铁道车辆油压减振器阻尼阀流场三维仿真分析*

2010-05-04丁问司巫辉燕汪娇娇

铁道机车车辆 2010年2期

丁问司,巫辉燕,汪娇娇

(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510641)

油压减振器是机车车辆走行系的重要部件,用于吸收和缓解轨道不平顺引起的振动和冲击,其性能直接影响列车的平稳性、舒适度。弹簧阻尼阀是实现阻尼力调整的关键部件,优化其设计参数对提高减振器的工作特性及运行可靠性有显著影响。目前国内外相关工程人员对阻尼阀的设计研究多集中于经验公式和静态计算,有关阻尼阀流场动态分析方面的工作少见报道。本文运用流体分析系统Ansys CFX,通过动态仿真揭示了弹簧阻尼阀芯局部流场在不同运动状态下的复杂变化规律,为阻尼阀参数设计及其内部流道结构优化提供理论依据。

1 油压减振器阻尼阀工作原理

减振器在外力作用下作往复运动,工作缸内液压油流经阻尼阀时将产生压力损失,使减振器产生阻尼力,同时将机车振动的部分机械能转变为热能并耗散,从而达到减振的目的。目前,国内铁道减振器大多为单作用缸形式,内缸截面积为活塞杆截面积的2倍。导承上有如图1所示的3个调节单元组成,用于调节阻尼系数。

图1 阻尼调节单元的组成

各调节单元由调节弹簧螺盖、调节弹簧、调节阀、阀套组成。调节单元1是减振器特性调节阀;调节单元2是阻尼调节阀,调节单元3是过载保护阀。对应的开启压力设定关系为P3＜P2＜P1。

2 几何模型建立及网格划分

3个调节单元阻尼阀的开启压力虽然不同,但是工作时内部流场有相似性,在此选择调节单元2中阻尼阀来说明其计算过程。

根据某型机车垂向减振器阻尼阀的实际参数,在pro/E中建立阀体流场区域的 3维模型,并在Ansys ICEM中对其进行网格划分,并对局部进行网格细化,获得模型及网格区域如图2所示。

3 计算条件

计算中对流体特性和流动状态设置如下:

活塞缸径60 mm,回油腔压力为一个标准大气压。弹簧刚度为127 kN/m,压缩量为1.7 mm。

减振器液压油型号 HSO7749C,密度为 872 kg/m3,动力黏度为0.027 9 Ns/m2。

油液流动状态为紊流,采用标准k-ε紊流模型。流体与壁面接触的边界为静止壁面。进出口边界条件采用速度入口和压力出口。

4 仿真计算结果与分析

图2 阻尼阀流道三维模型及其网格划分

图3 阻尼阀截面位置示意图

图4 活塞速度0.075 m/s时截面4压力云图

图5 活塞速度0.075 m/s时截面3压力云图

为研究阻尼阀工作过程的各种性能,本文对油压减振器在不同速度下的阻尼阀内部流场进行了模拟计算。当减振器活塞速度小于0.04 m/s时,调节单元2中阻尼阀不开启,其流道内无油液流动,对其进行流场分析没有意义。给定减振器不同振动速度0.075 m/s以及0.1 m/s,通过流量分配,可求出该阻尼阀的入口流量。由于阻尼阀属轴对称结构,为使显示结果清晰,选取了若干有代表性的截面进行可视化分析,各截面位置如图3所示。鉴于篇幅的限制,这里仅给出代表性截面上的压力云图和速度矢量图,如图4～图12所示。

图6 活塞速度0.075 m/s时截面4速度矢量图

图7 活塞速度0.075 m/s时截面3速度矢量图

图8 活塞速度0.1 m/s时截面4压力云图

图9 活塞速度0.1 m/s时截面1压力云图

图10 活塞速度0.1 m/s时截面2压力云图

图11 活塞速度0.1 m/s时截面3压力云图

对比分析不同活塞速度下调整单元2中阻尼阀流道各关键截面的压力云图和速度矢量图,可以得出阻尼阀内部流场的分布特征:

(1)阻尼阀工作时,油液通过阻尼孔流速激增,而压力减小。

(2)流体从阻尼孔到达阀套环行槽上,由于油液射到阀体上而回流,造成压力损失,导致环行槽上阻尼孔两侧出现低压的现象。在阻尼孔和环行槽连通面的对面,出现流体对碰,将产生涡流现象。

图12 活塞速度0.1 m/s时截面1速度矢量图

(3)活塞运动速度分别为0.075 m/s和0.1 m/s时,压力最大值分别为4.834 MPa和6.466 MPa,由此可得出该状态下减振器阻尼力分别为6 850 N和9 175 N,这与该型减振器经验计算值6 877 N和9 773 N相接近。通过比较以上各图,减振器不同运动速度下,阻尼阀流场压力分布基本相同。

(4)在阻尼阀弹簧所在的调节阀内腔,各处压力相差不大,油液流动速度较小。当流体通过内阀体上孔以及内外阀体间的间隙流向出口时,油液碰到出口内壁形成2次流,同时形成了一个低压区。