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山东凯铭液压机械有限公司


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滑阀阀芯结构对液压阀性能的影响

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点击次数:202 更新时间:2020年07月22日23:15:45 打印此页 关闭

 在工作过程中,阀内流体的流动特性对液压元件的性能有着直接的影响。当液体流经阀口时,液体流动现象复杂,压降增大,产生较大的能量损失,同时在阀芯凹角和阀座拐角处形成旋涡,造成阀内振动、噪声和能量损失。由于实际生产使用的滑阀结构和尺寸种类比较多,通过实验来观测液流在滑阀内的实际流动状态是比较困难的,因此从流场微观角度对液压油流经流场状态进行可视化研究,通过改变阀芯形状及参数改善滑阀流场流动特性,从而对滑阀进行结构优化,提高滑阀工作性能。传统的滑阀阀芯沟槽底部采用尖角形式,主要为了加工方便。但随加工技术的进步,数控加工已非常普遍,沟槽加工成什么形状并不会提高加工成本。因此,本文通过把阀芯沟槽底部加工成不同形状,通过对比不同形状流场的分布状态,以及对改善滑阀性能的影响程度,确定了合理的参数范围。

  近年来,越来越多的国内外学者对液压滑滑口处的流场进行了研究,采用流体计算学(CFD)方法,通过fluent软件对滑阀内流场进行可视化分析,得到固定开口下滑阀滑腔内流体的速度、湍能分布等结果,利用实验研究和理论推导,对阀内流场分布和能量损失进行研究。

  1  CFD模型及解析假定

  1.1 CFD分析模型

  滑阀结构为对称结构,用UG建立了阀内流体的三维模型。图1所示为常规滑阀模型, 图2为改进滑阀模型。对比可以看出,改进滑阀模型是将阀芯凹角处直角改为圆弧形过渡。受实验条件限制,为了进一步研究与实验对比,本文采用6通经的O型机能的换向阀为研究对象。

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  1.2 解析假设

  本文仅进行静态分析,在数值计算过程中,采用以下参数及假设对模型进行数值模拟:

  (1)假设滑阀为理想液压滑阀,即阀芯与阀体配合精确;(2)选取液压油YA-N46为流动介质,其密度为860kg/m3,粘度为29mm2/s;(3)假设液体为理想牛顿液体;(4)模型中雷诺数Re为4689,远大于滑阀阀口处的临界雷诺数260,因此液体在滑阀内的流动状态主要为湍流,又因液体在阀内滑腔为圆柱曲面,故在fluent中采用标准k-湍流模型。

  2  仿真结果及分析

  2.1 常规滑阀CFD分析

  在阀口开度为1.6 mm时,通过FLUENT软件对不同流量进行了仿真计算,得到流量为20L/min、40L/min、60L/min时阀口及流道流场的速度、压力和湍能分布结果,以40L/min为例,其仿真结果如图3所示。


  a)速度云图                       b)压力云图                  c)湍动能云图

  图3常规滑阀对称面流场分布图

  通过对以上常规滑阀阀口及流道流场中性面的速度云图、压力云图和湍动能云图分析可知:(1)在进油口,液体流速平稳,当液体流经阀口时,由于阀口节流收缩作用,流速增大,压力迅速降低,湍动能增大。(2)从图3 a)可以发现,液体流经阀口时,在阀座拐角和阀芯凹角处形成漩涡,结合图3 a)和图3 c),可以发现有漩涡产生的区域湍动能较大,说明漩涡的产生会造成能量损失,从而可能造成阀内局部压力过低而导致气穴的产生,从而产生噪声。

  2.2 改进滑阀CFD分析

  针对现有常规滑阀存在的不足,将阀芯凹角改为圆弧,通过FIUENT软件在相同条件下进行仿真计算,得到了流量分别为20L/min、40L/min、60L/min时,R为1 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2 mm时的流场仿真结果。文中仅给出40L/min,R为1.2 mm和2 mm的仿真结果,图4为速度矢量,图5为速度云图,图6为湍动能云图。

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  图4和图5为滑阀中性对称面的速度矢量图和速度云图,与图3 a)速度云图对比可以发现,改进后阀芯凹角处旋涡强度减小,阀口处最大流速减小,可有效降低阀腔内的振动和噪声。比较图4和图5,可以发现,R为2 mm阀芯结构比R为1.2 mm阀芯结构能更有效地降低阀芯凹角处旋涡强度,减小阀口处液体流速。图6为滑阀中性对称面的湍能分布图,与图3c)对比可以发现,改进后最大湍动能减小,有效降低阀内能量损失。对比图6a)和图6 b)可以发现,R为2 mm比R为1.2 mm对减少湍动能的损失效果更明显。因此在相同条件下,入口流量一定时,阀芯凹角处旋涡强度随R的增大而减小。

  表1为改进前后滑阀流体相关参数对比表,通过表1可以看出结构改进后的滑阀阀口流体流速减低,最大湍动能减小,能量损失降低,说明结构改进后滑阀性能提高了,结构改进具有合理性。

  观察图5 b)和图6 b),我们发现:圆弧形阀芯并不能完全抑制阀芯凹角旋涡的产生,因为流体流经阀口时,由于阀口收缩作用,液流以一定的速度射流角流入阀腔,并不是沿着圆弧流入阀腔。本文进一步将阀芯凹角改进为斜角加圆弧型结构,如图7所示,在相同条件下,通过FLUENT进行仿真计算,结果如图8所示。

  图7进一步改进结构图

  a)速度矢量图                   b)速度云图                c)湍动能云图

  图8斜角加圆弧型滑阀对称面流场分布图

  通过对图8的速度云图、压力云图、湍动能云图和图4b)、图5 b)、图6 b)的仿真结果对比,我们发现,斜角加圆弧型结构基本可以抑制阀芯凹角处的旋涡的产生,消除阀芯凹角处振动和噪声。同时阀内流体最大流速为23.01m/s,最大湍动能为63.11m2/s2,和圆弧型结构相比,更多的减小了阀口处流速差,减少了阀内能量损失。

  3结论

  对相同条件下的常规滑阀和改进后滑阀分别进行流道流场仿真分析,对比分析可知:改进后滑阀可有效抑制阀芯凹角处旋涡的产生,减少液流冲击,降低阀内振动和噪声,同时改进后滑阀可以减小阀口处流速差,减少阀内湍动能的损失,降低阀内能量损失,提高阀内能量利用率。

  通过FLUENT对液压滑阀内部进行流场进行可视化分析,可以清楚反应出滑阀内部流场的分布情况,对提高滑阀性能和结构改进提供了有益的参考。

  4说明

  1)本文取自于我的研究生曹飞梅的硕士论文。

  2)阀芯结构的改变,一方面改善流态,另一方面会提高阀芯的刚度。

  3)对于外流式阀口,可以考虑改善阀体阀腔的结构形状,相信对提高阀的性能会有帮助。

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