基于不同阀芯颈部直径参数的液压锥阀流量特性的影响研究*

2020-06-18石金艳龚煌辉李

计算机与数字工程 2020年4期

石金艳龚煌辉李辉

（1.湖南铁道职业技术学院株洲 412001）（2.四川川润股份有限公司成都 610031）

1 引言

在各类液压阀中，液压锥阀由于结构简单、性能好，得以广泛应用于液压系统中。液压锥阀的主要部件有阀芯、阀座及附属的弹簧、密封件等。液压锥阀安装方便，只需将阀芯插入阀体或阀块的插孔内，通过控制盖板与阀体或阀块间的螺钉联接实现固定。尽管阀套、阀体插孔和盖板三者间的相关尺寸基本标准化，但组件内部的一些尺寸如阀芯形状及尺寸、阀套内孔与阀芯配合的形状及尺寸等，均可由设计人员自行给定，其中，阀芯形状及尺寸对液压锥阀性能影响最明显。本文研究阀芯颈部直径对液压锥阀的流量特性的影响。

采用CFD方法，对液压锥阀进行流体解析，得到液压锥阀的不同阀芯颈部直径对流量特性的影响，为液压锥阀的结构设计提供理论一定的参考。

2 液压锥阀的结构分析

研究选择了某锥阀作为案例，如图1所示，该液压锥阀主要结构参数如下：A=90°，B=16.5mm，C=4mm，D=6mm，F=130°，G=130°，D为阀芯颈部直径值。如图1所示，箭头方向为液压油的流动方向；图中I区、II区均为两个旋涡产生区。液压锥阀的内部阀腔结构对称，内部流动对称，研究中我们只取流动区域的一半作为计算对象以减少计算工作量。

图1 锥阀的基本结构

3 液压锥阀建模

把图1的流体区域作为计算区域，采用I-deas软件对液压锥阀进行三维建模；接着，采用四面体网格进行模型的网格划分，同时根据实际情况，在阀的进口和出口部分液压油的流速和压力变化缓慢，可以采用较粗的网格；在液压锥阀的阀口处有节流效果，压力变化较大，液压油的流速较大，此处的网格做了初步细化，同时在出口拐角处区域做了局部细化。网格划分好后导入流体分析软件Star-CD中对液压锥阀进行仿真计算。

对液压锥阀进行仿真计算时，对所建模型作如下规定：1）液压锥阀是理想锥阀，其阀芯与阀套配合精准无间隙；2）液压油为不可压缩、恒定的牛顿流体（即速度梯度变化时，动力粘度μ不变）；3）因液压锥阀的阀体尺寸很小，忽略液压油重力以及阀腔内部液压油传热的影响；4）液压油的参数设定：密度ρ=880kg/m3，进口压力P1=5Mpa，出口压力P2=0Mpa；5）如图2所示为边界条件的设定。

图2 锥阀模型的边界条件

4 仿真结果分析

通过对液压锥阀的阀芯颈部直径参数从4mm增加至16mm，其中变化的梯度为2mm，对液压锥阀的进行三维建模并完成CFD仿真，得到液压锥阀对应的流量曲线如图3、图4所示，得到锥阀的流量系数曲线如图5、图6所示。

图3 相同阀口开度下的流量

图4 相同阀芯颈部直径参数的流量

图5 相同阀口开度下的流量系数

图6 相同阀芯颈部直径参数的流量系数

从图3和图4可得，在相同阀口开度下，液压锥阀的阀芯颈部直径从4mm变化到16mm，流量大小基本不变。随着阀口开度的增大流量变大，其中在阀口开度为0.3mm时，流量为36L/min左右，当阀口开度为2.4mm时，流量约为214L/min。因此，我们得到在相同的阀口开度情况下，液压锥阀的阀芯颈部直径参数变化不会引起流量的变化。

从图5看到，阀口开度为0.3mm的流量系数曲线离其他的曲线相隔较远，其余曲线均比较平直集中，流量系数对应的数值为0.87左右。

从图5和图6可得，当液压锥阀的阀口开度处于0.3mm～0.6mm时，液压锥阀的流量系数有一定的波动，随着阀口开度的增大而减小。而阀口开度在0.6mm～2.4mm时，液压锥阀的流量系数基本不变保持在0.87左右。