引壓管對閥內流場影響仿真研究

任 偉， 蘇文斌， 孫 輝， 劉燦杰

(1.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710000；2.江蘇匯智高端工程機械創新中心有限公司， 江蘇 徐州 221004)

引言

閥內壓力測量對于研究液壓閥結構與保證液壓閥控制特性具有重要意義。由于閥體結構緊湊，測量元件安裝空間受限，在實際中進行閥內壓力測量非常困難。

曹秉剛等[1]搭建了閥芯錐面壓強分布測量裝置，研究了內流式錐閥穩態液動力和閥芯錐面壓強分布規律；冀宏等[2]利用閥套移動式液壓閥壓力測量裝置，對兩種典型節流槽的壓力分布進行了分析； 張曉俊等[3]設計了一種直接測量閥芯壁面壓力分布的試驗方案，對內流式滑閥的穩態液動力進行了研究。以上方案均實現了實驗室環境下閥內壓力的測量。美國伊頓公司[4]在ZTS16 電液比例閥中，利用薄膜式的壓力傳感器和內嵌的控制器計算判斷外加負載的大小和方向；王雙[5]、鐘麒[6]將薄膜濺射壓力傳感器應用于負載口獨立可編程閥，實現了實際工況下的閥口壓力檢測?？偟膩碚f，眾多學者都在測量閥內壓力方面做了大量有益工作，但液壓閥流道結構復雜，導致上述方案中壓力測量元件無法齊平安裝，只能利用引壓管進行壓力傳遞[7-8]。而增設的引壓管會改變流道結構，進而對閥內流場產生影響，上述方案暫未在這方面進行深入研究。

因此，本研究提出了一種引壓管對閥內流場影響的計算分析方法，并以四閥芯閥口獨立控制閥為研究對象進行了模擬仿真。首先對控制閥與引壓管結構進行了分析；然后建立了閥腔模型并進行了試驗驗證；最后進行了數值計算，分析了不同引壓管內徑對閥內流場的影響規律，確定了引壓管結構參數。

1 四閥芯閥口獨立控制閥與引壓管結構

圖1所示即為四閥芯閥口獨立控制閥三維圖， 主要由閥體、回油閥芯、進油閥芯和溫壓傳感器組成， 通徑為32 mm。其中溫壓傳感器尺寸為Φ10×8 mm， 各臺傳感器分別位于四閥芯閥口獨立控制閥的進油閥芯和回油閥芯附近，在閥體上進行嵌入式安裝，并通過引壓管與閥腔相連，對各工作口壓力進行測量。

1.閥體 2、5、6、9.溫壓傳感器 3、8.進油閥芯 4、7.回油閥芯

圖2所示為進油閥芯和回油閥芯附近的引壓管三維圖，其上部空腔用于放置環形密封圈，實現高壓油密封。圖3所示為引壓管的結構簡圖，單位為mm，圖中除引壓管內徑D外，其余參數已根據閥體與傳感器尺寸確定。

圖2 引壓管三維圖

圖3 引壓管結構簡圖

2 閥腔模型試驗驗證

2.1 閥腔流量仿真

由于所研究的四閥芯閥口獨立控制閥結構對稱，因此只需要建立單側閥腔模型。在SolidWorks中進行布爾運算，根據閥口遮蓋量和閥芯最大行程，依次對不同閥口開度下的閥腔進行抽取，得到閥口開度分別為2.4, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.5 mm的幾何模型，圖4所示為8 mm閥口開度下的閥腔模型。

圖4 閥腔模型

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)常用于研究液壓閥內部流動特性，根據閥內流體的動量守恒、質量守恒和能量守恒定律，聯立邊界條件，即可求出流體相關參數[9]。因此本研究將不同閥口開度下的閥腔模型依次導入Fluent軟件中，利用Meshing對閥腔模型進行自動化網格劃分?？紤]到入口和出口處壓力變化不大，采用較粗網格；閥口部分由于速度和壓力梯度較大，流動情況復雜，為了使計算容易收斂，采用影響球對其附近網格進行局部加密。圖5所示為劃分好的閥腔網格圖，網格單元總數為169萬左右。

圖5 閥腔網格圖

假設閥內為不可壓縮的牛頓流體，流動狀態為紊流，采用標準κ-ε模型[11-12]，并設置閥腔進、出口壓力分別為1， 0 MPa。

2.2 閥腔流量試驗

開展四閥芯閥口獨立控制閥流量試驗，圖6所示為試驗系統原理圖，主要包括液壓泵、安全閥、被試閥、位移傳感器、壓力傳感器、流量計、數據采集器和顯示器。圖7所示為被試四閥芯閥口獨立控制閥樣閥。

圖6 試驗系統原理圖

圖7 四閥芯閥口獨立控制閥樣閥

試驗過程中，通過調節安全閥溢流壓力和液壓泵輸出流量，保證被試閥前后壓差為1 MPa。然后調節閥芯位移，記錄不同閥口開度下的流量數據。

2.3 閥腔流量仿真與試驗結果對比

如表1所示為不同閥口開度下閥腔流量的仿真和試驗結果?？梢钥闯觯旈y芯位移為2.4 mm時，閥口雖未打開，但閥內流量試驗值已達0.02 L/min，這是因為實際中閥芯和閥腔內壁之間存在配合間隙，從而產生了微小內泄漏[13-14]。為保持試驗過程中不同閥口開度下被試閥前后壓差的一致性，當閥芯位移為13.0 mm和14.5 mm時，試驗流量值均超過被試閥額定流量600 L/min，這種情況在被試閥實際工作環境下一般不會出現。同時發現，不同閥口開度下，仿真與試驗得出的閥內流量并不完全重合，這是因為樣閥存在一定加工誤差。

表1 不同閥口開度下仿真與試驗流量

結合表1數據，通過下式計算仿真與試驗流量相對誤差δ0：

(1)

圖8所示為不同閥口開度下仿真與試驗流量相對誤差柱狀圖。

從圖8可以看出，在不同閥口開度下，仿真與試驗流量之間的相對誤差最大不超過18%，最小僅為0.05%，整體來看誤差較小，所以此閥腔模型可以用于后續的分析與研究。

圖8 不同閥口開度下仿真與試驗流量相對誤差

3 引壓管對閥內流場影響分析

3.1 引壓管對閥內流場影響數學模型

在不考慮液壓閥外泄漏的情況下，油液在閥內流動遵循質量守恒定律[15]。將閥內油液假設為做恒定流動的不可壓縮流體，則增設引壓管前后，流過引壓管所在閥腔截面的流量分別為：

Q1=A1v1

(2)

Q2=A2v2

(3)

式中，A1,A2—— 增設引壓管前后，引壓管所在閥腔截面積

v1，v2—— 增設引壓管前后，引壓管所在閥腔截面油液平均流速

將引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響程度表示為：

(4)

若增設引壓管前后閥內流量相等，則有：

(5)

油液在閥腔內流動時產生的壓降主要由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成[16]，若閥腔出口處壓力為0 MPa，則閥腔進出油口之間的壓差為：

(6)

式中， Δp—— 閥腔進出口之間的壓差

p—— 進口截面的平均壓力

λ—— 沿程阻力系數

l—— 閥腔長度

d—— 閥腔內徑

v—— 油液流速

γ—— 油液重度

ζ—— 局部阻力系數

將引壓管對閥腔前后壓差的影響表示為：

(7)

式中，δp—— 引壓管對閥腔前后壓差的影響程度

Δp1，Δp2—— 增設引壓管前后的閥腔進出口壓差

3.2 引壓管對閥內流場影響仿真

在已驗證準確性的閥腔模型基礎上，增設引壓管結構，圖9所示為8 mm閥口開度下帶引壓管的閥腔模型。由于引壓管內徑D超過傳感器尺寸會影響傳感器定位，因此在小于傳感器直徑10 mm的范圍內，依次設置引壓管內徑分別為2, 4, 6, 8 mm。

圖9 帶引壓管的閥腔模型

圖10所示為帶引壓管的閥腔網格圖，其閥口和引壓管附近閥腔處均進行了局部加密，網格單元總數約為171萬。

圖10 帶引壓管的閥腔網格圖

在求解器中選用標準κ-ε模型，并設置質量流量入口為1.97 kg/s，壓力出口為0 MPa。

3.3 引壓管對閥內壓力場影響仿真

圖11所示為不同引壓管內徑下閥腔進油截面的壓力分布。

圖11 閥腔進油截面壓力分布

根據閥腔進油截面壓力分布，調用后處理軟件，計算引壓管所在閥腔進油截面的平均壓力。根據式(6)，得到不同引壓管內徑下閥腔進出口壓差如表2所示，其中引壓管內徑為0 mm表示閥腔未增設引壓管。

表2 不同引壓管內徑下閥腔進出口壓差

根據式(7)，計算得到不同內徑引壓管對閥腔進出口壓差影響的柱狀圖如圖12所示。

圖12 引壓管對閥腔進出口壓差影響

從圖12可以看出，與增設引壓管前相比，增設不同內徑引壓管對閥腔進出口壓差的影響較小，均不超過0.5%，這是由于引壓管尺寸遠小于整個閥腔，因此引壓管對流道整體節流特征的影響較小。

3.4 引壓管對閥內速度場影響仿真

圖13所示為進油閥芯附近引壓管所在閥腔截面的速度分布。

圖13 引壓管所在閥腔截面速度分布

根據引壓管所在閥腔截面的速度分布，進一步計算得到該截面的油液平均速度如表3所示。

表3 不同引壓管內徑下截面平均速度

根據式(4)，計算不同內徑引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響，并繪制圖14所示柱狀圖。

從圖14可以看出，引壓管對其所在閥腔截面平均速度影響最小為13.2%，最大20.9%。由于引壓管對其所在閥腔截面積的改變大于其對閥腔整體節流特征的影響，因此對比閥腔前后壓差，引壓管對其所在截面平均速度的影響更大。隨著引壓管內徑的增大，引壓管對所在閥腔截面平均速度的影響增大， 這是因為引壓管內徑增大引起引壓管所在閥腔截面積增大，在確定流量下，由式(5)可知，此時截面平均速度相應降低。

圖14 引壓管對其所在閥腔截面平均速度影響

3.5 引壓管內徑確定

本研究采用的溫壓傳感器內部感知芯片的尺寸為2.5 mm×2.5 mm×1 mm，為保證芯片表面各處均可感知到油液狀態，則引壓管內徑應大于芯片表面線元素的最大長度，即：

(7)

綜合考慮引壓管對閥腔進出口壓差、引壓管所在閥腔截面平均速度的影響，以引壓管對閥內流場影響盡量小為目標，確定引壓管內徑為4 mm。

4 結論

(1) 提出一種引壓管對閥內流場影響的計算和分析方法，并以四閥芯閥口獨立控制閥為對象，在試驗驗證了閥腔模型準確性的基礎上，仿真研究了引壓管對閥內壓力場和速度場的影響，揭示了引壓管結構參數對閥內流場的影響規律，確定了引壓管結構參數；

(2) 仿真研究結果表明，引壓管在8 mm內徑范圍內時，增設引壓管對閥腔進出口壓差的影響較小，不足0.5%，而增設引壓管對其所在閥腔截面平均速度的影響較大，且隨著引壓管內徑增大而增大；

(3) 為滿足溫壓傳感器的工作需求，并降低引壓管對閥內壓力場、速度場的影響，最終確定引壓管內徑取4 mm為宜。