節流閥雙U閥槽二次結構優化后特性分析*

周知進,李松波,羅先聰

(1.貴州理工學院 機械工程學院,貴州 貴陽 550003;2.江西理工大學 機電工程學院,江西 贛州 341000)

0 引 言

節流閥作為液壓傳動和控制技術中的基礎元件之一,具有密封性能好、過流能力強、響應速度快等眾多優點[1],在人類工業生產生活中得到了廣泛應用。

節流閥通過改變節流口的液阻大小來控制節流口的流量。節流槽是節流閥的關鍵部位,節流口的形狀在很大程度上決定著節流閥的節流性能[2]。節流閥閥槽在工作過程中影響流場變化與結構變形,進而影響閥芯卡滯。

易迪升等人[3]對系統調節性能受三角槽形節流閥口結構參數的影響情況進行了分析研究,通過對不同節流槽進行優化,驗證了所研發的節流槽優化設計軟件的有效性。王安麟等人[4]針對多路換向閥換向過程中的多閥口節流耦合作用問題,提出了一種多路換向閥耦合節流槽結構設計方法,該方法以圓型、U型以及半圓型3種基本節流拓撲結構的參數作為設計變量。李維嘉等人[5]利用粒子群優化了算法,得到了滿足定壓差條件下閥口開度流量特性要求的節流槽優化尺寸,并通過實例驗證了其優化結果。畢長飛[6]采用AMESim軟件對節流閥口形狀改變時系統的動態特性進行了研究,并為液壓自動制動系統流控閥節流閥口選取了三角槽形,根據分析結果得出了結論,即系統的調節性受節流閥口三角槽的深度和寬度影響較小,且隨節流閥口三角槽長度的增加,系統的調節性能得到了明顯改善。張鑫等人[7]研究了節流槽數量、閥口壓差對閥腔內流體速度場、閥芯溫度場及閥芯應變場動態特性的影響,并得出了結論,即隨著閥口壓差的增加,流體的最大流速以及閥芯的最高溫度和最大變形增大。張健等人[8]基于ADINA軟件的流固耦合模塊,對3種閥芯情況下,閥體內流道的壓力分布和流場情況進行了仿真研究,并得出了結論,即節流閥的內流道壓力在經過閥口后迅速降低,在閥口的邊緣位置有內流道中的最小值。謝海波等人[9]對閥芯所受液動力進行了數值求解,并對液壓閥的壓降曲線進行了比較,為液壓閥的結構優化提供了指導。張俊俊等人[10]對液壓滑閥閥芯卡緊力進行了數值模擬研究,并根據研究結果,得到了均壓槽合理的結構尺寸。晏靜江等人[11]計算了U型節流閥在不同工作壓力下,不同節流槽口的寬度和深度,以及不同開度的速度場和閥芯表面溫度場。晏靜江等人[12]對U形節流閥的速度場以及油液黏性熱效應進行了計算流體力學解析,得出了閥芯的溫度場分布。袁王博等人[13]研究了U形節流槽的滑閥閥芯熱變形,該研究結果可以為閥芯的熱變形研究提供借鑒。CHEN Qi等人[14]基于MATLAB-AMESim-FLUENT聯合仿真方法,對滑閥的流量進行了研究,對其結構進行了優化。YANG Ye等人[15]采用計算流體動力學(CFD)和實驗研究的方法,闡明了凹槽形狀對流動特性的影響;并采用RNG k-ε湍流模型,模擬了3個槽口及其典型結構槽內流場的壓力分布,分析了限制位置隨開口的變化規律,進而計算出了槽口的流場面積;通過將計算結果與實驗數據進行比較,證明了所采用模型的準確性。YOON W等人[16]研究了可調面積節流閥的流量測量與儀表流量控制的特性。孫后環等人[17]采用CFD軟件對V-U及U-U型節流槽及其閥內流動進行了仿真分析,并通過實驗獲得了可以反映節流槽閥口阻尼特性的流量系數,及其隨閥口開度變化的規律。HUANG Jia-wu等人[18]使用CFD分析了閥門節流槽口的流動特性,模擬了不同工況下的流量、流量系數、流出角、流動力的流動特性,并分析了槽口形狀和數量對其的影響。

以上學者針對多種節流閥閥口結構進行了優化設計,得出了閥口在不同開度、壓差等工況下,流場特性、溫度場特性及閥芯應變場的特性,研究了閥口參數對閥芯處溫度與應力變形的影響。但是,上述研究并沒有對雙節節流閥槽結構分開進行研究,且針對的研究對象是閥槽接合面呈線性接觸的結構,從而體現不出第一節槽與第二節槽在閥芯最高溫度與最大變形的差異性。

在工作過程中,節流閥閥槽不同形狀影響流場特性與變形,進而影響閥芯卡滯。因此,通過對閥芯節流槽處結構進行優化,來降低閥芯上的最高溫度和最大變形量具有十分重要意義。

為此,筆者將呈線性接觸的閥槽結構優化成小圓角接觸的閥槽結構,并對優化后閥槽處最高溫度與最大變形進行研究。

1 節流閥結構

油液流動方向通常以節流槽為判斷標準,即油液從節流槽流入閥腔為流入方向,從閥腔流入節流槽為流出方向。

雙U型節流槽結構示意圖與流入流出方向如圖1所示。

圖1 節流槽結構與流動方向

此處,筆者采用圖1(b)所示流向,油液通過閥腔從U型節流槽流出,經過B1、B2-A2、A1過程。其過流面有2個:第一節U型槽過流面A1與B1,第二節U型槽過流面為A2與B2。

節流閥的雙U型節流槽的節流原理如圖2所示。

圖2 雙U型節流槽的節流原理

從圖2可以看出:A1與B1串聯等效得AU1,AU1與A2并聯后再與B2串聯,等效得到二節矩形節流槽閥口面積AUU。

其等效計算公式為:

(1)

(2)

雙U形節流槽的結構簡圖如圖3所示。

圖3 雙U型節流槽結構簡圖x—閥口開度;Rs—閥心半徑;r1—第一節矩形槽半徑;D1—第一節U形槽深度;L1—第一節矩形槽長度;r2—第二節矩形槽半徑;D2—第二節矩形槽深度;L2—第二節矩形槽長度

2 節流槽結構二次優化

筆者采用雙向熱流固耦合方法,對閥芯溫度場與變形場進行研究,結果可知:在不同閥口開度與閥口壓差下,雙U型節流閥的節流槽處溫度較高,且有明顯的變形,這就會導致閥芯在工作時出現卡滯的現象。因此,需要通過對閥芯節流槽處結構予以優化,以降低閥芯處的最高溫度與最大變形量。

經過第一次結構優化后,結果可知:閥口開度在0.5 mm～4 mm,最大變形主要集中在第一節U型槽棱角地方;閥口開度在5 mm～6 mm,最大變形量則轉移至第二節U型槽棱角。

為有效減小節流槽棱角區域的變形,筆者將兩節節流槽都優化成漸擴型節流槽結構,如圖4所示。

圖4 第一次優化前后閥芯節流槽處的結構示意圖

圖4中,節流槽通過了第一次優化,即將原有節流槽結構優化成漸擴型,大大降低了第一節節流槽處最高溫度與最大變形量;但是第二節節流槽最高溫度與最大變形量仍較大,顯示其優化效果仍然不好。

因此,筆者對閥芯節流槽處結構做進一步優化,即將其棱邊進行圓角化處理,其優化后的結構示意圖如圖5所示。

圖5 第二次優化閥芯節流槽處結構示意圖

筆者通過對雙U型節流閥槽形狀進行二次優化,改成小圓角過渡后,利用Workbench建立其實體模型,進而建立流固耦合模型中的流體域和固體域,并對其進行網格劃分。

綜合考慮節流閥所處的工況,筆者完成了仿真過程中相關邊界條件和求解參數的設置。

3 優化后結果分析

3.1 圓角半徑對溫度與變形的影響

第一次節流槽結構優化后,閥槽處最高溫度為656.23 K,最大變形量為14.616 μm。

通過與優化前的數值對比可知:其最高溫度降低了82.24 K,最大變形量降低了1.027 μm。從中可以看出,閥槽處的優化雖然對最高溫度與最大變形有效果,但最大變形的優化效果仍然不夠理想。

第二次閥芯節流槽結構優化成圓角,初步分析后可知,閥槽處最高溫度與最大變形量均有降低,但是哪個圓角值效果最優,還需要進一步研究。

為此,筆者分別取圓角半徑r為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,保持閥口開度與閥口壓差工況不變,進而對不同圓角下最高溫度與最大變形量進行分析。

不同圓角半徑節流槽處的最高溫度與最大變形量,如圖6所示。

圖6 不同圓角半徑節流槽處最高溫度與最大變形量

由圖6可知:圓角半徑2 mm,閥芯上最高溫度值與最大變形量出現第一個極小值;圓角半徑5 mm,出現第二個極小值。

但圓角半徑r=2 mm效果更好。

當閥口開度6 mm、圓角半徑2 mm時,閥芯溫度場與變形場分布云圖,如圖7所示。

圖7 第二次優化后閥芯的溫度場和變形場分布云圖

由圖7可知:第二次優化后,在圓角半徑在1 mm～6 mm范圍內,節流槽處的最佳結果為r=2 mm的最高溫度574.26 K,最大變形量為11.606 μm;

通過第一次優化最優數據進行對比可知,其最高溫度降低81.97 K,最大變形量降低3.01 μm。

3.2 閥口開度為4 mm時壓差對溫度與變形量影響

為了探明第二次優化后,節流槽結構對閥槽處最高溫度與最大變形量有較好的效果,筆者在閥口開度為4 mm,壓差取值4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 MPa情況下分別對其進行模擬。

閥口開度為4 mm時閥芯最高溫度與最大變形量,如圖8所示。

圖8 閥口開度為4 mm時閥芯最高溫度與最大變形量

由圖8可知:經過第二次優化后,節流槽結構閥芯上最高溫度與最大變形量均有減小,其中,溫度最高減小127.27 k,最大變形量減小2.82 μm[19，20]。

3.3 閥口開度為6 mm時壓差對溫度與變形量影響

閥口開度為6 mm,壓差取值4 MPa、8 MPa、12 MPa、16 MPa、20 Ma,筆者對其進行模擬分析,得到不同壓差下開度為6 mm優化前后結果,如圖9所示。

圖9 不同壓差下開度為6 mm優化前后結果

由圖9可知:第二次優化后,閥槽處最高溫度與最大變形量都有降低,且隨著壓差的增大,其優化效果越明顯;閥槽處最高溫度的最大降幅為95.6 K,最大變形量降幅為3.28 μm。

上述結果進一步證明,圓角優化方法對降低第二節節流槽棱角區域最高溫度與最大變形量具有顯著的效果。

4 結束語

筆者對雙U型節流閥槽形狀進行了二次優化,將其改成小圓角過渡后,利用Workbench建立了節流閥的實體模型,用流體仿真軟件建立了流固耦合模型中的流體域和固體域,并對其進行了網格劃分;綜合考慮了節流閥不同工況,完成了對仿真過程中相關邊界條件和求解參數的設置;重點研究了在閥口開度為4 mm、6 mm兩種工況條件時,節流槽處最高溫度與最大變形量的變化規律。

研究結論如下:

(1)當優化圓角半徑r為2 mm,其閥芯上最高溫度值與最大變形量處于最小值,且其最高溫度降低81.97 K,最大變形量降低3.01 μm;

(2)當閥口開度為4 mm時,經過結構優化后,節流槽閥芯上最高溫度與最大變形量均有減小;其中,溫度最高減小127.27 k,最大變形量減小2.82 μm;

(3)當閥口開度為6 mm時,優化后閥槽處最高溫度與最大變形量也都有降低,其中,最高溫度降幅達95.6 K,最大變形量降幅為3.28 μm;且隨著壓差不斷增大,其優化效果越明顯;

(4)節流閥閥槽圓角優化后,對降低第二節節流槽棱角區域最高溫度與最大變形量均具有了較好的效果。

在接下來的工作中,筆者將研究當含有污染顆粒的液壓油流經優化后的節流閥閥槽時,污染顆粒粒徑、濃度對閥芯最高溫度與最大變形量的影響。