基于fluent的滑阀液动力研究

基于fluent 的滑阀液动力研究及结构分析

刘杰

天津理工大学机械工程学院

摘要：液动力是设计、分析液压控制阀及液压系统考虑的重要因素之一。文中采用理论推导与CFD 结合的方

法，利用流体分析软件FLUENT 进行不同开口度下的仿真实验，仿真研究了不同开口度以及不同边界条件的滑阀阀内的流场，分析了出口节流滑阀阀芯所受的最大液动力，并提出了优化方法。所进行的研究工作对于系统建模分析和滑液动力的补偿研究提供了依据。 关键词：FLUENT 最大液动力 优化设计

The Research of Flow Force of Sliding Valve and Structural Analysis Based on FLUENT

液压滑阀是流体传动与控制技术中非常重要的基础元件, 其作用是控制流体的流量及流动方向，对滑阀的受力和工作过程进行深入的研究就显得十分必要。液压滑阀依靠圆柱形阀芯在阀体或阀套的密封面上作轴向移动而打开或关闭阀口，从而控制流体流向，常用于液压装置中，使运动机构获得预定方向和行程的动作或者实现自动连续运转。它的特性为易于实现径向力的平衡，因而换向时所需的操作力小，易于实现多通路控制；

工作可靠；制作简单。液动力的计算在液压阀的受力分析中最为关键。进行

液压阀的设计、分析和试验时，必须对其工作过程中的力学特性有透彻的了

解，其中最基本的就是对阀芯受力(液压力、弹簧力、稳态瞬态液动力、摩擦力、惯性力等)的定性分析和定量计算。在液压阀阀芯受到的所有力中，最难准确计算的就是液动力。液动力是影响液压阀性能的关键因素之一, 不仅决定换向阻力也影响阀的精确控制。液动力对液压系统的性能影响很大，它不仅是设计控制阀所必须考虑的重要因素，而且其方程还是分析液压系统特性的基本方程之一。尤其是在设计、分析和试验大流量液压控制阀时由于其阀芯液动力很大，液动力对阀及整个液压系统的性能影响更大。对阀芯液动力的准确计算和有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统操作舒适性、可靠性、安全性及节能的关键环节之一。

作用在液压滑阀上的压力、弹簧力等都是可控的、可预知的，而液动力则随阀的开口的大小、通过流量的大小等变化。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力，所谓的稳态液动力是指滑阀开口一定（稳定流动）时，由于流经阀腔和阀口的液流截面积及方向的改变（如图1-1）而引起的液流速度的改变，导致液流动量的变化而产生的液动力。稳态液动力又可称为动反力，它可分解为轴向分力和侧向分力。由于一般将阀体的油腔对称的设置在阀芯的周围，因此沿阀芯周围的侧向分力相互抵消了。当流量较大时，稳态液动力会较大，对伺服阀和比例阀的操控有较大的影响，会出现液动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况，因此，减小工作时换向阀的最大稳态液动力一直是国内外液压工作者关注的问题。

1. 阀芯所受最大液动力的理论推导

图1-2为液压系统示意图，首先阐述一下滑阀的工作原理：滑阀在工作时，阀芯由闭合逐渐开启过程中，由于溢流阀的调定压力的作用会出现两个工况——恒压过程、恒流过程。恒压工况的特点：系统压强不变，通过溢流阀的流量随开口的增大而增大。恒流工况的特点：通过溢流阀溢流的流量增大，系统的压强随着开口的增大而逐渐减小。在这个过程中，最大液动力出现的位置是在恒压工况与恒流工况转换的时候。

图1-2液压系统示意图

图1-1滑阀结构示意图

1.1恒压过程

在图1-2中，阀芯由闭合到逐渐开启过程中，当滑阀开口很小时，泵排出的部分液体通过溢流阀溢出，系统近似为一个恒压系统，通过滑阀开口的流量Q随着开口x而改变。阀芯受到的稳态液动力F s的通用表达式及为

F s=−ρqv2cosθ（1）

其中v2为流出阀口的速度, ρ为流体的密度，q为通过圆柱滑阀阀口的流量，θ为液流角负号表示稳态液动力的方向与v2cosθ相反。

v2=C v √2

ρ

∆p （2）

其中C v为速度系数，一般C v=0.95～0.98；∆p为流通过圆柱滑阀阀口的压力损失。

q=C q W C v√2

ρ

∆p （3） W为滑阀开口周长，又称过流面积梯度 对于理想滑阀W=πd， 为滑阀的开度、 为阀芯直径。所以上式又可写成

F s −（ C q C v Wcosθ） ∆p （ ）

考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数 C q可取为常数，且令液动力系数 = C q C v Wcosθ 常数，则上式又可写为

F s=− ∆p （ ）

当压差∆p一定时，由上式可知，稳态液动力与阀口开度 成正比。所以由

闭合到开启的初始阶段阀芯所受到得液动力是线性增加的，

1.2恒流过程

当阀口开大到一定程度后泵排出的液体不再通过溢流阀溢出，系统成为一

个恒流量系统，即通过滑阀开口的流量基本上保持不变，但流速随开口增大

而减小。液动力可写作

F s=−ρqv2cosθ=−ρq2

q

v2cosθ（6）将式○2、○3代入○6得：

F s=−ρq2cosθ

C v√2

ρ

∆p

C q C v Wx√2

ρ

∆p

=− ρq2cosθ

C q Wx

（7）

同样：考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数 C q可取为常数，令液动力系数 =ρcosθ

C q W

=常数，

则上式又可写成

F s= − q2

x

○8

当流量q一定时，由上式可知稳态液动力与阀口开度x成反比。表明当系统的压力到调定值时液动力与开

口度x成反比如图综上所述可知，阀芯在开启过程中液动力先随着开口的增大而线性增加，当系统压力

达到调定值时，液动力与开口度成反比的减小，可以得出图1-3曲线。

2.基于FLUENT的阀芯所受最大液动力的确定

Fluent是用于CFD（Computational Fluid Dynamics)研究的应用软件,可模拟和分析复杂几何区域内的流体

流动与传热现象。本文分析流体经过阀口时的压力场和速度场，通过进口流量计算出进出口压差。已知额

定流量为100L/min、溢流阀的调定压力为20MPa。基于FLUENT的滑阀的数值模拟实验步骤如下。

（1）首先使用三维建模软件PRO/E建立流道模型，如图2-1流道模型所示，此模型为半剖图，使读者能

够看清其内部流道情况，如图中的进出口。然后使用专业流体模型划分网格软件ICEM CFD进行网格的划分，

图1-3 稳态液动力随开口的变化