滑阀稳态液动力的算法比较

凌云九天

滑阀稳态液动力的算法比较

摘要：滑阀作为液压系统中的重要元件之一，其主要是根据阀芯在阀体或者阀套内的移动而达到油路的通断来控制液压油路。在实际的工况中滑阀出现的各种问题多数情况下是由于阀芯受力不均所致，所以阀芯受力的分析在滑阀的设计与研究中显得尤为重要。本文主要针对滑阀在工作中所受的稳态液动力进行研究分析，并且对利用计算流体力学和运用动量定理的原理进行理论计算求稳态液动力的两种方法进行了对比，为滑阀设计中的稳态液动力的计算提供理论依据。

关键词：滑阀  稳态液动力 计算方法

   

    一个完整的液压系统包括动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件。液压系统中，控制元件是指各种液压控制阀，通过这些液压控制阀来控制油液的流动方向、压力和流量等，控制元件的性能对整个系统的性能有决定性的影响。液压控制阀通过控制流体的流动进而控制执行元件的动作，流体动力学则是流体在阀内流动的基础。滑阀阀腔中的流体在流动时会对滑阀阀芯产生稳态液动力。因此，研究滑阀受到的稳态液动力可以减弱其不利影响，对提升滑阀的性能和滑阀的设计、开发具有重要意义。

一、 国内外研究现状

1、国内研究现状

    武汉科技大学研究人员对物理模型进行三维建模，在恒压差条件下对阀腔内部流场进行数值模拟分析，主要分析稳态液动力与阀口开度的关系。

    太原理工大学机械电子研究所对出口节流式滑阀的内部流场的压力分布和轴向稳态液动力进行了研究。

    浙江大学流体传动及控制国家重点实验室对非全周开口滑阀所受到的稳态液动力进行了研究。

    陕西动力机械设计研究所对火箭发动机流量调节器中的滑阀受到的稳态液动力进行了研究。

    天津理工大学机械工程学院利用 FLUENT 软件对滑阀液动力和滑阀结构进行了分析，并采用动量定理的原理进行了理论计算验证。

2、 国外研究现状

  Roger Yang 利用 CFD 软件对液压阀内的流场进行了模拟。主要是对滑阀内部流场的

模拟和稳态液动力计算。

  Priyatosh Barman 对三维的滑阀模型进行了仿真研究，指出滑阀在大流量且压差很大时，滑阀内部的流动区域可能形成汽化，当气泡破裂时对阀体和阀芯表面形成气蚀。

   加拿大萨斯卡其旺大学研究人员对台阶上带边檐的分流阀阀芯所受到的液动力进行了分析和计算。

二、稳态液动力主要计算方法

    传统教科书以及一些用理论法求解稳态液动力的论文说采用积分方法求解稳态液动力是非常困难的，现在利用计算流体力学数值模拟可以方便地求出作用在阀芯台肩壁面上的压力分布，并对压力进行积分，进而方便地求出作用在各个台肩壁面上的作用力，求出这些力的合力即可以求出流体对阀芯的稳态液动力。

1、利用动量定律的原理

a）液流经环形通道从阀口流出                                             b）液流经阀口流入环形通道

                                                    图 滑阀的稳态液动力

图中，取进出口之间的阀芯与阀体孔所构成的环形通道为控制体。对于某一固定的阀口开度x而言，根据动量定理，控制体对阀芯轴线方向的稳态液动力Fs的计算公式为

              

式中ρ——油液密度；q——流经阀口的流量；α——阀口射流角，一般为α=69˚；

     W——阀口面积梯度；

     Δp——阀口前后压力差；K——液动力系数，。     

2、 利用计算流体力学求稳态液动力

计算流体力学主要是对流体流动进行数值模拟分析。数值模拟就是借助 CFD 软件模拟一个物理实验，得到所要求的各个物理量的分布关系，并用图像显示给出模拟结果。主要包括以下几个步骤：

⑴建立力学模型

     通过流动分析，采用合理的假设与简化，建立力学模型。假设与简化：连续介质与非连续介质；理想流体与粘性流体；不可压缩流体与可压缩流体；定常流动与非定常流动。

⑵建立所要模拟的流体流动的数学模型

     根据力学模型，建立描述力学模型的数学方程组，并利用无量纲化、量阶分析、引进新的物理参数、经验或半经验公式等方法对基本方程进行简化，得到相应流动的求解方程组，这个模型要能够反映其流体流动的本质，建立能反映各个物理量之间关系的微分方程和相应定值解条件。

⑶确定计算方法

     模型建立以后要确定计算方法，包括对模型的离散化方法和求解方法，还包括模型计算网格的划分与边界条件的确定。

⑷编制程序和进行求解计算

     确定了计算环境与计算方法之后，整个工作的主体就是编制程序和进行求解计算。当求解的问题比较复杂，去求解非线性的 N-S 方程，还需要通过实验加以验证。

⑸计算工作完成后，要对流体流动的流场进行图像显示。

    由于研究问题的不断深入复杂，计算结果也十分复杂。只有把计算的结果以各种各样的图像和曲线形式输出才能有效判断结果的正确性，进而得出结论和获取需要的数据。随着计算机图像显示系统和相应软件的发展，流场数值模拟的图像显示在快速及时、三维扫描、形象逼真等方面发展迅速。通过利用录放设备存储、显示动态过程，数值模拟可以充分发挥数值试验的作用。

3、 两种方法的比较

    理论法计算的稳态液动力与阀口开度的关系曲线是一条直线。运用动量定理求稳态液动力的公式中各个系数是通过实验求得的，是一个经验数值，计算求得的结果只能大致反映稳态液动力的变化范围。

    仿真求得的稳态液动力是阀芯台肩壁面上的合力，各个台肩壁面上的力是通过对壁面上的压力进行积分求得的，而台肩壁面上的压力分布是根据阀腔的尺寸、边界和初始条件等仿

真计算求得，它们之间的关系并不是线性的，所以仿真求得的稳态液动力与阀口开度的变

化关系并不是一条直线，而是稳态液动力随阀口开度的增大而逐渐增大并趋于恒定。

   

三、 总结

本文针对液压滑阀阀芯受到的稳态液动力的求解方法并对两种方法进行简单的比较，分别简单阐述了运用动量定理的原理进行理论计算和计算流体力学的方法求出了滑阀在阀口开度处的稳态液动力的方法，再一次说明了理论分析方法所求得的结果具有普遍性，可以明显看出各个参数对分析结果的影响，同时理论分析方法也是对计算流体力学方法所求结果的一个检验。实验方法仍然是流体流动问题研究中所采用的最基本的方法。任何一种流体流动现象的物理量都需要通过实验方法测定，计算流体力学中所采用的基本数学数据也要通过实验方法测定，只有通过对现象的观察与测定才能准确建立计算流体力学分析计算中所采用的数学模型，同时它的分析结果的准确性也要通过实验测试加以验证。

参考文献：

[1]周俊波.FLUENT6.3 流场分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012

[2]房小立.基于CFD有限元法的滑阀稳态液动力的研究（J）.武汉科技大学，2012

[3]高小瑞.出口节流式滑阀阀芯壁面压力分布及稳态轴向液动力的研究.机械管理开发（J）.2008,(1)19-20.

[4]冀宏.非全周开口滑阀稳态液动力研究.机械工程学报（J）.2003,(6)13-17.

[5]段少帅.滑阀稳态液动力产生原因与补偿方法.流体传动与控制（J）.2010，（5）27-30.

[6]赵双龙.滑阀稳态液动力的计算和分析.火箭推进（J）.2006,(3)18-23.

[7]Roger Yang Ph.D，CFD Simulation of Oil Flow and FlowInduced Forces Inside Hydraulic Valves,National Fluid Power Association andSociety of Automotive Engineers,2002,201-207.

学院：能源与动力工程

专业：机械电子工程

姓名：薛 飞

学号：122080202005