多路阀阀芯流固热耦合研究

胡林华，孔 备，张 健,王伯天

(1.郑州飞机装备有限责任公司，河南郑州 450005；2.哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080； 3.一汽-大众汽车有限公司,吉林长春 130013)

引言

由于多路阀可以同时控制多个液压执行机构工作，实现对压力和流量的双重控制，被广泛应用于工程机械中。多路阀的性能对工程机械整体性能有重要影响，是工程机械的核心元件。长期以来由于我国在多路阀自主开发方面起步晚，基础薄弱，研究多路阀相关技术问题有重要的现实意义。

目前已有很多学者开展了对多路阀的研究工作。陈源流等[1]研究了多路阀阀芯拓扑形态设计的流量参数模型，为阀芯设计提供了参考。XU Liping等[2]利用热流固耦合方法对多路阀进行了仿真研究。王安麟等[3-5]研究了多路阀拓扑结构设计问题。LI Rong等[6]仿真研究了多路阀铝合金阀体。陈东宁等[7]研究了比例多路阀摩擦补偿。张晋等[8]研究了多路阀进口节流流场和压降特性。孙泽刚等[9]研究了多路阀节流槽对气穴的影响。CHEN Qianpeng等[10]利用多个软件联合对多路阀阀芯液动力进行了研究。ZHANG Dawei等[11]利用有限元方法研究了载荷作用下多路阀阀体变形。刘伟等[12]研究了多路阀控制问题。陈革新等[13]研究了多路阀的微动特性。徐志刚[14]对防爆负载敏感比例多路阀进行了研究。

近年来学者们对多路阀做了很多有益的研究工作，但对于多路阀的流固热耦合问题研究还较少，而温度对多路阀性能的影响是不可忽视的，故以模型多路阀阀芯为研究对象，采用流固热耦合方法对多路阀阀芯区域流场进行研究，分析流固热共同作用下阀芯的变化情况，以期对多路阀设计提供理论指导。

1 基础理论

液压油流过阀芯流道由于流道突然变窄，油液流速急剧增加形成湍流，假设油液不可压缩，采用标准k-ε模型，方程为:

2μtSij·Sij-ρε

(1)

(2)

式中,ρ—— 液压油密度,kg/m3

k—— 湍动能,kg·m2/s2

ε—— 湍动能耗散率,m2/s3

U—— 油液速度矢量矩阵,m/s

μt—— 湍流黏度,Pa·s

S—— 平均应变率张量

t—— 时间,s

湍流黏度μt表达式为：

(3)

式(1)～式(3)中,系数Cμ,σk,σε,C1ε,C2ε为调节常数，值分别为Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

在ADINA中湍动能k及湍动能耗散率ε的表达式分别为:

k=1.5((0.01～0.1)U)2

(4)

式中,U为油液速度，m/s。

本研究选取k=1.5(0.05U)2。

ε=k1.5/(0.3L)

(5)

式中，L为特征长度，m，等于管道直径。

2 流固热仿真研究

2.1 仿真模型建立

阀芯结构如图1所示。流场结构如图2所示。采用ADINA软件对阀芯流场进行流固热耦合分析，分别建立固体仿真模型和流体仿真模型，进行流固热耦合分析研究时流体模型要包含固体模型，模型的网格划

图1 阀芯结构

图2 流场结构

表1 阀芯材料参数

表2 液压油参数

表3 仿真参数

图3 网格划分

分采用四面体网格，如图3所示。由于阀芯处通流截面会有较大突变极易形成湍流，因此仿真采用k-ε湍流模型。阀芯和液压油的材料参数分别如表1和表2所示，仿真参数如表3所示。

2.2 仿真结果分析

图4～图7为在各种进油压力、进油流速、进油温度时的温度分布情况。

图4 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度298 K时的温度分布情况

图5 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度303 K时的温度分布情况

图6 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度308 K时的温度分布情况

图7 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度313 K时的温度分布情况

从图4～图7可知，油液温度对阀芯的影响主要集中在阀芯与油液接触区域，随着油液温度的升高阀芯受影响区域逐渐增大。

图8～图11为各种进油压力、进油流速、进油温度时的阀芯温度分布情况。由图可知，节流槽处受油液温度的影响较大，需要将温度影响考虑到阀芯节流槽设计中，同时距离油液较远的区域基本没有受到油液温度的影响。

图12～图15为各种条件下的阀芯变形情况。

图8 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度298 K时的阀芯温度分布情况

图9 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度303 K时的阀芯温度分布情况

图10 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度308 K时的阀芯温度分布情况

图11 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度313 K时的阀芯温度分布情况

图12 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度298 K时的阀芯变形情况

图13 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度303 K时的阀芯变形情况

图14 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度308 K时的阀芯变形情况

图15 进油压力30 MPa，进油流速0.5 m/s，进油温度313 K时的阀芯变形情况

从图12～图15可知，随着油液温度的升高阀芯变形明显增大，同时阀芯越靠近回油的区域变形越大，说明如因为温升阀芯卡死主要是由于靠近回油区域的阀芯结构变形角度，因此在设计阀芯时靠近回油的阀芯结构尺寸可适当缩小。

图16 不同进油温度影响下的工作腔压力

图16所示为不同进油温度条件下的工作腔压力随时间的变化情况。图17所示为不同进油温度条件下的出油口流速随时间的变化情况。从图16和图17可知，当油液温度升高时工作腔压力会随温度升高，而回油流量会随温度升高而降低，这是因为温度升高使阀芯变形造成间隙减小，液阻增大。

图17 不同进油温度影响下的出油口流速

3 结论

为探究温度对多路阀阀芯及其流场的影响，本研究采用流固热耦合仿真方法获得如下结论：

(1) 油液温度对阀芯的影响集中在油液与阀芯接触区域，远离接触区的阀芯部分受油液温度的影响很小；

(2) 阀芯上节流槽处受油液温度影响较大，因此在设计节流槽结构时不能忽略温度对节流槽结构的影响；

(3) 阀芯的变形主要发生在靠近回油区域，受温度影响的阀芯卡滞将在此区域产生，在设计阀芯时可适当放宽阀芯的尺寸公差；

(4) 随着油液温度的升高，工作腔压力将增大，回油流量将减小。

本研究的结论可为多路阀阀芯的结构设计提供理论支撑，下一步应进一步考虑阀体和阀芯相互影响的流固热耦合研究。