防回油沖擊液壓油箱結構改進

程昱杰,陳冬京,張昊天,張 晉,周東波

(1.燕山大學 機械工程學院,河北 秦皇島 066004; 2.上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200125;3.上海港口機械工程技術研究中心,上海 200125)

引言

液壓系統因其具有高功重比、響應速度快、控制方式多樣等優點,廣泛應用于實際生產當中[1]。研究表明,70%左右的液壓元件和系統故障都是由于油液污染造成的[2]。液壓油中混入空氣等污染物會影響液壓系統工作穩定性,氣體會影響油液的體積彈性模量,導致執行元件出現動作誤差,造成液壓缸的爬行與系統運行過程中的振動,影響系統性能[3]。同時導致油液劣化變質,氣泡在被壓縮時會釋放大量的熱,局部燃燒氧化液壓油,導致油液使用壽命降低[4]。在高壓狀態下會影響油膜的建立,造成滑動面擦傷,導致元件氣蝕使金屬表面發生點狀磨損,降低元件的使用壽命。

在系統運行過程中,由于回油油液對油箱內部油液的沖擊作用,會造成油箱內部油液翻騰卷入空氣現象,造成油液內氣體污染物含量增加。為了減少油箱內液面晃動產生的卷氣現象,對油箱進行結構改進,減少氣體污染物卷入油液內。

現階段,針對抑制液體晃動的研究主要應用在航天領域[5]和公路運輸領域[6]。在航天器發射過程中燃油油箱內液面的晃動會影響航天器的飛行姿態,影響航天器的飛行軌跡,需要對液面的晃動狀態進行抑制。王照林[7]等,通過研究液倉內液體晃動的等效力學模型求解液體對箱壁的反力,并得到添加隔板后有較為明顯的防晃效果。楊瑞[8]等通過對肋板減重孔的研究發現,肋板的形狀對油箱內流場的狀態有較大影響。

油罐車內液體在運輸過程中受到道路環境的影響,內部液體會出現晃動現象[9],油液與壁面的摩擦會造成靜電火花的產生,嚴重時會發生油罐內的液體自燃,造成安全事故,需要對油罐內的液面晃動進行抑制。張恩惠等[10],通過VOF模型對油箱內部液面的流動狀態進行分析,通過添加不同形狀的擋板對油箱內液面晃動進行抑制,并得到了不同種類擋板對抑制效果的評價。石坤等[11]在對燃油箱內液面晃動進行研究時表明,添加防浪板改變流體運動的速度和方向是抑制油箱內液面晃動產生噪聲的有效手段,能從根源上解決問題。

據此表明抑制液面晃動產生的常用手段是根據液倉內油液的流動狀態,添加相應的擋板對液面晃動進行遮擋。但現有研究的工況多針對于由外部激振導致箱體內油液產生晃動,對油液沖擊產生的液體晃動還少有研究。

本研究針對AGV油箱在實際應用過程中,由于回油時的油液沖擊造成的液面晃動,導致透氣帽處有油液滲出的現象進行分析。應用VOF模型和標準k-ε模型分析氣液交界面在不同時刻的狀態,針對性的對油箱進行結構改進,消除透氣帽處油液滲出現象,并減少油箱內的液面晃動,減少卷氣現象的發生。

1 模型分析

1.1 數值仿真模型

VOF模型是通過研究不同網格單元中不同流體所占用網格的體積比來確定自由面,進而追蹤流體變化的計算方法[12]。通過求解單獨的動量方程和處理穿過不同區域的每一流體的體積分數,來模擬不同組分的不能混合流體的運動狀態。

本研究中的油箱液面晃動模型,其中含有70%高度的油液和30%高度的空氣,忽略空氣在油液中的微量溶解,模擬在回油過程中油液液面由于油液沖擊在油箱中的晃動情況,觀察油液與空氣交界面的運動情況,因此應用VOF模型捕捉相界面的流動狀態。

在數值模擬過程中,模型的體積分數連續性方程式(1)、式(2)、連續性方程式(3)以及動量方程式(4)分別為[13]:

(1)

(2)

(3)

▽uT)]+ρg+F

(4)

式中,α1,α2——不同組分的體積分數,α1+α2=1

ρ——密度

μ——動力黏度系數

t——時間

u——速度

p——靜壓力

g——重力加速度

F——表面張力的等價體積力

物質整體屬性由各個部分組成的百分比所決定,由此相關的計算表達式為:

β=α1ρ1+α2ρ2

(5)

μ=α1μ1+α2μ2

(6)

式中,ρ1,ρ2——液體和氣體密度

μ1,μ2——液體和氣體動力黏度系數

VOF模型正是基于對氣液相體積分數α對氣液分布進行構造,從而監測氣液交界面的狀態。

標準k-ε湍流模型是在表征湍流流動脈動動能k方程模型基礎上發展起來的雙方程模型,具有較為廣泛的適用性[14]。該模型解決了k方程模型中含有渦流特征長度由經驗公式給出的缺點。

根據湍流黏性假設,k-ε湍流模型由式(7)～式(9)組成[15]。

關于k的模型輸運方程:

(7)

關于ε的模型輸運方程:

(8)

湍流黏性規范方程:

vT=Cμk2/ε

(9)

式中,pk為湍動能的產生項,以下系數是模型參數的標準值,其中Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

該模型為回油過程中,由于油液沖擊造成的油箱內液面的卷氣現象發生,油箱內處于湍流狀態,適用標準k-ε模型進行數值模擬計算。

1.2 物理模型

根據AGV油箱結構參數搭建流場有限元模型。其主要尺寸如表1所示。通過SolidWorks建立油箱流場的有限元模型,油箱結構模型如圖1所示,油箱流體域模型如圖2所示。首先分析在油箱中未加入隔板時,在回油管回油過程中,油箱內含有70%液面高度油液情況下,由于油液沖擊造成的油箱內液面的晃動情況。

圖1 油箱結構模型

圖2 油箱流場

表1 油箱主要結構參數

2 仿真分析

2.1 油箱回油過程仿真設置

利用ANSYS Fluent軟件中的Mesh模塊對油箱流場進行網格劃分。為了得到高質量的計算網格,在保證油箱關鍵結構參數不改變的情況下,對油箱流體域進行簡化,主要針對邊界處存在的銳角特征和邊緣處的窄小縫隙。簡化后模型相對規則,大面積區域采用六面體網格劃分法,小部分不規則區域采用四面體網格劃分方法。整體網格數量達到50萬,如圖3所示。

圖3 油箱流場整體網格

在CFD計算過程中,網格質量會直接決定計算的精度等級,因此進行網格無關性驗證是十分必要的。本研究選取最小網格尺寸3,3.4,3.8,4.2 mm,在相同的計算環境下對油箱回油口處的壓力進行誤差對比分析,如表2所示。

表2 網格尺寸誤差對比分析

根據表2可知,當網格尺寸在3 mm時,誤差最小,但是隨著網格尺寸的減小,需要付出相應的計算成本,綜合考慮,選擇網格尺寸為3.4 mm的網格進行模型的仿真計算。

油箱液面晃動模型中存在著氣體和油液兩種介質,兩相的主要差異為密度差異,依據此選擇VOF模型進行計算,選用Implicit格式進行求解。

為了更清晰的模擬油箱內油液與空氣的運動狀態,需建立油液與空氣介質的交界面,動畫場景設置如圖4所示。

圖4 仿真動畫場景設置

根據流場雷諾數可以確定流動狀態為湍流,因此采用標準k-ε模型進行仿真計算。將油箱的回油口設置為速度入口,入口速度根據液壓缸退回時實際流量計算得到,設置入口速度為2.9 m/s,將透氣帽處設置為Outflow,由于出口與大氣相連通,因此此處壓力為大氣表壓力。忽略壁面與流體之間的熱交換,設定壁面為無滑移壁面。流體介質選取46號抗磨液壓油的物理參數,密度為851 kg/m3,動力黏度為0.05 Pa·s。各項殘差設置為10-4,求解算法采用SIMPLE算法。

2.2 無擋板結構仿真結果分析

油箱在初始回油階段回油0.5,1 s時內部油液狀態如圖5～圖7所示。當回油口處的油液瞬間進入油箱時,觀察可以發現油箱內部的油液液面先沿著箭頭指向的方向運動,隨后觸及油箱壁面,并沿著油箱壁面向上運動,直至觸碰到油箱的上壁面,隨后發生油箱內的卷氣現象。根據圖6中油液的運動狀態,油液在觸碰油箱上壁面后,會由于慣性和油液內部的黏滯摩擦力的帶動作用繼續向前運動,直至油箱的前側壁面。在運動過程中,由于油箱透氣帽處于大氣連通,并未采用密封措施,因此油液會直接運動到透氣帽處,造成油箱內部油液向油箱外溢出。油箱在繼續回油過程中,運動至油箱前側壁面的液體與油箱內未卷起的油液發生碰撞,造成的激波導致油液有一次沖擊到透氣帽處,造成更多的油液流出系統之外。

圖5 回油初始時段油箱內流場狀態

圖6 回油0.5 s時油箱內部流場狀態

圖7 回油1 s時油箱內部流場狀態

根據以上不同時刻流場狀態分析,在回油管回油過程中,油液首先向回油方向運動,沖擊油箱的后側壁面,隨著油液堆積后沖擊油箱上壁面,進而運動到油箱的前側壁面,與油箱內部未運動的下層油液發生碰撞,發生油液的卷氣現象。

因此,為了防止透氣帽處的油液溢出系統之外,對油箱結構進行改進,并提出兩種解決方案。

2.3 擋板式結構改進

根據上述對在回油過程中油液在油箱內的沖擊過程的分析可知,在設置擋板時應該主要考慮到3個方面的因素,改進后的油箱結構如圖8所示。第一方面是在油箱回油過程中,由于油液快速回油造成油液在油箱內飛濺,透氣帽處回發生油液的溢出現象,因此需要設置套筒1對部分油液進行遮擋;第二方面是在回油時油液向油箱上頂板沖擊時,有也會從透氣帽處滲出的情況,需要設置擋板2對油液進行遮擋;第三方面是在油液沖擊前側壁面與下層油液相互沖擊時,造成油液從透氣帽處飛濺,因此設置擋板3對油液進行遮擋。對改進后油箱結構,重復上述參數設置進行數值模擬計算,并分析其流場狀態。

圖8 擋板式油箱結構改進

如圖9所示,套筒1和擋板2對回油過程中卷起的油液進行了有效的遮擋,但由于擋板3對油液的阻礙作用,導致擋板3下部分的油液運動到擋板3以上,造成透氣帽與油箱連通處的油液堆積。但是在后續回油過程中,隨著擋板3處的油液不斷堆積,會發生從透氣帽與油箱相連的小孔處向外滲油的現象。此時油液的運動狀態如圖10所示。

圖9 回油1 s時擋板式油箱內流場狀態

圖10 回油10 s時擋板式油箱內部流場狀態

由以上過程分析,擋板式改進油箱結構在回油過程的前部分時間對透氣孔處溢出油液的遮擋效果良好,但是隨著回油過程的進行,油箱內液面不斷上升,在油液與擋板3碰撞過程中,油液在透氣帽和油箱內空氣連接處的飛濺現象也更加明顯,擋板式油箱結構改進對回油過程將完成階段的油液飛濺遮擋效果還存在問題。因此提出一種新型的結構形式對油箱結構進行改進。

2.4 遮罩式油箱結構改進

根據以上仿真結果可知,油箱內液面卷氣產生的原因是回油管回油過程中會帶動油箱內部的油液沖擊油箱壁面造成油液飛濺現象,進而導致油液從透氣帽處溢出。因此在油箱回油管處加裝一個如圖11所示的遮罩裝置,裝置下表面開孔使油液緩慢流出,如圖12所示。當回油管開始回油時,油液首先會沖擊遮罩裝置的后側表面,隨后再沿著裝置下表面的開孔進入油箱中,能夠起到一定程度的緩沖作用,削弱回油油液與油箱中原有油液的沖擊作用。重復上述參數設置,對改進后的油箱結構進行數值模擬計算,并分析回油過程中油箱內部的流場狀態。

圖11 遮罩式油箱結構改進

圖12 遮罩裝置局部放大圖

如圖13所示,當回油管回油開始時,油箱內的流場狀態并未出現擋板式結構出現的液面波動,油液并未由于回油油液的沖擊向后側壁面移動,而是呈現出較為穩定的流動狀態。如圖14、圖15所示,分別為回油時間5 s和回油時間10 s時的油箱內部流場狀態。可以觀察到油箱內的液面未出現擋板式結構和油箱初始狀態時呈現的油箱內的油液卷氣劇烈現象,透氣帽處無油液飛濺現象,因此遮罩式油箱結構改進成功解決了油箱回油過程中透氣帽處有油液溢出現象。

圖13 回油開始時遮罩式油箱內部流場狀態

圖14 回油5 s時遮罩式油箱內部的流場狀態

圖15 回油10 s時遮罩式油箱內部的流場狀態

3 實驗結果

3.1 實驗裝置

為了驗證經過結構改進的油箱,內部油液的實際流動狀態,搭建了油箱防回油沖擊性能驗證試驗臺,對油箱內部油液的流動狀態進行測試。實驗裝置如圖16所示。

圖16 帶有遮罩裝置的油箱實驗裝置

實驗工況設置與數值仿真計算邊界條件設置相同。實驗用油箱與參數化建模油箱模型的尺寸一致,回油口連接流量計對回油流量進行控制,回油流量保持在30 L/min。設置了相同參數的實驗裝置對遮罩式油箱結構改進的效果進行驗證。

3.2 實驗結果

實驗中遮罩式結構改進油箱在回油時間5 s時的流場狀態如圖17所示。可以觀察到回油過程中油箱內流場狀態平穩,未產生較大的油液波動。與圖14對比,實際實驗結果與仿真結果的相似度高,可見仿真計算對流場狀態的模擬準確,驗證了流場仿真的正確性。

圖17 回油5 s時遮罩式油箱內的流場狀態實驗結果

4 結論

AGV小車油箱回油口處產生的回油沖擊,會造成油箱內產生卷氣,在透氣帽處造成油液的外溢現象。針對油液溢出現象,提出兩種對油箱結構的改進方法。綜合油箱的結構參數,建立油箱內油液和氣體的氣液兩相流有限元模型。分析VOF模型和標準k-ε模型的適用條件,設置貼合實際工況的邊界條件,得到不同時刻油箱回油過程中,油箱內油液的運動狀態。分析不同結構改進情況下,油箱內油液運動狀態和未改進時運動狀態的區別,得到能夠消除油液溢出現象的油箱結構改進方法,并得到如下結論:

(1) 當油箱開始回油時,油箱中的油液會因為回油油液的帶動作用,向回油管伸出方向運動。隨后由于油箱壁面的阻礙作用,發生油液的卷氣現象,造成油箱內油液從透氣口處溢出;

(2) 為了防止油液溢出現象發生,可以通過在油箱內設置擋板結構,防止油液進入油箱透氣帽部分,但在油箱內設置擋板油液會與擋板結構再次發生沖擊,造成新的油液飛濺;

(3) 通過在油箱回油口設置遮罩結構可以在根本上防止回油過程中,由于回油油液帶動油箱內液面沖擊壁面造成油液溢出現象。遮罩裝置消除了回油油液沖擊,使油箱內的液面平穩上升。