基于插裝式比例節(jié)流閥圓形通孔的主閥套通流設(shè)計(jì)

基于插裝式比例節(jié)流閥圓形通孔的主閥套通流設(shè)計(jì)

0插裝式比例節(jié)流閥技術(shù)的研究進(jìn)展隨著電液比例技術(shù)和插裝閥技術(shù)的快速發(fā)展，插裝式比例節(jié)流閥能夠很好地調(diào)節(jié)和關(guān)閉，因?yàn)樗哂懈弋a(chǎn)流技術(shù)和良好的動靜態(tài)特性。廣泛應(yīng)用于重型設(shè)備，如壓壓機(jī)、塑料機(jī)等。目前,國內(nèi)外對于插裝式比例節(jié)流閥的研究主要集中在動靜態(tài)特性分析1主閥套通孔結(jié)構(gòu)插裝式比例節(jié)流閥的主閥閥腔的流體流動區(qū)域由主閥芯、主閥套和閥塊共同構(gòu)成,如圖1所示。流體從主閥下腔進(jìn)油口進(jìn)入,經(jīng)過主閥芯與主閥套所形成的節(jié)流口,從主閥套通孔流出。從油液的流經(jīng)路線可以看出,油液經(jīng)過主閥芯和主閥套所形成的節(jié)流口和主閥套的通孔時,都會產(chǎn)生一定的流態(tài)變化。這些流態(tài)變化將導(dǎo)致油液的壓力損失,并伴隨噪聲。傳統(tǒng)的主閥套通孔結(jié)構(gòu)為6個均布的圓形通孔,如圖2所示。其通孔雖不起主要節(jié)流作用,但對流體流動仍會產(chǎn)生一定影響,有必要開展其結(jié)構(gòu)形式對主閥流量及流場特性影響的研究。2網(wǎng)絡(luò)劃分和邊界條件2.1插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在對插裝閥主閥進(jìn)行流場分析前,先對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于插裝式比例節(jié)流閥主閥結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則性,不同部位的結(jié)構(gòu)尺寸相差較大,為了能減少網(wǎng)格個數(shù)并保證網(wǎng)格質(zhì)量,使仿真既能滿足精度要求又能盡量縮短仿真時間2.2進(jìn)口壓力邊界調(diào)研發(fā)現(xiàn),插裝閥的工作壓降通常為0.5MPa,因此,仿真時,該插裝閥進(jìn)口與出口壓力分別選取為0.5MPa和0。具體邊界條件設(shè)置如下:(1)進(jìn)口邊界。進(jìn)口選取壓力進(jìn)口邊界條件,進(jìn)口壓力設(shè)為0.5MPa。(2)出口邊界。出口選用壓力出口邊界條件,出口壓力設(shè)定為0。(3)對稱邊界。在對稱面上,垂直該面的速度取為零,其他物理量值在該邊界內(nèi)外相等。(4)壁面。將與主閥芯相接觸的面定義為主閥芯內(nèi)外壁面,將與主閥套相接觸的面定義為主閥內(nèi)外壁面。3模擬分析3.1流量特性分析利用FLUENT仿真分析,可得到插裝閥主閥套為圓形通孔時流量特性曲線,并根據(jù)節(jié)流窗口的面積,可計(jì)算出插裝閥的流量系數(shù)。其流量特性曲線如圖4所示,其中,閥口開度α在0~15%區(qū)域?yàn)樵撻y的死區(qū),故不研究該區(qū)域內(nèi)閥的流量特性。從圖4可以看出,所研究的插裝式比例節(jié)流閥具有變流量增益特性,主閥芯結(jié)構(gòu)的特殊性使得該閥閥口開度在15%~40%區(qū)域和40%~100%區(qū)域所對應(yīng)的流量增益不同,正是這種變增益特性,使其可以實(shí)現(xiàn)小閥口開度下流量精準(zhǔn)控制和大閥口開度下高通油能力,從而廣泛應(yīng)用于重型機(jī)械設(shè)備液壓控制系統(tǒng)中。但在40%~100%閥口開度下,其流量增益并沒有保持恒定,而是逐漸減小,這是由于隨著閥口開度的增大,閥套通孔對油液的阻尼作用越發(fā)明顯,從而對其流量特性產(chǎn)生影響,限制了該閥的最大通油流量。3.2主閥套通流面積對應(yīng)變的影響針對DN80插裝式比例節(jié)流閥提出一種有4個均布腰形結(jié)構(gòu)的通孔結(jié)構(gòu),兩種通孔的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。經(jīng)計(jì)算,采用腰形通孔結(jié)構(gòu)的通流面積是傳統(tǒng)通孔結(jié)構(gòu)的1.3倍。設(shè)定主閥套內(nèi)外壁面的壓力差為0.5MPa,通過ANSYS仿真,得到主閥套在不同結(jié)構(gòu)時的應(yīng)變云圖,如圖6所示。從圖6可以看出,雖然圖6a中主閥套通孔結(jié)構(gòu)相對于圖6b中結(jié)構(gòu)改變了,但其變形量分布規(guī)律相似且最大值近似相等,因此,改變主閥套結(jié)構(gòu)對閥套的承受能力基本沒有影響。3.3閥套通流面積的影響利用FLUENT仿真軟件插裝式比例節(jié)流閥屬于流量控制閥,在恒定壓差作用下,其主閥的流量特性主要受主閥節(jié)流口(含主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔)通流面積的影響。從圖7可知,在主閥芯開口度較小時,主閥芯節(jié)流口起主要節(jié)流作用,主閥套的通孔結(jié)構(gòu)對主閥流量增益幾乎沒有影響;在主閥芯開口度較大時,主閥芯節(jié)流口和主閥套通孔共同起節(jié)流作用,此時主閥套腰形通孔結(jié)構(gòu)相對于圓形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流面積,因此可提高該閥主閥的流量增益。在主閥芯開口度為80%~100%時,相對于圓形通孔結(jié)構(gòu),相應(yīng)的主閥流量增益可增大12%~15%。3.3.2主閥芯的徑向不平衡力利用FLUENT仿真軟件,以主閥開口度為40%和100%為例,分析主閥芯所受徑向不平衡力情況,如表1所示。由表1可知,腰形通孔可減小主閥芯所受的徑向不平衡力。主閥芯的徑向不平衡力是其內(nèi)壁面所受徑向力和外壁面所受徑向力之和,由于其內(nèi)壁面直接與流體流入位置相通,其壓力分布較均勻,故主閥芯的徑向不平衡力主要來自其外壁面所受的徑向力。而相對于圓形通孔,腰形通孔由于其更大的通流能力,使主閥芯外壁面流體流動區(qū)域的壓力分布相對均勻,從而減小了主閥芯外壁面所受的徑向不平衡力,改善了主閥芯受力情況。4關(guān)于視覺實(shí)驗(yàn)的研究4.1可視化實(shí)驗(yàn)方案為驗(yàn)證仿真結(jié)論,采用可視化實(shí)驗(yàn)手段,其實(shí)驗(yàn)方案如圖8所示。以水為傳動介質(zhì),采用PIV測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。4.2相似理論計(jì)算由于可視化實(shí)驗(yàn)介質(zhì)與工業(yè)用液壓油特性有較大差別,為保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,需采用相似理論進(jìn)行相似計(jì)算。在本實(shí)驗(yàn)中,流體的黏性力起主導(dǎo)作用,因此采用黏性力相似準(zhǔn)則,即(Re)式中,C為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绫阌赑IV數(shù)據(jù)采集,選取長度比例系數(shù)為C此外,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€需滿足壓力相似判據(jù),即式中,C根據(jù)式(2)可計(jì)算出C4.3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸ず脱b配以上述相似計(jì)算結(jié)果為依據(jù),采用高性能有機(jī)玻璃,加工各元件的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?主閥套實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D9所示。將所有實(shí)驗(yàn)元件模型加工完成后,對其進(jìn)行裝配,其整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D10所示。主閥芯和主閥芯蓋板用螺紋連接,可無級調(diào)節(jié)主閥芯的開口度,主閥套和主閥芯蓋板用定位銷固定,閥塊和主閥芯蓋板用螺栓固定,在閥塊進(jìn)出口處分別安裝進(jìn)口接頭和出口接頭,以方便連接管路。4.4仿真結(jié)果驗(yàn)證調(diào)定主閥芯開口度和進(jìn)出水口壓差,利用水桶、量杯和秒表測量固定時間內(nèi)的流量,多次測量,取平均值,從而得到主閥在相應(yīng)開度下的流量值。將CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖11所示。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件有限,本文只測量主閥芯開口度為40%~80%時的流量數(shù)據(jù)?？梢钥闯?兩種主閥套通孔結(jié)構(gòu)流量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,主閥芯開口度在60%~80%之間,相對于圓形通孔結(jié)構(gòu),腰形通孔結(jié)構(gòu)具有更大的通流能力,在80%主閥芯開口度時,相對于圓形通孔結(jié)構(gòu),主閥的流量增益可增大12%。5主閥開口度為6.0下的通流能力(1)針對插裝式比例節(jié)流閥,提出一種腰形通孔的主閥套結(jié)構(gòu),通過仿真與可視化實(shí)驗(yàn)對比分析,得出主閥開口度在60%~80%