基于新型組合槽結構的滑閥流場與流固耦合特性研究

張洋 李建英 王曉晶 張琪政 彭臣

摘? 要：液壓滑閥閥芯節流槽結構對閥芯受力變形和內流場分布有著直接影響，以4WE6E型號換向閥為研究對象，為提高換向閥的動靜態性能，在傳統滑閥閥芯節流槽結構上，提出一種新型組合槽結構。對不同閥芯結構使用Fluent軟件及Workbench平臺，進行內流場仿真及流固耦合仿真研究；進而對不同結構閥芯工作時的流場和閥芯受力變形作量化分析與研究，具體研究閥內流場的流速和壓力以及閥芯表面壓力分布等情況。研究結果表明：滑閥閥芯采用新型組合槽結構之后，能明顯改善其內部的流場分布、有效減小了閥芯變形，從而提高換向閥的動靜態性能。

關鍵詞：液壓滑閥；節流槽；新型組合槽結構；流場仿真；流固耦合

DOI：10.15938/j.jhust.2023.05.015

中圖分類號： TH137.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2023）05-0118-10

Study on Flow Field and Fluid Structure Coupling Characteristics

of Slide Valve Based on New Combined Groove Structure

ZHANG Yang1，? LI Jianying1，2，? WANG Xiaojing3，? ZHANG Qizheng1，? PENG Chen1

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China;

2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Intelligent Technology， Ministry of Education， Harbin 150080， China;

3.School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044，China）

Abstract：The structure of spool throttle groove of hydraulic spool valve has a direct influence on the stress deformation of spool and the distribution of internal flow field. In this paper， taking 4WE6E type change-over valve as the research object， a new combined groove structure is proposed on the traditional spool throttle groove structure in order to improve the dynamic and static performance of the change-over valve. Fluent software and Workbench platform are used to simulate internal flow field and fluid-solid coupling for different spool structures. Then the flow field and stress deformation of spool with different structure are analyzed and studied quantitatively. The flow rate and pressure of flow field in valve and pressure distribution on spool surface are studied in detail. The results show that the spool valve with the new combined groove structure can significantly improve the flow field distribution inside the spool and effectively reduce the spool deformation， thus improving the dynamic and static performance of the change-over valve.

Keywords：hydraulic slide valve; throttling groove; new combined trough structure; flow simulation; fluid-structure interaction

收稿日期： 2022-04-13

基金項目： 國家自然科學基金（51405113，51975164）.

作者簡介：

張? 洋（1997—），男，碩士研究生；

王曉晶（1981—），女，教授，博士研究生導師.

通信作者：

李建英（1980—），男，教授，博士研究生導師，E-mail：lijianying@hrbust.edu.cn.

0? 引? 言

液壓技術在采用液體作為工作介質，進行能量傳遞與控制的工作過程中，具有動態響應速度快、功重比大、可靠性高等優點，被廣泛應用在機械自動化生產、工程機械等行業［1-2］?，F代液壓傳動技術隨著電子技術、計算機技術、新材料的發展和應用，成為現代工業領域不可或缺的技術［3］。其中，液壓元件作為該項技術中的核心元件，應用的領域也在不斷擴大，重要性顯得尤為突出。液壓系統能夠快速準確的完成對力，位移，速度等的控制，其具有負載剛度大，響應速度快、抗污染能力強等優點［4-5］，而液壓閥作為液壓系統中最重要的控制元件，其性能決定著整個液壓系統的性能［6-7］。

隨著數值計算仿真、動態響應分析、線性或非線性建模等技術的應用使得液壓閥的設計方法與制造技術獲得很大進步［8］。但是液壓滑閥在使用中表現出的閥芯卡滯［9］、氣穴［10-11］、液流流動形態復雜［12］、換向過程存在壓力沖擊等問題，依舊是近年來研究的熱點［13］。智慧等［14］采用ADINA軟件對U形槽和三角槽進行對比，得到U形槽性能高于三角槽的結論。張鑫等［15］對節流槽對流場空化進行研究。哈德斯菲爾德大學對流道幾何特征對節流槽通流能力進行研究［16］。石金艷等［17-18］采用CFD流場仿真方法對U形槽和雙三角槽進行了仿真分析，得到了U形槽和雙三角槽的流量特性。馮貴層、孫后環等［19-20］對V-U形、L-U形節流槽的過流面積和流量特性進行分析。同濟大學研究團隊對換向閥節流槽進行研究，提出了一種耦合節流槽流量系數的表示方法［21］。張占東等［22-23］采用AMESIM軟件分別對三角槽和K形槽進行研究，為換向閥閥芯節流槽結構優化提供了理論參考。

由上述分析可見，通過對于液壓滑閥節流槽的相關研究，逐漸解決了滑閥中存在的一些問題，不過對具有矩形槽的滑閥閥芯結構及其流場分析的研究較少。針對滑閥閥芯卡滯及閥芯工作時的動態特性不佳的問題，在滑閥閥芯矩形節流槽的基礎上，提出一種新型的組合槽結構；然后采用Fluent軟件在Workbench平臺上，對其進行流場分析和流固耦合仿真研究，進而分析其流場特性和閥芯的結構變形量規律特性，為液壓滑閥節流槽的結構與參數優化設計提供理論參考。

1? 基本方程

液壓換向閥內油液的流動是連續的，從微觀角度看在有限空間內連續不斷的流動流體質點，并且每個質點具有相應的物理特性，因此油液與閥芯之間始終遵循質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。

質量守恒方程為：

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

動量守恒方程為：

uit+ujuixj=－1ρρxi+μ2uixixj（2）

能量守恒方程為：

（ρT）t+（ρujT）xi=kcp Txjxj+ST（3）

式中：t為時間（s）；

ρ為流體密度（kg/m3）；

u、v、w為速度矢量在x、y和z方向的分量；

ui為xi軸方向的速度（m/s）；

μ為動力黏度系數（Pa·s）；

cp為比熱容（kws/m3℃）；

k為導熱系數；ST為流體的內熱源。

流固耦合是流體動力學和結構力學之間的多場耦合，在液壓閥中油液與閥芯接觸時，閥芯受到應力和應變的作用發生變形，變形量的大小取決油液壓力、流速以及閥芯實際屬性。因此，在流固耦合邊界需要同時滿足固體力學方程和流體守恒方程，其基本控制方程如下：

τfnf=τsns

df=ds（4）

將流體力學方程與固體力學方程在同一個求解器中求解，輸入基本參數、初始條件、和邊界條件，其有如下表示：

AffAfsAsfAssΔXkfΔXks=BfBs（5）

式中：A為流固耦合矩陣；

k為迭代步長；

Aff、Ass、Asf、Afs均為流體域系統矩陣；

ΔXkf為流體域待求解；

Bf為流體域外部作用力；

ΔXks為固體域待求解；

Bs為固體域外部作用力。

在Workbench仿真工作平臺主要采用的是分離解法，就是載荷傳遞法進行流固耦合數值仿真，將式（5）線性化即可。本文采用分解法進行流固耦合，如式（4）所示，僅在流固耦合邊界上滿足固體力學方程和流體守恒方程守恒。

當液壓油從P口進入換向閥流道，經過閥芯節流槽流出時過流面積隨閥芯開口度變化而變化，導致液壓油流速急劇變化發生湍流，因此選取標準k-ε湍流模型［24-25］，其方程表示為

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+2μtSijSij－ρε（6）

t（ρε）+xi（ρεui）=xjμ+μtσεεxj+C1εPk/k－C2ερε2/k（7）

式中：k為湍動能；ε為耗散率；ρ為油液密度；ui為流速分量；t為時間；xi與xj為流向分量；μ為黏性；μt為湍流黏度系數且μt=ρCμk2/ε；Sij為應變率張量；C1ε、C2ε、σk、σε為模型常數，分別為1.44、1.92、1、1.3。

2? 閥芯組合槽結構模型

以4WE6E型號換向閥閥芯為研究對象，設計了一種新型帶有組合槽的換向閥閥芯，其結構如圖1所示。新型組合槽閥芯結構主要參數：截面流道A1，截面流道A2，組合節流槽長度L為2.5mm，閥芯臺肩半徑R為6mm，x為閥芯開口度，C為節流槽特征深度1mm，W為節流槽寬度2mm。

3? 節流槽過流面積計算

新型組合槽的過流面積由截面流道A1和截面流道A2組成，其原理如圖2。

根據伯努利方程可得閥口開度一定情況下射流最小斷面的油液流速：

v=1ζ+12ρ（P1－P2）=CvΔPρ（8）

Cv=1ζ+1（9）

式中：ζ為局部阻力系數;

Cv為速度系數;

Cc為收縮系數。

由此得出液壓滑閥流量公式為

q=Acvc=CcCvA2ΔPρ（10）

式中：Cd為流量系數，且Cd=CcCv。

q=CdA2ΔPρ（11）

當油液分別經過截面流道A1和截面流道A2時壓力降分別為ΔP1、ΔP2，其總壓力降與通過節流槽流量關系如下：

ΔP=ΔP1+ΔP2（12）

q=CdA2ΔPρ=Cd1A12ΔPρ=Cd2A22ΔPρ（13）

式中：Cd=Cd1=Cd2，則等價過流面積A，與A1、A2關系如下：

A=11A21+1A22（14）

改進矩形槽前端為三角槽其流道截面積A2隨閥芯移動改變，后端為正常矩形槽，當閥芯移動到時其流道截面積A2恒定，因此對過流面積計算分段進行：

1）當開口度：0

H=R2－（W/2）2（15）

B=2arctanW2H（16）

A1=∫x0BRdx（17）

A2=R2B/2－WH/2+W（C－R+H）（18）

A=n1A21+1A22（19）

式中：x為閥芯開口度，mm；

R為閥芯半徑，mm；

W為節流槽寬度，mm；

B為節流槽寬度W所對應的圓心角的弧度，rad；

C為節流槽特征深度，mm；

H為節流槽所在閥芯外圓的弦到閥芯外圓圓心的距離，mm；

n為節流槽個數。

2）當開口度：L

A=7.2526+2πR（x－L）（20）

由式（20）算出新型組合槽理論過流面積A，曲線如圖3所示。

當閥口開度小于2.5mm時過流面積梯度小，變化平緩，使執行元件在啟停時穩定；當閥口開度大于2.5mm時，等效過流面積增大，具有較大流量增益，使閥對流量控制靈敏，使執行元件快速響應。

當閥口開度一定時，油液達到穩定流動狀態時，閥芯所受到油液的作用力為穩態液動力。穩態液動力是使閥口關閉相當于復位力，所以它使液壓閥的閥芯工作趨于穩定狀態，當換向閥進出口壓差ΔP一定時，閥口開度的改變影響射流角度θ的大小從而影響穩態液動力的大小，所以對理想滑閥取射流角θ為69°。根據動量方程可得穩態液動力軸向分力大小為

Fs=ρqvcos（θ）（21）

將式（8）、式（11）代入式（21）得：

Fs=2CdCvA（x）ΔPcos（θ）（22）

由式（22）算出新型組合槽理論穩態液動力，最大穩態液動力19.5760N。

4? 流固耦合仿真分析

液壓滑閥工作需要具有持續性，特別是換向閥在工作時會長時間停留在一個位置，當換向閥再次工作時驅動力遠大于計算理論值，當閥芯移動后驅動力僅需1N就能夠使閥芯移動。該卡緊現象主要是閥芯徑向力不平衡導致閥芯與閥體基礎，造成卡緊。

換向閥模型的建立對于后續進行的仿真非常重要，采用SOLIDWORKS建立不同開口度、不同閥芯結構的三維模型，使用ANSYS軟件中的Geometry子系統進行內流場的抽取，采用Fluent（with CFD Post）系統進行網格劃分及仿真分析。由于換向閥閥芯為滑閥，無論是在左位機能還是右位機能都是將內流場分成兩個不連通的流場，為不失去一般性且根據對稱性，通常任取其中一個流體模型進行仿真分析，本文采用閥芯右移P口和B口連通的流場進行仿真分析。

通過流固耦合對閥芯受力進行分析，利用FLUENT軟件將流場進口壓力2MPa、出口壓力0MPa的流體區域進行仿真分析，在Workbench將流場仿真結果傳輸到閥芯受力面上進行仿真。

換向閥閥芯節流槽通常為U形槽，因此將新型組合槽閥芯與U形槽、無節流槽閥芯進行不同開口度進行仿真，對內流場、閥芯所受應力、閥芯變形量仿真結果進行分析討論。

采用Fluent Meshing進行網格劃分，并進行局部加密，Fluent Meshing作為一款高級的前處理工具，具有多種CAD導入方式能夠精準導入模型，在導入CAD模型時能夠對模型進行細化處理，并且具備有強大可靠的網格診斷工具Diagnostics，可以處理任意CFD表面網格（部分四邊形問題除外）存在的問題，主要包括自由邊、多重邊、網格自相交、面網格質量過差等情況，能夠高效快速的生成網格。對換向閥內流場網格劃分Poly-Hexcore網格，劃分完成的數字換向閥內流場網格模型如圖4所示，網格質量檢查良好，符合Fluent計算要求。

在網格質量要求上Fluent Meshing對網格質量要求為Maximum-Skewness不能高于0.95，Skewness較高的單元在計算時易發散，當Maximum-Skewness小于0.85即可認為是優質網格。

為了使計算結果更精確，在劃分網格時設置邊界層為5層網格。網格數量為72705，Maximum-Skewness為0.48，所繪制網格為優質網格。

根據換向閥實際工作情況，采用Pressure-inlet作為進口邊界條件，采用Pressure-outlet作為出口邊界條件，壁面邊界采用wall，對于流體FLUENT仿真默認壁面無滑移，采用標準k－ε湍流模型，求解方案為SIMPLE。根據換向閥工作條件流體介質為32#抗磨液壓油，設置water-liquid的密度為870kg/m3，動力黏度為2.784×10-2Pa·s。本文選用SIMPLEC壓力速度耦合求解方案。

設置入口壓力為2MPa，出口壓力為0MPa，通過標準初始化，進行迭代計算。通過殘差曲線圖觀察流場仿真計算收斂情況。圖5為殘差曲線圖，設置迭代次數為1000次，在計算到350次時達到收斂條件。

4.1? 流場分析

通過3種閥芯結構的內流場穩態仿真，得到其流速分布特性。圖6為無節流槽閥芯流速矢量分布云圖，圖7為U形槽閥芯流速矢量分布云圖，圖8為新型組合槽流速矢量分布云圖。

由無節流槽閥芯內流場仿真云圖可知，隨著閥芯開口度增大，換向閥內流場流速變化快，流場分布不穩定，存在渦流現象，不利于閥芯穩定工作。

由U形槽閥芯內流場仿真云圖可知，隨著閥芯開口度增大，換向閥內流場高速射流區域改變，相比于無節流槽閥芯內流場，流場分布穩定上升，從矢量圖看渦流減少，提高了閥芯工作穩定性。

通過新型組合槽閥芯內流場仿真結果可知，隨著開口度增大，在節流槽內流速增大，當油液流過節流槽時流速變化快，射流角與射流區域變化最穩定，隨著開口度變化，流場速度變化穩定，內流場分布情況好；而無節流槽閥芯、U形槽閥芯流場變化不均，隨開口度增大液壓油液射流角變化大，閥芯所受液動力變化劇烈，不利于換向閥閥芯穩定工作，并且存在著渦流數量多、總渦流面積大的問題，新型組合槽閥芯下的流速變化均勻能夠避免由于閥芯受力不均勻導致的卡緊，并且減小渦流數量和渦流面積，射流角度變化小有利于閥芯穩定工作。

4.2? 流場穩定性分析

選擇換向閥閥口開度為1mm時，入口壓力分別為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa的情況下新型組合槽附近油液速度分布云圖由圖9所示。從圖中可以看出，油液在閥腔內整體呈現由低速到高速在到低速的速度變化，油液在入口處流動平緩，油液流經組合槽時，由于過流面積減小，油液流速增加，入口壓力越大，油液在槽口處的速度越大。此外，由于閥口開度一定時，油液射流角基本保持不變，射流區域無變化，流場內渦流油液在閥腔內的速度分布受壓力影響較小，內流場流動規律。

4.3? 閥芯變形量分析

在流場仿真后，將內流場仿真進行載荷傳遞，對3種不同結構閥芯進行流固耦合分析，在FLUENT仿真計算及閥芯結構建?；A上，進行流固耦合靜力分析，將閥芯與油液接觸面設置為流固交界面，導入油液對閥芯載荷，圖10為單向流固耦合流程圖。在換向閥工作過程中，閥芯卡滯主要由于閥芯周向面受力不均導致閥芯變形引起得，因此在流場仿真后，通過將內流場仿真進行載荷傳遞，在靜力學分析中再標準地球重力慣性條件下對閥芯閥體設置約束條件對4種不同結構閥芯進行流固耦合分析，在FLUENT仿真計算及閥芯結構建?；A上，進行流固耦合靜力分析，設置為流固交界面、閥芯材料參數，導入油液對閥芯載荷。

選擇閥芯開口度為0.5mm下閥芯變形進行分析，圖11為無節流槽閥芯開口度0.5mm下閥芯變形云圖。

通過無節流槽閥芯開口度0.5mm下仿真可知，受流場影響，油液在閥芯周向面載荷分布不均，導致閥芯在油液出口變形量最大。

選擇閥芯開口度為0.5mm下閥芯變形進行分析，圖12為U形槽閥芯開口度0.5mm下閥芯變形云圖。

通過U形槽閥芯開口度0.5mm下仿真可知，于無節流槽閥芯相比，油液在閥芯周向面載荷分布均勻，閥芯在油液出口變形量小，但是由于其過流面積小，導致閥芯周向表面所受載荷增大。

選擇閥芯開口度為0.5mm下閥芯變形進行分析，圖13為新型組合槽閥芯開口度0.5mm下閥芯變形云圖。

通過新型組合槽閥芯開口度0.5mm下仿真可知，于無節流槽閥芯、U形槽閥芯相比，油液在新型組合槽閥芯周向面載荷分布均勻，閥芯在油液出口總變形量最小，與U形槽閥芯相比閥芯周向表面所受載荷減小、閥芯等效應變減小。

對換向閥閥芯流固耦合仿真結果進行整理分析。在閥壓差ΔP為2MPa條件下，得到表1為不同閥芯結構在不同開口最大變形量。

根據表1中數據可知，帶有新型組合槽閥芯與U形槽閥芯、無節流槽閥芯相比其閥芯變形量小，閥芯平均受力在閥芯移動時始終最小，結合流場分析可知新型組合槽閥芯通過改善內流場分布使閥芯承壓端面所受壓力減小，說明有新型組合槽能使閥芯變形量減小能夠有效減弱閥芯卡滯問題。

液壓閥作為一種高精度的液壓控制元件，液壓閥內的油液泄漏和閥芯卡滯之間存在矛盾。為了減小液壓油液泄漏，將閥體與閥芯之間配合間隙減小容極易發生由于閥芯變形導致閥芯卡滯的問題發生；為了避免閥芯卡滯，增大配合間隙，導致液壓閥內泄漏量增大，導致液壓系統響應慢、工作效率降低。因此為了保證閥芯與閥體間的配合精度高，采用改進閥芯結構方式減小閥芯變形避免閥芯卡滯。通過仿真結果可知新型組合槽流場變化穩定，在隨開口度變化和壓力變化時流場高速射流區域變化穩定，射流角度穩定，改善閥芯受力狀態，有效較弱閥芯卡滯問題。

5? 結? 論

本研究在矩形槽基礎上提出一種新型組合槽，并對內流場進行建模，采用ANSYS軟件對換向閥內流場進行流固耦合仿真，對不同結構閥芯進行仿真分析，得到以下結論：

1）在其他結構參數確定條件下，恒壓條件下，隨著開口度變化，有節流槽流場變化穩定，閥芯周向靜壓力均勻使閥芯變形量小，能夠減小卡緊力；無節流槽的內流場流速變化不穩定，射流角變化大，使閥芯工作不穩定，容易產生振動、噪聲。

2）滑閥采用新型組合閥芯節流槽結構，能明顯影響、改善其內部的流場分布、閥芯受力變形，從影響換向閥的動靜態性能

3）在相同工況下，所設計的新型組合槽與U形槽和無節流槽閥芯相比，使流場變化穩定，改善閥芯受力使閥芯變形量小，在相同開口度下帶有新型組合槽的閥芯所受應力小，變形小。

4）針對滑閥的靜態特性影響液壓伺服系統性能的問題，采用軟件模擬仿真分析，滑閥采用改進矩形槽結構之后，能明顯改善其內部的流場分布、有效減小了閥芯變形，從而提高換向閥的動靜態性能。

通過對不同結構閥芯進行流固耦合研究，為解決閥芯卡滯問題、優化閥芯結構提供了理論依據，對提高換向閥工作穩定性、提高換向閥性能具有指導意義。

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（編輯：溫澤宇）