多路閥閥芯流固熱耦合研究

胡林華，孔 備，張 健,王伯天

(1.鄭州飛機裝備有限責任公司，河南鄭州 450005；2.哈爾濱工業大學空間環境與物質科學研究院，黑龍江哈爾濱 150080； 3.一汽-大眾汽車有限公司,吉林長春 130013)

引言

由于多路閥可以同時控制多個液壓執行機構工作，實現對壓力和流量的雙重控制，被廣泛應用于工程機械中。多路閥的性能對工程機械整體性能有重要影響，是工程機械的核心元件。長期以來由于我國在多路閥自主開發方面起步晚，基礎薄弱，研究多路閥相關技術問題有重要的現實意義。

目前已有很多學者開展了對多路閥的研究工作。陳源流等[1]研究了多路閥閥芯拓撲形態設計的流量參數模型，為閥芯設計提供了參考。XU Liping等[2]利用熱流固耦合方法對多路閥進行了仿真研究。王安麟等[3-5]研究了多路閥拓撲結構設計問題。LI Rong等[6]仿真研究了多路閥鋁合金閥體。陳東寧等[7]研究了比例多路閥摩擦補償。張晉等[8]研究了多路閥進口節流流場和壓降特性。孫澤剛等[9]研究了多路閥節流槽對氣穴的影響。CHEN Qianpeng等[10]利用多個軟件聯合對多路閥閥芯液動力進行了研究。ZHANG Dawei等[11]利用有限元方法研究了載荷作用下多路閥閥體變形。劉偉等[12]研究了多路閥控制問題。陳革新等[13]研究了多路閥的微動特性。徐志剛[14]對防爆負載敏感比例多路閥進行了研究。

近年來學者們對多路閥做了很多有益的研究工作，但對于多路閥的流固熱耦合問題研究還較少，而溫度對多路閥性能的影響是不可忽視的，故以模型多路閥閥芯為研究對象，采用流固熱耦合方法對多路閥閥芯區域流場進行研究，分析流固熱共同作用下閥芯的變化情況，以期對多路閥設計提供理論指導。

1 基礎理論

液壓油流過閥芯流道由于流道突然變窄，油液流速急劇增加形成湍流，假設油液不可壓縮，采用標準k-ε模型，方程為:

2μtSij·Sij-ρε

(1)

(2)

式中,ρ—— 液壓油密度,kg/m3

k—— 湍動能,kg·m2/s2

ε—— 湍動能耗散率,m2/s3

U—— 油液速度矢量矩陣,m/s

μt—— 湍流黏度,Pa·s

S—— 平均應變率張量

t—— 時間,s

湍流黏度μt表達式為：

(3)

式(1)～式(3)中,系數Cμ,σk,σε,C1ε,C2ε為調節常數，值分別為Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

在ADINA中湍動能k及湍動能耗散率ε的表達式分別為:

k=1.5((0.01～0.1)U)2

(4)

式中,U為油液速度，m/s。

本研究選取k=1.5(0.05U)2。

ε=k1.5/(0.3L)

(5)

式中，L為特征長度，m，等于管道直徑。

2 流固熱仿真研究

2.1 仿真模型建立

閥芯結構如圖1所示。流場結構如圖2所示。采用ADINA軟件對閥芯流場進行流固熱耦合分析，分別建立固體仿真模型和流體仿真模型，進行流固熱耦合分析研究時流體模型要包含固體模型，模型的網格劃

圖1 閥芯結構

圖2 流場結構

表1 閥芯材料參數

表2 液壓油參數

表3 仿真參數

圖3 網格劃分

分采用四面體網格，如圖3所示。由于閥芯處通流截面會有較大突變極易形成湍流，因此仿真采用k-ε湍流模型。閥芯和液壓油的材料參數分別如表1和表2所示，仿真參數如表3所示。

2.2 仿真結果分析

圖4～圖7為在各種進油壓力、進油流速、進油溫度時的溫度分布情況。

圖4 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的溫度分布情況

圖5 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的溫度分布情況

圖6 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的溫度分布情況

圖7 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的溫度分布情況

從圖4～圖7可知，油液溫度對閥芯的影響主要集中在閥芯與油液接觸區域，隨著油液溫度的升高閥芯受影響區域逐漸增大。

圖8～圖11為各種進油壓力、進油流速、進油溫度時的閥芯溫度分布情況。由圖可知，節流槽處受油液溫度的影響較大，需要將溫度影響考慮到閥芯節流槽設計中，同時距離油液較遠的區域基本沒有受到油液溫度的影響。

圖12～圖15為各種條件下的閥芯變形情況。

圖8 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的閥芯溫度分布情況

圖9 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的閥芯溫度分布情況

圖10 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的閥芯溫度分布情況

圖11 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的閥芯溫度分布情況

圖12 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度298 K時的閥芯變形情況

圖13 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度303 K時的閥芯變形情況

圖14 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度308 K時的閥芯變形情況

圖15 進油壓力30 MPa，進油流速0.5 m/s，進油溫度313 K時的閥芯變形情況

從圖12～圖15可知，隨著油液溫度的升高閥芯變形明顯增大，同時閥芯越靠近回油的區域變形越大，說明如因為溫升閥芯卡死主要是由于靠近回油區域的閥芯結構變形角度，因此在設計閥芯時靠近回油的閥芯結構尺寸可適當縮小。

圖16 不同進油溫度影響下的工作腔壓力

圖16所示為不同進油溫度條件下的工作腔壓力隨時間的變化情況。圖17所示為不同進油溫度條件下的出油口流速隨時間的變化情況。從圖16和圖17可知，當油液溫度升高時工作腔壓力會隨溫度升高，而回油流量會隨溫度升高而降低，這是因為溫度升高使閥芯變形造成間隙減小，液阻增大。

圖17 不同進油溫度影響下的出油口流速

3 結論

為探究溫度對多路閥閥芯及其流場的影響，本研究采用流固熱耦合仿真方法獲得如下結論：

(1) 油液溫度對閥芯的影響集中在油液與閥芯接觸區域，遠離接觸區的閥芯部分受油液溫度的影響很??；

(2) 閥芯上節流槽處受油液溫度影響較大，因此在設計節流槽結構時不能忽略溫度對節流槽結構的影響；

(3) 閥芯的變形主要發生在靠近回油區域，受溫度影響的閥芯卡滯將在此區域產生，在設計閥芯時可適當放寬閥芯的尺寸公差；

(4) 隨著油液溫度的升高，工作腔壓力將增大，回油流量將減小。

本研究的結論可為多路閥閥芯的結構設計提供理論支撐，下一步應進一步考慮閥體和閥芯相互影響的流固熱耦合研究。