基于选区激光熔化增材制造技术的液压阀块流道的优化设计

2022-11-01李星瑞王泽荫罗文昊朱杰杰石广田

兰州交通大学学报 2022年5期

李星瑞，王泽荫，罗文昊，朱杰杰，石广田

（1.兰州交通大学，兰州 730070；2.甘肃机电职业技术学院，甘肃天水 741000）

目前，机械领域中广泛使用的液压零件-液压阀块多采用钻、削等传统机械方法加工，即用“减材制造”技术加工出流道.加工成型的直线型流道是减材制造的特性之一.因此，针对不同表面钻削加工方法，加工流道在阀块内部呈一定角度相交，且在交汇处形成锥形工艺容腔.液压油在这类阀块中流动受流道方向变化、流道截面面积变化和锥形工艺容腔的影响，容易引起流线交叉、较大的沿程损失和压力不稳定等问题，严重时导致整个流道系统和液压阀块工作不稳定［1-2］.此外，因这类液压阀块的装配面较多使其加工方法、安装工艺和使用方法较为繁琐.

增材制造技术，即利用激光或高能束扫描金属粉末，熔化后形成金属薄片，再将一系列薄片逐层叠加成三维实体零件的快速成型技术，具有工艺简单、生产周期短和适合加工结构复杂零件的优点［3-9］.根据增材制造的特点，阀块采用增材制造时不仅可以将内部直角相交的流道改为圆弧过渡结构，而且还可以去除流道底部的锥形工艺容腔，为有效解决沿程压力损失较大和流道出口处压力不稳定等问题提供了可能性.另外，利用增材制造液压阀块时，还可以采用中空结构有效减轻阀体重量并提升阀组内部管路的性能［6-7］.然而，现有的研究结果还缺少对增材制造的阀体内流体流动性能和管道引起压力损失原因的分析以及数据支持.针对此问题，本研究借助于对液压油在流道中的受力和流动状态的分析对流道结构进行了优化设计，根据优化方案利用选区激光熔化技术制备了圆弧过渡的流道，并对比测试了两种流道对沿程压力损失，最后分析了实验结果产生差异的原因.

1 基于增材制造液压阀块流道的优化设计

1.1 减材制造阀块工作中的压力损失

在传统液压阀块的设计过程中，优先考虑加工方法的局限性与过程的可实现性.图1（a）为实际液压阀块的立体图，图1（b）为其内部流道的示意图.

图1 实际液压阀块的立体图（a）和内部流道的示意图（b）Fig．1 Sketch of a hydraulic valve block（a）and internal flow channel（b）

在用钻、削等传统减材制造方法加工液压阀块时，为了保证阀块与其它零件的配合和正确安装，常常在管道周围预留工艺孔或螺孔，如图1（a）所示；阀块内部的流道，根据需要设计成不同的形式和结构，如流道方向改变、流道截面面积变化和流道尽头的工艺容腔等，分别在图1（b）中用箭头①～③标明.当流体在流道中流动时，在这些位置处流体的流向、流速和流动形式都会发生较大改变，相应地，将会引起较大的压力损失，这主要包括：弯管引起的压力损失ΔBf、流道截面面积变化引起的压力损失ΔSf、工艺容腔引起的压力损失ΔVf和管道引起的沿程损失Δhf等［10-12］.这些压力损失是引起液压系统工作不稳定的主要原因，在工程领域中应尽量避免或改善.

1.2 流道结构的优化设计

在上述引起压力损失的原因中，流道方向变化、截面面积变化和工艺容腔可以通过优化流道结构而改善；而管道引起的沿程损失压力受流体粘性、管道自身参数（如长度、直径和表面粗糙度）等的影响，很难避免.因此，本研究主要针对前三种压力损失进行分析并给出优化方案.

1）传统加工工艺容腔压力损失ΔVf及直角弯管压力损失ΔBf

传统加工时，图2（a）中所示的工艺容腔和直角弯管总是同时出现，因此将两者一起讨论［13-14］.工艺容腔是加工盲孔时因刀具结构和管道结构的要求而不可避免的工艺余量［15］.通常，工艺容腔的压力损失是引起阀体总压力损失的主要原因［11-12］.去除工艺容腔，直角弯管增加圆弧过渡，依靠现有计算机计算与现场经验，有效减少传统加工的工艺容腔及直角弯管结构的压力损失.借助于选区激光熔化增材制造可制备复杂结构形状零件的特点，对图2（a）中的流道结构优化改进为图2（b）中的过渡结构.

图2 传统加工的工艺容腔及直角弯管结构（a）和改进后的圆弧过渡结构（b）Fig．2 Sketch of processing chamber and right-angle pipe fabricated by traditional mechanical processes（a）and arc transition structure optim ized by advantages of selective laser melting（b）

改进后的圆弧过渡结构，其中R／D≥1，R／D比值与压力损失呈反比.此外，若弯管两侧管径不同，则采用渐缩（或渐扩）过度结构以减少压力损失.如图3所示.

图3 渐变弯管结构图Fig．3 Gradual transition structure sketch of follow channel w ith different section

2）管路截面面积变化引起的压力损失ΔSf

当油液流经如图4所示的结构时，流向从左往右时，压力损失较小；从右往左，压力损失较大，工程应避免出现类似结构，如一定需要类似结构，需进行优化.

图4 变截面流道示意图Fig．4 Sketch of follow channel w ith different diameter along same direction

根据设计要求，针对管路截面积变化采用渐缩（或渐扩）结构（其中α≤12°）或变直径结构可有效减少压力损失，如图5所示.按图5（b）所示的结构设计时，流道可按（d／2）／（D／2）≥0.6设计，该结构也可明显减小沿程阻力.

图5 变截面流道的优化方案Fig．5 Optim ization scheme of follow channel w ith different diameter

3）十字形结构引起的压力损失

图6（a）是“十”字形流道示意图，对流道进行圆角过渡也可减少压力损失，优化后的结构如图6（b）所示.过渡圆角r越大，压力损失越小.

图6 “十”字形流道示意图（a）和优化后的十字形结构流道（b）Fig．6 Sketch of“十”flow channel（a）and optim ized“十”flow channel（b）

4）管壁的粗糙度

以上讨论的均是由结构变化引起的局部阻力的改变，导致局部压力损失.而液压油在阀块的流道内流动过程时，还存在由表面粗糙度引起的沿程压力损失.当流动状态为层流，粗糙度越大，沿程阻力系数越大；当为湍流流动时，粗糙度影响不大.管壁粗糙度是层流状态下沿程阻力损失的主要参数.因此，加工阀体时应尽量保证管道内壁的粗糙度最小.

综合考虑上述方案，可将图1（b）中的流道优化为以弯管和逐渐变化的过渡结构，如图7所示.

图7 选区激光熔化增材制造液压阀块的流道提取图Fig．7 Sketch of internal flow channel in Fig．1（b）optim ized by advantages of selective laser melting addictive m anufacturing

2 液压阀块流道的激光选区熔化制造及结果分析

2.1 选区激光熔化增材制造液压阀块流道的技术路线

根据上述思路和方案，结合选区激光熔化增材制造的特点，可给出优化设计后液压阀块的流道制造技术路线如图8所示.

图8 选区激光熔化增材制造液压阀块流道的优化设计及制造技术路线图Fig．8 Roadmap of optim ization design and manufacturing technology of hydraulic valve block fabricated by selective laser melting addictive manufacturing

2.2 压力损失的对比结果及原因分析

阀体工作时，流道中的液压油可视为不可压缩的粘性流体，则流体通过流道上的截面1和2之间时，其流动状态可用实际流体总流的伯努利方程进

式中，g为重力加速度，9.8 m／s2；α1、α2为动能修正系数，常取 1．0；P1、P2为截面上的压力；v1、v2分别为截面1、2处流体的流速；hw为通过流道截面1与2之间的距离时单位质量流体的平均能量损失，包括前述各类压力损失.

根据公式（1），可以对图9中优化后的流道进行压力损失进行测算.同时，为了简化问题，直接取图中进出口截面面积不同且带有90°弯管的某一流道进行对比即可，图9（a）和（b）分别为钻削方法和选区激光熔化增材制造流道的实物图，其中进口端管径为2.5 cm、出口端管径为1.5 cm，进口端端面和出口端中心高度差为5 cm、进口端中心线与出口端面的水平距离为3 cm.

2.2.1 仿真分析

利用计算流体力学（CFD）对钻削方法和SLM方法制造的流道进行数值分析，可以很好的模拟内部流场情况.考虑到流场在工艺容腔内的产生的湍行求解.流，故采用适用于紊流和层流的RNG k-epsilon模型.对钻削和改进后的流道进行建模，阀块流道优化建模及流场仿真见表1所示.

表1 阀块流道优化建模及流场仿真Tab．1 Valve block flow channel optim ization modeling and flow field simulation

给与相同的边界条件，钻削形成的流场产生较大的涡流，使得出口流速为0.482 366 m／s，但是放样和圆弧过渡都可以很好的避免涡流的产生，通过改变不同的放样和圆弧参数，得到不同的出口流速，如表2和表3所示.

表3 不同过渡半径对应的流速Tab．3 Flow velocity corresponding to different transition radius

由表2、3得到，放样和圆弧过渡都可以很好的改善涡流，流速提升18.8%；但是将放样与圆弧过渡相比较，改变不同的参数对流速影响不大.综合以上数据CFD数值模拟的结果是采用过渡半径40 mm的圆弧过渡较好.

表2 不同放样参数对应的流速Tab．2 Flow rate corresponding to different stakeout parameters

2.2.2 实验验证

依据不同方法制备出进出口截面面积不同的90°弯管实物，如图9所示.图10为测量流速的原理示意图.

图9 不同方法制备的进出口截面面积不同的90°弯管实物图Fig．9 Real right-angle pipe of hydraulic valve block fabricated by different method

图10 测量流速的原理示意图Fig．10 Schematic of testing the fluid velocity

该测量系统由水箱、连接软管和阀块组成.初始时刻，水箱的上表面下降速度v1=0，水头高度为Z，压力P1=1 atm；阀块出口处的水头高度为0，压力P1=1 atm.利用公式（1），可得到阀块出口处水流的速度v2：

由于测试时设定水箱高度Z一定，根据公式（2），能量损失hw越大，则出口处水流的速度v2越小；反之，速度v2越大．水流从出口流出后在重力作用下做自由落体运动，因此，速度v2越大，则图中落点与出口处的水平距离S也越大；或者，水平距离S越大，速度v2越大，则能量损失hw越小.表4为图10中不同方法制备的流道水头高度Z和水平距离S之间的实测值以及出口速度v2的计算值.

表4 水头高度Z和水平距离S的实测值与出口速度计算值之间的对应关系Tab．4 Correspondence between the measured value of the head height Z and the horizontal distance S and the calculated value of the exit velocity

式中，v2增和v2钻分别为选区激光熔化增材制造的流道和钻削流道出口处流体的流速．因此，能量损失的相对减小率δ为：

将表4中的数值代入上式，可得到在水头高度Z为113 cm和72 cm时，选区激光熔化制造的阀块流道中的能量损失相对减小率δ分别为31.8%和25.1%.该结果说明利用选区激光熔化增材制造特

从表4中可看出，在同一水头高度Z作用下，选区激光熔化增材制造流道出口处流体的水平距离均大于钻削流道出口处流体的水平距离.由于测量中将出水口距离地面的高度h为定值（40 cm），结合自由落体运动公式，计算得到出口处水流的流速，见表4.利用伯努利公式（1），可求得两种流道之间的能量损失差Δhw为：点优化成型后的液压阀块流道相对于传统阀块可以大大减少沿程损失，这是因为选区激光熔化制造可以有效避免钻、削等减材制造过程中形成的直角弯管、截面面积变化的管道和锥形工艺容腔，达到了液压流体在管道内平稳流动和减小压力损失的目的.同时，对比该结果还可看出，流速越高，沿程损失越小.另外，结合选区激光熔化增材制造的特点，还可以将液压阀块制造成中空结构，进而达到减轻重量的目的.

2.3 阀块不同流道设计压力损失模拟分析

1）流道内流动的数学模型

流道内流体介质的流动分析可使用标准k-ε湍流模型、不可压缩流体的连续性方程和动量守恒方程（Navier-Stokes方程）来进行描述，但该方程组一般无法求解出数值解，为此可使用有限元方法求解流道内流体介质的流动状态.

不可压缩流体的连续方程为：

式中ρ为密度，t为时间，v为速度．

动量守恒方程（N-S方程）为：

式中v为速度矢量，-▽p为压强梯度、η▽υ2为黏性力张量，ρW为质量力．

k-ε方程为：

式中C1ε、C2ε、σk、σε均为经验性常数，参考值为C1ε=1．44，C2ε=1．92，σk=1．0，σε=1．3，μt为湍流粘度、Cμ为k-ε模型中的经验常数0．09、ε为湍流耗散率、k为湍流动能．

2）有限元模拟及分析

使用Ansys Fluent软件对流动状态进行求解，流体介质选择液压油，并定义速度入口为5.89 mm／s、压力出口为2.0 MPa、动力黏度为5.863 8×10-2kg／（m·s）、湍流强度为6.15%，流量160 L／min，密度 870 kg／m3，工作压力2.0 Mpa，动力黏度5.8×10-2kg／（ms），运动粘度67.4 mm2／s，体积弹性模量（1.4～2.0）×103MPa.

由计算结果可知，π型流道的压力损失为84.9 kPa，U型流道的压力损失仅为61.1 kPa，压力损失比π型流道减少了28%.观察图中的流线和压力云图，流体在直角弯头处流动方向急剧变化，流线出现收缩现象，在直角转弯结构外侧和内侧均形成涡流区域，其中外侧的工艺腔和刀尖容腔中产生了较大的涡流及局部回流，而内侧则产生尺度较小的涡流区.可见π型流道中需要克服工艺腔和刀尖容腔中涡流的冲击和阻抑作用，导致流体的压力损失.

图11 传统流道A和增材制造流道B的压力云图和流线图Fig．11 Pressure cloud diagram and stream line diagram of traditional runner A and additive manufacturing runner B

为了减少液压阀块内流道的压力损失，目前主要的方法是减少工艺冗腔和刀尖容腔，若基于增材制造技术制造液压阀块，则可以完全消除不必要的工艺冗腔和刀尖容腔，故传统流道A模型可直接设计为增材制造流道B模型.增材制造流道内不存在回流区域，仅存在由于流体对弯壁面的冲击转向而形成的小尺度涡流区域，其余区域的流动状态得到改善.

综合来看，利用选区激光熔化技术，对液压阀块流道进行优化设计和制造是一种可以显著改善压力损失和减轻阀块重量的有效方法，值得在工程中推广应用.