非全周矩形开口滑阀小开口度时流量及液动力特性研究

文章编号：1005 -0329(2016)07 -0014 -04

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f设计计算I!

非全周矩形开口滑阀小开口度时流量及

液动力特性研究

杨科，金晓宏，肖鹏飞，唐文

(武汉科技大学，湖北武汉430081)

摘要：电液伺服阀作为液压控制系统的核心元件，其性能的好坏直接关系到控制系统的特性。采用计算流体动力学 软件Fluent中动网格技术,对伺服阀滑阀阀口在0. 5m m开度内的流动状态进行静、动态仿真，研究其流量与液动力特 性。从计算结果可以看出，阀口流量特性仿真曲线与理论曲线在趋势上基本相同。阀芯所受稳态液动力仿真值与理论 值增长趋势基本相同。仿真时，阀口开度按给定速度连续增大，阀口打开瞬时,瞬态液动力变化大；阀口打开后,瞬态液 动力变化不大,且瞬态液动力数值较稳态液动力小得多。

关键词：非全周矩形开口滑阀;小开口度;动网格;流量特性;液动力

中图分类号：TH137 文献标志码： A doi： 10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2016.07.004 Research on the Characteristics of the Flow Rate and Flow Force Through a Small Opening at the Spool Valve with Non-full Perimeter Rectangular Shaped Opening

YANG Ke,JIN Xiao-hong,XIAO Peng-fei,TANG Wen

(Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081 ,China)

Abstract：Electronic-hydraulic servo valve is a key component of hydraulic control system,and the characteristic of the control system is determined by the performance of the servo valve. The dynamic mesh of Fluent,software of CFD,is employed to calculate the flow of the opening of spool valve of the servo valve in the steady state and dynamic state in the range of 0. 5mm opening in or­der to get the flow characteristic and flow force. The results show that the theoretical curve and simulation curve of flow character­istic of spool valve are almost the same. The theoretical curve and simulation curve of steady-state flow force of spool valve have no difference in the shape. With the condition of the continuous increase of opening of spool valve at a given speed in the simulation, the transient-state flow force increases greatly at the moment when the valve just open and it has a little change at the left time. The transient-state flow force is much smaller than steady-state flow force.

Key words ：spool valve with non-full perimeter rectangular shaped opening ； small opening ； dynamic mesh ； flow characteristic ；flow force

i前言

近年来，越来越多的国内外学者采用计算流 体动力学（CFD)方法分析液压阀内部流体的速度 分布、压力变化、能量损失以及阀口的气穴现象…5]，目前研究工作主要集中在2〜5mm这一较大阀口开度的情形[6’7]。在电液控制系统中，伺服阀作为其核心控制元件，其开口度一般较小，阀口开度在〇 ~〇. 5mm且常工作在零位附近，故 进行伺服阀的滑阀在小开口度时内部流场流动的 可视化分析计算，对深入了解伺服阀用滑阀的工 作机理及其结构优化具有重要意义[8]。冀宏等

收稿日期：2015 -07 -15修稿日期：2015-10-12 基金项目：国家自然科学基金项目（51245〇13)

研究了二节矩形节流槽阀口的滑阀流量特性及其 受力情况™ ;赵蕾等利用动网格技术分析了全周 开口滑阀所受液动力及径向不平衡力，该研究开 度范围在〇〜2mm，然而没有展开探讨0〜0.5mm 小开口度范围内的具体细节情况[1(3]0本文借鉴 以上所述关于滑阀流动研究的方法，利用动网格 技术，探讨最大开口度不大于〇.5mm的非全周矩 形开口滑阀在不同开度时的流动参数变动和主阀 芯液动力特性。

2几何模型

本文以力士乐（Rexroth)公司通径为6mm的力反馈两级电液伺服阀作为基本结构，图1所示 为其单阀口结构示意0该阀的阀口为非全周矩形

结构，4个开口周向对称布置。阀口及相关结构 主要尺寸为：阀芯直径D = 5mm，阀颈直径d = 3mm，进出口直径A =仏=3mm，沉割槽直径仏 = 9mm，沉割槽宽度/> = 3mm，阀芯凸肩长度B = 4mm，阀颈长度^ = 9mm，阀口开度％。

图1非全周矩形开口滑阀单节流口结构示意

图2是矩形开口的结构示意，为图1中A的局部放大图，其中丑= 2.4mm，/i =0. 5mm，开口角 度久=30◦，开口宽度W= l.3mm，阀芯半径只= D/2 = 2.5mm，最大开口:\;m = 0.5mme

图2矩形开口结构示意

由文献[11 ]可知，通流面积4可以按2个节 流面A和/12的串联等效计算，其等效公式为：

A= 1/i l/A] + 1/A2)1/2(1)其中

A1 = 〇bRx(2) A2 = dbR2/2 - WH/2 + W(H+ h- R)(3)由于矩形开口滑阀流道几何模型复杂，在网 格划分软件中建模困难，所以采用SolidWorks专 用建模软件对其建模装配，然后在ANSY\DM中抽取流道，如图3所示。

图3流道模型

3网格划分和计算

3.1网格划分

运用ICEM软件对非全周矩形开口滑阀单节 流口流道进行网格划分。因几何体为对称结构，考虑到计算机运行时间和存储容量，计算时取一 半模型进行仿真。由于动态仿真计算时阀芯要做 勻速运动，故将流道分割成图3所示4个区域，分 别对其划分结构网格。阀口尺寸小，为保证计算 的精确性，对阀口附近区域即阀腔流道和沉割槽 流道网格进行加密，进出口流道网格较粗，然后将 各结构网格进行合并。图4为合并后网格划分 图，总网格数量约为71万。

图4网格划分模型

3.2边界条件和计算条件设

置