率之間的關系式：

(8)

Schnerr-Sauer空化模型表達式：

式中:為空氣分離壓。

3 數值模擬

3.1 建立模型

文中主要研究菱形窗口處的流場，忽略閥套流道結構對該流場的影響。流體從進口流入，經過閥套與閥芯形成的閥腔到溝槽與窗口重疊位置，最后由出口流出。因閥芯為左右對稱結構，故只研究左端進油口到出口的流場即可。根據閥芯旋轉式高速開關閥的結構尺寸，利用SolidWorks軟件建立流體模型，如圖3所示。為便于描述氣穴現象的變化規律，將閥套上菱形窗口的4個側面分別設為、、、面，如圖4所示。

圖3 高速開關閥的流體模型 圖4 菱形窗口的流體模型

3.2 網格劃分

流體模型為軸對稱結構，故只取模型的1/2部分作為研究對象即可，忽略閥芯與閥套上的倒角，通過上述對模型的簡化處理來提高計算的收斂速度。采用ANSYS中Mesh模塊的四面體網格方式劃分流體模型，并對閥套窗口以及接觸面進行局部加密，如圖5所示。

圖5 網格劃分

3.3 邊界條件

將劃分后的網格模型導入Fluent中，選擇壓力基瞬態求解器，忽略質量力的影響。閥芯轉速為3 000 r/min，運用滑移網格技術，將與閥芯壁面接觸的面設為旋轉運動壁面。湍流模型選擇Realizable k-epsilon(2 eqn)。選用兩相流中Mixture模型，主相為液壓油，密度為850 kg/m，動力黏度為0.035 Pa·s；次相為空氣，密度為1.225 kg/m，動力黏度為1.789 4×10Pa·s，兩相間的相互作用選擇cavitation機制，空化模型默認Schnerr-Sauer模型。采用耦合、隱式求解器，可以提高求解的精度。流體模型的入口為壓力入口，出口為壓力出口。

4 仿真結果及量化分析

為直觀反映不同運動和結構參數下氣穴變化趨勢，需要對氣穴大小進行量化處理。利用Fluent后處理模塊中Volume-Ave功能計算出氣相的體積占比，用氣相體積分數描述氣穴現象。氣相體積為

(9)

式中：為單位區域內的氣相體積分數；為單位區域內的體積。

氣相體積分數：

(10)

式中：為混合相體積。

4.1 閥芯旋轉角度對氣穴現象的影響

研究閥芯溝槽與閥套窗口的重疊部分(即閥芯旋轉角度)逐漸增大時，閥口氣穴范圍與氣相體積分數的變化規律。圖6所示為出口壓力為3 MPa，占空比為0.4，閥芯旋轉角度分別為1°、3°、5°、7°的氣穴分布云圖。初始時刻，窗口與溝槽的重疊面積為零。可知：閥芯旋轉角度為1°時，面及其相鄰兩面的氣穴現象嚴重，氣相體積分數為0.63，面和面的氣穴范圍呈對稱分布且兩面產生的氣穴與面相連，氣穴高度約為窗口總高度的2/3；旋轉角度為3°時，氣穴范圍整體大幅度減小，窗口處氣相體積分數急劇下降，降至0.15，氣相體積分數最大值主要集中在面和面的中下部區域，面上氣穴范圍大但氣相體積分數較小；閥芯旋轉為5°時，氣穴現象主要出現在面及其相鄰兩面下部的較小區域內，氣穴形狀與閥芯旋轉為3°時相似，氣穴范圍縮小趨勢放緩，與圖7中窗口處氣相體積分數下降速度減小相一致；閥芯旋轉7°時，氣穴范圍有小幅度增加，但氣相體積分數為0.01，可以忽略不計。綜上可知，當閥芯旋轉角度較小時，會產生嚴重的氣穴現象，氣穴主要發生在面及其相鄰兩面上，隨旋轉角度的增大而減小，在旋轉角度為5°時氣穴現象幾乎消失。通過對比不同閥芯旋轉角度的氣穴分布云圖，發現面與面的氣穴范圍對稱分布且在有規律縮小，氣相體積分數最大值所在面未發生變化，這說明閥芯旋轉沒有干擾流場的穩定性。

圖6 不同閥芯旋轉角度的氣穴分布云圖

圖7 不同閥芯旋轉角度的氣相體積分數變化曲線

4.2 出口壓力對氣穴現象的影響

圖8所示為旋轉角度為3°，占空比為0.4，出口壓力分別為0 、1 、3 和5 MPa的氣穴分布云圖。可知：出口壓力為0 MPa時，氣穴現象非常嚴重，氣穴主要集中在面與相鄰兩面的交界處，兩部分氣穴軸對稱分布，氣相體積分數為0.60；當出口壓力增大到1 MPa時，氣相體積分數下降至0.38，氣穴發生的位置未變化但范圍明顯減小，面與相鄰兩面的氣穴高度下降，面上氣穴范圍小幅度縮小；出口壓力為3 MPa時，氣穴發生的主要區域與前兩者相同，氣穴范圍繼續下降且處于各面的下半部分，氣相體積分數下降速度不變，降至0.15；出口壓力為5 MPa時，氣穴現象極小范圍地發生在面和面上，氣相體積分數趨于0。綜上可知，在保持其他參數不變的情況下增大出口壓力，氣穴范圍及氣相體積分數的最大值減小，但氣穴發生的主要區域不變，當出口壓力為5 MPa時，氣穴現象急劇縮小并在旋轉角度為3°時幾乎消失。圖9所示為不同出口壓力的氣相體積分數變化曲線。可知：增大出口壓力，氣相體積分數的下降速度增大，這表明改變出口壓力可以影響氣穴變化趨勢。

圖8 不同出口壓力的氣穴分布云圖

圖9 不同出口壓力的氣相體積分數變化曲線

4.3 占空比對氣穴現象的影響

圖10所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉角度為3°，占空比分別為0.4、0.7、0.9的氣穴分布云圖。與圖10(a)相比，(b)中面和面上的氣穴高度增加，寬度減小，面上氣穴范圍縮小。占空比為0.9時，氣穴總體形狀保持不變，面和面上的氣穴高度繼續增加，頂端寬度減小，氣相體積分數最大值所占區域上移。綜上可知，改變占空比，氣穴范圍整體形狀不變，只有氣相體積分數最大值區域有小幅度變化。圖11所示為不同占空比的氣相體積分數變化曲線。可知：不同占空比的氣相體積分數變化曲線基本重合，只在旋轉角度為3°和4°時有差異，但氣相體積分數小于0.2，數值較小。因此，可以說明占空比的變化對氣穴現象的影響較小。

圖10 不同占空比的氣穴分布云圖

圖11 不同占空比的氣相體積分數變化曲線

4.4 菱形窗口邊長對氣穴現象的影響

圖12所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉角度為3°，邊長分別為2、3 mm時的氣穴分布云圖。與圖12(a)相比，圖(b)中氣穴現象只在面和面上發生且范圍極小。增大窗口邊長，會增加窗口的流通面積，使得窗口處速度變化率減小，壓力梯度下降。圖13所示為不同窗口邊長的氣相體積分數變化曲線。可知：邊長為3 mm時，氣相體積分數急劇減小，閥芯旋轉角度為3°時趨向于0，窗口邊長的增大提高了氣穴現象的下降速度，同時也帶來了一個問題，增大窗口邊長也增加了窗口的最大流通面積，增大了流量脈動，不利于閥口流量的穩定輸出。

圖12 不同窗口邊長的氣穴分布云圖

圖13 不同窗口邊長的氣相體積分數變化曲線

4.5 閥芯結構對氣穴現象的影響

以上研究的閥芯結構為空心閥芯，優點是閥芯質量小、易驅動且閥芯旋轉產生的扭矩小。為研究旋轉過程中不同閥芯結構氣穴現象的變化規律，建立實心閥芯的流體模型如圖14所示。

圖14 實心閥芯流體模型

圖15所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉角度為3°，占空比為0.7，閥芯分別為空心閥芯、實心閥芯時的氣穴分布云圖。可知：兩者的氣穴范圍大致相同，但結構參數的改變引起了氣相體積分數最大值范圍的轉移，即在面上減小而在面上增加。圖16所示為不同閥芯結構的氣相體積分數變化曲線。可知：實心閥芯的氣相體積分數變化曲線在空心閥芯之下，但兩者在數值上相差較小。結果表明，兩種閥芯結構的氣穴現象變化規律相近，且實心閥芯質量遠大于空心閥芯，故空心閥芯具有更好的結構性能。

圖15 不同閥芯結構的氣穴分布云圖

圖16 不同閥芯結構的氣相體積分數變化曲線

4.6 菱形窗口傾斜角度對氣穴現象的影響

觀察上述氣穴分布云圖可知，氣穴現象易發生在靠近閥芯溝槽的一側，若改變閥芯溝槽與閥套窗之間的夾角，可能會減少氣穴現象的發生，提高輸出流量的穩定性。

因此，研究不同菱形窗口傾斜角度下氣穴現象，分析氣穴現象的變化規律。窗口傾斜角度是傾斜軸線與軸的夾角，該軸線所在截面分別穿過面與面的交線以及面與面的交線，如圖17所示。

圖17 傾斜軸線截面

圖18所示為出口壓力為3 MPa，閥芯旋轉角度為3°，占空比為0.4，傾斜角度分別為0°、10°、15°、20°、25°時的氣穴分布云圖。對比圖18(a)與(b)發現，傾斜角為10°時，氣穴范圍急劇減小，氣相體積分數的下降速度增大，只在面與面有極小范圍的圓形氣穴產生。當傾斜角度增加到15°時，圓形氣穴的范圍繼續縮小，且氣相體積分數最大值僅為0.065。繼續增大傾斜角，氣穴范圍基本不再變化，這與圖19中為15°、20°、25時的氣相體積分數變化趨勢相一致。

圖18 不同傾斜角的氣穴分布云圖

圖19 不同傾斜角的氣相體積分數變化曲線

5 結論

(1)利用Fluent軟件對閥芯旋轉式高速開關閥閥口的氣穴現象進行數值模擬及量化分析，發現氣穴現象主要發生在靠近閥芯溝槽一側。在閥芯旋轉角度較小時閥口氣穴現象嚴重，氣穴范圍隨旋轉角度的增加而減小。

(2)分析不同運動和結構參數下的氣穴現象，發現增大出口壓力可以提高氣穴現象的下降速度，當出口壓力為5 MPa時，氣穴范圍急劇縮小并在旋轉角度為3°時基本消失；增大菱形窗口邊長可以抑制氣穴發生，同時會增大閥口流量脈動，不利于閥口輸出流量的穩定性；改變占空比對氣穴現象的影響較小；空心閥芯比實心閥芯具有更好的結構性能。

(3)針對易產生氣穴的流道結構問題，分析不同菱形窗口傾斜角度對氣穴現象的影響，發現增大傾斜角度，可以減少氣穴現象的產生。當傾斜角度為15°時，氣相體積分數變化曲線最低，氣相體積分數最大值僅為0.065，氣穴抑制效果顯著。

(4)通過對閥芯旋轉式高速開關閥閥口的氣穴特性的研究，為減少氣穴現象的產生，改善高速開關閥的結構參數設計提供了參考。