基于FLUENT的滑阀液动力补偿的研究

张 杰，安 骥

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

基于FLUENT的滑阀液动力补偿的研究

张 杰，安 骥

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

液动力是滑阀和阀腔的结构设计中考虑的关键因素之一。提出了一种在阀套上开圆弧型进出口流道的方法，对进出口处的油液进行导流，以达到减小液动力的目的。同时利用FLUENT软件分析该阀内流场，并与传统的直流道滑阀相比较，然后对改进后滑阀的液动力特性和阀口流量特性分析计算。该研究对滑阀的结构优化设计有一定的参考意义。

液动力；滑阀；圆弧型流道；FLUENT

0 引言

滑阀是液压系统中应用广泛的液压放大元件，油液流经滑阀时，油液速度的大小和方向发生改变，其动量的变化必然会对阀芯产生液动力。而液动力不仅会影响滑阀的操纵性[1]，还会造成信号干扰引起阀芯动作紊乱，从而影响滑阀的稳定性和可靠性，故对阀芯液动力的分析计算和有效补偿至关重要。

国内外很多学者对滑阀的液动力有过一定的研究，Minter Cheng等[2]对分流阀所受液动力情况进行了仿真研究，研究表明液动力是影响分流精度的主要因素。张弓等[3]通过CFD软件对电液比例阀三种腔室结构的流场对比分析，得出能够通过优化其阀芯和阀套的结构减小作用在阀芯上的液动力。冀宏等[4]利用CFD软件对两种典型节流槽式的滑阀进行流场仿真分析研究，得到阀的流量和液动力特性曲线，并与试验测量结果进行了比较，两者吻合良好。鉴于以上研究成果，结合文献[5]本文提出了在阀套上开圆弧型流道的方法，并利用FLUENT流场分析软件直接计算阀芯两壁面所受的压力，而液动力的本质是流体运动所造成的阀芯壁面压力分布发生变化而产生的，两壁面压差的大小直接反映了液动力的大小，以此来比较滑阀改进前后的情况。

1 模型及计算条件

1.1 结构模型

研究的滑阀结构如简图1、图2所示。

图1、2中箭头的所示方向表示进油口、出油口。由于滑阀结构的轴向对称性，本文只研究一半滑阀向右运动的情况。

1.2 几何模型

Gambit是FLUENT的前处理软件，利用该软件建立滑阀的几何模型。假设油液在滑阀阀腔内的流动为轴对称流动，可以把实际的流动情况简化成二维的流动。先研究阀芯向右运动的位移为0.5 mm的情况，阀芯的直径为10 mm，其他尺寸如图3、图4所示（以图中O为原点）。

图1 一般的垂直流道滑阀

图2 改进后的圆弧型流道滑阀

图3 垂直型滑阀几何模型图

图4 圆弧型滑阀几何模型图

1.3 计算条件

流体在阀内的流动情况是十分复杂的，为了更好的进行仿真计算，本文对流场作一定的假设：

（1）流体为牛顿流体，且不可压缩；

（2）流场仿真的主要参数：进口压力20 MPa，出口压力0.1 MPa，油液的密度890 kg/m3，动力粘度0.03 kg/（m·s）；

（3）近壁面流体流动过程中受到壁面约束，故选择标准k-ε黏性模型进行湍流仿真。

2 流场仿真和结果分析

2.1 滑阀内流场流线分布

在同样的条件下，对一般滑阀和圆弧型流道滑阀的内部流动状态进行仿真分析，仿真结果分别如图5、图6所示。

图5 垂直型滑阀内流场流线图

图6 圆弧型滑阀内流场流线图

从图5可以看出，油液在阀内的流动是十分复杂的，油液由左侧进油口进入阀腔后，由于阀腔流道方向的突然转变，靠近上壁面的油液不能拐弯流动，导致阀腔上部的油液被主流油液带动而形成涡流，碰到阀芯壁面形成涡流。从图6，由于圆弧型流道的导流作用，明显减少了油液突然转向而形成的涡流区域，从而减少节流损失，降低由漩涡引起的阀的振动和流量脉动噪声[6]等。

2.2 阀芯壁面压力分布

图7为阀芯各壁面（见图3、4）的压力分布图。可以看出，壁面1、3的压力基本保持不变，与进口处的压力相等；而当逐渐接近节流口时，壁面2、4上的压力随之迅速下降，从而导致两阀芯壁面上（1和2、3和4）压力差的存在，而压力的方向与阀芯运动方向相反，即趋于阀口关闭的方向，这就是液动力形成的原因[7-8]。

图7 阀芯各壁面压力分布图

另外，壁面4的压力曲线始终处于壁面2压力曲线之上，即一般滑阀产生的压力差始终大于改进后滑阀两壁面之间的压力差，因此一般滑阀所受的液动力大于改进后滑阀所受的液动力，可见圆弧型流道对液动力的补偿效果明显。

2.3 液动力随压差的变化

在阀口开度恒定的条件下，改变圆弧型滑阀进、出油口之间的压差，研究改进后滑阀的液动力特性。用FLUENT软件分别仿真计算出压差为2 MPa、6 MPa、10 MPa、14 MPa、18 MPa时的液动力，绘制出液动力随压差变化的曲线如图8所示。

从图8中可以看出，在阀口开度恒定的情况下，随着压差的增加，液动力基本上呈线性比例增加，可见改进后的滑阀具有良好的液动力特性，从而可以提高阀的控制性能。

2.4 阀口质量流量随阀口开度的变化

在压差恒定的情况下，改变阀口开度，用FLUENT软件分别计算出阀口开度为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm的质量流量，绘制出质量流量随阀口开度变化的曲线如图9所示。

图8 液动力随压差变化曲线图

图9 质量流量随阀口开度变化曲线图

由图9可以看出，随着阀口开度的增加，阀口的质量流量也随着增加。在阀口开度较小时，阀的流量系数（曲线的斜率）稍偏低，这是因为阀口较小，油液受壁面粘性摩擦力的影响相对较大，流动发展不完全[8]。总体上看，两者基本上呈线性比例关系，因此改进后滑阀具有良好的阀口流量特性。

3 结论

本文通过FLUENT软件对两种阀内流场的分析，得出圆弧型流道不仅能减小作用在阀芯上的液动力，还能减少阀内流场的漩涡现象，进而减少节流损失，降低振动和噪音等，同时还有较好的液动力特性和阀口流量特性。但是，对于圆弧型流道的加工，与直流道相比有一定的难度，随着数控加工技术的发展，流道的加工问题也会迎刃而解。

参考文献：

［1］方文敏，成琳琳，傅新，等.带U形节流槽的滑阀稳态液动力研究［J］.浙江大学学报：工学版，2010，44（3）：574-580.

［2］Minter Cheng.Modeling and Analysis of a Flow Divider Valve［A］.ASME Conference Proceedings［C］. 2009：91-98.

［3］张弓，黄静，邱容.基于CFD的电液比例阀液动力分析［J］.机械设计，2010，27（6）：93-96.

［4］冀宏，傅新，杨华勇.非全周开口滑阀稳态液动力研究［J］.机械工程学报，2003，39（6）：13-17.

［5］吴金波，陈飞，徐礼林.斜进口流道滑阀稳态液动力的仿真与分析［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（11）：109-111.

［6］贾卫军，孙玉清，崔会峰，等.VP502型汽车转向泵噪声研究［J］.机电设备，2005（1）：44-46.

［7］段少帅，姚平喜，张恒.滑阀稳态液动力产生原因与补偿方法［J］.流体传动与控制，2010（03）：27-30.

［8］吕庭英，黄效国，何康宁.基于Fluent的液压伺服阀液动力研究［J］.机床与液压，2011，39（13）：131-132.

Study for the Flow Force Compensation of Spool Valve Based on FLUENT

ZHANG Jie，AN Ji
（Merchant Marine Academy，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

Flow force is one of the keys factors in the structural design of spool valve.In order to achieve the purpose to reduce the flow force，this paper presents a method on arc-shaped opening in the valve sleeve to deflector the oil of the opening.while using FLUENT software to analyze the flow field inside the valve，and compared with the conventional spool.Then analysis the characteristics of fluid dynamic and the valve orifice flow of the improved spool valve.The study has a certain reference value on the structural optimization of spool valve.

flow force；spool valve；arc-shaped passage；FLUENT

TH137

A

1009－9492(2014)01－0041－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.010

张 杰，男，1988年生，河南周口人，硕士研究生。研究领域：液压及流体传动控制。

(编辑：向 飞)

2013－07－03