基于CFD的某滑阀阀芯动态特性研究

张胜，何晓晖，王强，王新文

（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007）

基于CFD的某滑阀阀芯动态特性研究

张胜，何晓晖，王强，王新文

（解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007）

基于CFD和动网格技术，建立了具有圆弧倒角的液压滑阀动态特性分析的三维数值模型，对其在弹簧力、驱动力及流体力共同作用下的开启过程进行了动态模拟。分析了不同弹簧刚度下，液压滑阀开启过程中阀芯位移、所受的冯.米塞斯应力和瞬态液动力的变化情况，得到了弹簧刚度对液压滑阀阀开启过程中阀芯位移、所受的冯.米塞斯应力和瞬态液动力的影响规律，为液压滑阀的设计及优化提供依据。

CFD；液压滑阀；动网格；弹簧刚度

液压滑阀在开启过程中流场不稳定，阀芯的控制精度不高，对其动态模拟是近来研究的热点。当前，利用CFD和动网格技术对液压阀进行的动态仿真分析越来越得到重视。文献[1-2]对液压阀阀芯运动过程中内部流场进行了模拟。文献[3-4]主要分析了阀芯运动过程中所受的瞬态液动力。以上研究中，对于液压阀的动态模拟过程都是直接给定阀芯的运动速度，假定滑阀以某一固定速度开启，而实际工作中阀芯的运动速度是不断变化的。文献[5-6]研究了阀芯在不同速度入口条件下的运动情况，其中对阀芯运动过程处理是通过使用UDF（User-Defined Functions）程序定义阀芯运动方程来实现的。在动态模拟中，阀芯的运动实际上应该预先不做定义，而是要由仿真的前一步结果来确定后一步的运动情况[7]。

本文以CFD-ACE+流体软件为平台，建立具有倒角的液压滑阀动态特性分析的三维数值模型。分析不同弹簧刚度下，液压滑阀开启过程中阀芯的瞬态位移、阀芯所受冯.米塞斯应力和瞬态液动力的变化情况，研究结果对于液压滑阀的优化设计具有重要的借鉴意义。

1三维数值模型的建立

1.1 动网格条件下的控制方程

动网格技术可以用来模拟阀芯和流域由于运动导致应力场和流场随时间改变的问题。网格的不断运动将会引起流场内控制体的变化，但基本守恒方程依然适用，一般采用积分的形式来表示诸守恒方程[8]：

式中：φ为通用变量，代表u、V、ρ等；Г为广义扩散系数，代表μeff、μ+μt/σk、μ+μt/σε；Sφ为φ的源项；∂V为控制体积V的边界。

1.2 液压滑阀模型和网格划分

液压滑阀通常由多个阀腔组成，根据相似性，本文重点研究其中的一个阀腔，其结构示意图如图1所示。其中，在出口处阀芯台肩上设置有半径为1 mm的90°圆弧倒角。

图1 液压滑阀结构图

利用CFD-ACE+的前处理软件GEOM建立液压滑阀几何模型并进行网格划分。在该滑阀阀芯的开启过程中，流域和阀芯均对称布置，为提高计算效率，取流动区域和阀芯的一半作为研究对象[9]。根据研究对象特点，为使计算结果更加精确，采用六面体结构网格进行网格划分。基于网格分块的思想，将计算区域分成16个网格块，网格划分如图2所示。为提高计算精度，对阀口节流处进行了网格细化。

图2 液压滑阀网格图

2边界条件与参数选取

根据液压滑阀使用的一般工况，重点研究阀芯小开度下的开启过程，其边界条件和参数设置如下：

入口条件：压力入口，选取6 MPa；

出口条件：压力出口，选取0.5 MPa；

驱动压差：选取1 MPa；

液压油：按VG46选取，密度ρ=890 kg/m3；运动粘度μ=46mm2/s；设为不可压缩流体；

阀芯：15CrMo，密度ρ=8 030 kg/m3；弹性模量E=205 GPa；泊松比为0.3；

弹簧刚度：分别取72 N/mm、80 N/mm、88 N/mm；

湍流模型：采用k-ε湍流模型；仿真步长为10-5s.

3液压滑阀动态特性分析

3.1 阀芯瞬态位移分析

阀芯在开启过程中受到液动力、驱动力以及弹簧力的作用，其位移由三者共同决定。仿真得到的阀芯位移变化情况如图3所示。

图3 阀芯开启过程位移变化

从图3看出，在滑阀开启过程中阀芯位移会连续变化，首先到达一个最大位移处，然后呈现周期性的衰减波动，最终达到一个平衡状态即稳态。假定阀芯运动过程达到稳态所满足的条件如下：

式中：xmax、xmin分别为在同一个波动周期内阀芯的最大位移和最小位移。

在相同驱动压差和进出口压力条件下，随着弹簧刚度的增加，阀芯位移波动幅度相应减小，波动周期变短，达到稳态的时间缩短，但稳态位移即开口度减小。在设计滑阀时考虑到整体性能，不能一味增加或减小弹簧刚度，应当根据需求选取一个合适的值。

液压滑阀阀芯稳态位移的理论计算公式为：

式中：D为流道直径；xv为阀芯稳态位移；W为阀口的面积梯度；k为弹簧刚度；F为滑阀阀芯所受的驱动力；Fs为阀芯所受的稳态液动力；△p为滑阀进出口压差；△P1为驱动压差。

联立上式，可以解得阀芯的稳态位移分别为0.77 mm、0.70mm和0.65 mm.稳态位移的理论值与仿真值对比情况如表1所示。可认为仿真计算结果与理论计算结果基本吻合，证明了仿真的可靠性。误差的产生是由于在理论计算中采用经验公式求解，没有考虑内部结构不同及流场微观流动带来的影响。

表1 稳态位移理论值与仿真值对比

3.2 液动力分析

在入口压力一定的条件下，弹簧刚度不同会使得阀口开度不同，阀芯所受的液动力也就会发生变化，液动力的变化反过来又会影响到阀芯的位移，所以液动力和阀芯运动过程是相互影响的。在换向阀中，稳态液动力会影响到其操纵稳定性[11-12]，瞬态液动力会影响阀芯的运动，造成阀芯的振动和冲击。因此有必要对阀芯的稳态液动力和瞬态液动力进行研究。对于液动力的求解，可通过对阀芯壁面所受的压力进行表面积积分得到，阀芯各个壁面轴向力的合力即为液动力的值[13]。仿真得到的滑阀阀芯所受液动力如图4所示，其中包含瞬态液动力和总的液动力。

图4 阀芯开启过程所受液动力变化

从图4可以看出：（1）液压滑阀阀芯在开启过程中所受的液动力存在波动，最终达到稳态，稳态液动力分别为-51.9 N、-49.5 N和-46.8 N；（2）随着弹簧刚度的增加，阀芯所受稳态液动力的绝对值变小，稳态液动力均为负值，表明液动力的方向使得阀芯趋于闭合，利于阀芯的稳定；（3）瞬态液动力在开启瞬间达到最大值，随着弹簧刚度的增加，瞬态液动力的峰值增加，但达到稳态所需的时间缩短；（4）瞬态液动力为负值表示其力方向与阀芯运动方向相反，起到正阻尼作用，利于滑阀的稳定，反之则对阀芯起到不稳定作用。

3.3 阀芯所受冯.米塞斯应力分析

冯.米塞斯应力是根据第四强度理论得到的一种当量应力，它用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可以用来对疲劳、破坏等进行评价。图5给出了弹簧刚度k=72 N/mm时，阀芯开启过程所受的最大冯.米塞斯应力位置变化情况。其它弹簧刚度下的分布基本一致，受篇幅所限不予列出。

图5 阀芯开启过程所受最大冯.米塞斯应力位置变化

从图5可知，阀芯所受最大冯.米塞斯应力主要集中在如图所示区域，不同弹簧刚度下最大值随时间变化情况如图6所示。可以看出，阀芯开启过程所受的最大冯.米塞斯应力存在波动，随着弹簧刚度的增加，峰值和稳态值均减小，达到稳态所需的时间也逐渐缩短。

图6 阀芯开启过程所受最大冯.米塞斯应力大小变化

4结束语

通过对液压滑阀开启过程进行仿真分析，得到了弹簧刚度对液压滑阀动态特性的影响规律，可以为提高液压滑阀的动态性能和结构优化提供依据。主要结论包括：

（1）在进出口压力和驱动压差一定的条件下，随着弹簧刚度的增加，阀芯位移、所受液动力和最大冯.米塞斯应力值的波动均减小，达到稳态的时间也缩短；

（2）随着弹簧刚度的增加，阀芯的稳态位移减小，即开口度变小，为了达到同样的开口度，需要更大的驱动力；

（3）在阀芯开启瞬间，瞬态液动力值变化较大，设计阀时须加以考虑；

（4）随着弹簧刚度的增加，阀芯受到的稳态液动力的绝对值、最大冯.米塞斯应力的峰值和稳态值均减小，稳态液动力的减小可降低调压偏差，最大冯.米塞斯应力的峰值和稳态值的减小可以减轻阀芯的冲蚀和疲劳破坏。

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TransientProperties of the Hydraulic SpoolValve Based on CFD

ZHANG Sheng，HE Xiao-hui，WANG Qiang，WANG Xin-wen
（College of Field Engineering，PLA Univ.of Sci.&Tech.Nanjing 210007，China）

The three-dimensional numericalmodelwas established to obtain transient properties of hydraulic spool valve with circular arc cham fering based on CFD and dynamic mesh technology.Focused on the opening process of hydraulic spool valve，the characteristics are determined by the spring，driving and flow force.Transient displacement，von mises and flow force were analyzed in this opening process with different spring force.The influence laws of spring stiffness on displacement，von mises and flow force are analyzed in the opening process as well.The results provide basis for hydraulic spool valve’s design and optimization.

CFD；hydraulic spool valve；dynamic mesh；spring stiffness

TH137

A

1672-545X（2016）12-0028-03

2016-09-10

张胜（1992-），男，湖北随州人，硕士研究生，研究方向为工程机械液压传动与控制。