掘进机插装式平衡阀液固热耦合分析与结构优化

赵美卿

摘要：针对掘进机螺纹插装式平衡阀热效应明显的现象，考虑插装式平衡阀的热应力场和机械应力场的综合应力相互作用，对螺纹插装式平衡阀的内部流场特性进行了液固热耦合仿真分析。建立实际使用的插装式平衡阀整体三维模型，包括阀芯阀体，根据液压阀流体流动过程的传热特点，对液流流动过程流场、温度场进行数值模拟，在不同的阀芯锥角和开口度参数条件下，可获得阀芯锥角和开口度对应力应变的影响规律。仿真结果表明，锥角开口影响阀芯温度与出口温度，开口越大更有利于抑制液压油温度增加，锥角大小对油液温度的影响比较小;开口大小对锥角处应力有影响，开口越小应力越大，锥角越大应力越大。

关键词：螺纹插装式平衡阀;液固热耦合;流场模拟;阀芯锥角;开口度

中图分类号：TH137.5                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0030-02

0  引言

平衡回路常应用于工程机械、矿山机械以及起升下降的液压传动系统中。螺纹插装式平衡阀具有重量轻、结构紧凑、集成度高和安装维修方便等特点，因此在安装空间狭小的场合中常被使用。由于以上优点，插装式平衡阀常被应用在掘进机铲板的升降油缸、后支撑油缸，以及截割部的升降油缸、回转油缸等液压平衡回路中。掘进机工作环境较为恶劣、且工况复杂多变，插装式平衡阀易产生节流发热、低频抖动、气穴、漩涡和噪声等现象。

液固热耦合是指由流体、固体和温度场同时存在的系统中三者之间的相互作用的问题。对掘进机插装式平衡阀多物理场耦合分析，可为其优化设计提供一定的依据[1]。国内外学者对插装式平衡阀的物理场特性进行了详细研究。姚平喜等利用MATLAB/Simulink对平衡阀进行了动态特性分析 [2]。杨国来等采用AMESim对螺纹插装式平衡阀动态特性进行了研究[3]。管传宝对插装平衡阀在液压举升回路特性进行分析[4]。郑淑娟对插装型锥阀配合副流固热耦合分析[1]。邓龙研究了螺纹插装式平衡阀的稳定性[5]。本研究利用 FLUENT 软件模拟掘进机用螺纹插装式平衡阀流固热耦合，主要研究阀芯锥角和开口度对应力应变的影响规律，以实现对结构参数优化。

1  螺纹插装式平衡阀的结构和工作原理

掘进机用螺纹插装式平衡阀可分为主阀和单向阀2，其主要结构见图 1。

2  螺纹插装式平衡阀仿真模型的搭建

计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）是融合流体力学、数值计算和计算机科学的学科，主要原理是基于控制体积理论并应用离散化数值计算方法解决流体问题[6]。本文采用软件Fluent对内部流场进行仿真研究。

进行CFD液固热耦合分析需要使用三维模型，本文使用Solidworks三维建模软件，建立插装式平衡阀的阀口三维模型进行分析。按照插装式平衡阀实际尺寸参数建立平衡阀的三维数值模型，包括閥芯、阀体和阀内液流，包括流体域和固体域组成的整个完整的流动系统和传热系统，阀口三维模型如图2所示。

将模型导入FLUENT，在Geometry中创建流体模型，并设置流固耦合面。将阀腔内流体节流损失产生热量视为稳定热源，阀外表面与空气为自然对流换热，阀内液体与阀固体边壁之间是强制对流换热。计算过程中假设进口油液温度保持恒定。

图 3为流体域的网格划分情况，流体模型见于图3（a），流固耦合网格情况图见于3（b）。利用软件mesh功能对液固耦合模型进行网格划分。因平衡阀节流损失产生热量较多，而流体部分与固体部分数值交换较多，故将节流损失部位网格细化。建模过程尽量与平衡阀一致，以尽可能模拟实际模型和工况。

3  仿真条件设置

设置边界条件，液体密度ρ=860kg/m3，粘度η=0.04kg·m-1·s-1，湍流模型使用Standard k-epsilon model，近壁函数选择Standard Wall Functions。考虑温度对模型的影响打开粘性热（Energy Equation）选项。参考单向阀在实际某工况下承载压力为3.5MPa，本次仿真将使用此压力对平衡阀进行模拟。入口温度25℃（298K），设置好参数后，进行迭代运算。可以得到流场结果。继续接入Static Structural模块，导入温度场和流体压力进行流固热耦合，得到最后仿真结果。

4  仿真结果分析

该螺纹插装式平衡阀中，主阀芯外径 9mm，阀腔内径为13mm，阀腔长度 5.5mm，阀进油口直径8mm，阀出油口直径 3.5mm。该螺纹插装式平衡阀在某型号掘进机摇臂升降液压平衡回路应用中，在摇臂举升过程中，平衡阀主阀芯开启时，阀芯开口处的液压系统压力为3.5MPa。本研究在上述工况下，选择了三组主阀芯开口度、锥角参数对主阀芯开启处的温度、应力、应变进行了模拟仿真。第一组参数，锥角30°，开口度为0.7mm;第二组参数，锥角30°，开口度为0.5mm;第三组参数，锥角45°，开口度为0.5mm。仿真云图包括：（a）耦合温度场、（b）总变形、（c）应力云图、（d）应变云图、（e）阀芯应变云图、（f）阀芯应力云图。锥角30°，开口度为0.7mm仿真云图见图4所示。

统计三组参数，其仿真结果见于表1。由表1可知，锥角开口影响阀芯温度与出口温度，开口越大有利于控制温度上升。而锥角大小对温度的影响很小;锥角大小与开口大小对锥角处应力与出口应力都有影响，开口越小应力越大，锥角越大应力越大。

5  结论

本文使用三维建模软件建立实际使用的插装平衡阀模型，包括阀芯和阀体等，进行液固热耦合仿真分析。设置不同的阀芯锥角和开口度参数，研究分析阀芯锥角和开口度对应力应变的影响规律。仿真结果对阀套阀芯设计提供可参考的依据。

参考文献：

[1]郑淑娟.插装型锥阀配合副流固热耦合分析及流场可视化[D].太原理工大学，2015.

[2]姚平喜，张恒，王伟.负载敏感平衡阀动态特性仿真及参数优化研究[J].机床与液压，2011，39（7）：29-32.

[3]冀宏，梁宏喜.基于AMESim的螺纹插装式平衡阀动态特性的分析[J].液压与气动，2011（10）：80-83.

[4]管传宝，罗瑜，李屹，赵丽梅.钢拱架安装机插装式平衡阀动态特性分析[J].机床与液压，2019，47（17）：173-176.

[5]邓龙.螺纹插装式平衡阀在平衡回路中稳定性研究[D].兰州理工大学，2016.

[6]杨华勇，周华，路甬祥.水液压技术的研究现状与发展趋势[J].中国机械工程，2000，11（12）：1430-1434.