插裝式回油單向閥流道振蕩分析

在液壓庫的引導(dǎo)系統(tǒng)中，通常在返回油路和油藏之間設(shè)置單向油單向閥，如yzc10系列鏈?zhǔn)秸駝訅郝窓C(jī)的液壓路機(jī)、yw100挖掘機(jī)的液壓機(jī)以及ty20挖掘機(jī)的液壓機(jī)。當(dāng)回油流量較大時，回油單向閥通常采用安裝式結(jié)構(gòu)。以保持一定的回油壓力,減小啟動時液壓沖擊,提高系統(tǒng)執(zhí)行元件工作的平穩(wěn)性。油液在插裝式單向閥內(nèi)部流道中的流動狀況非常復(fù)雜,閥內(nèi)流道流場的速度分布、壓力分布對閥的性能產(chǎn)生較大影響,如果插裝式單向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng),回油流量較大時容易出現(xiàn)閥芯振蕩,從而導(dǎo)致系統(tǒng)回油壓力振蕩、影響系統(tǒng)工作可靠性、破壞密封等一系列不良后果。根據(jù)插裝式回油單向閥閥芯振蕩的現(xiàn)象,利用Fluent流場仿真軟件并結(jié)合實驗,定性地分析插裝式單向回油閥閥內(nèi)的流場特性,探討發(fā)生插裝式單向閥閥芯振蕩的主要原因以及解決的方法。1閥芯下節(jié)流口設(shè)置插裝式回油單向閥主要由控制蓋板1、閥塊2、閥套3、閥芯4等組成(圖1)。閥塊和控制蓋板設(shè)有控制油通道6至閥芯上部控制腔,在此通道上設(shè)有節(jié)流孔5。穩(wěn)態(tài)時至插裝式單向閥控制腔及控制油通道壓力油無流動,故對流動區(qū)域予以簡化。計算區(qū)域如圖2所示,進(jìn)口管路直徑D1=50mm,長度L1=100mm,閥口開度為h,閥芯直徑D3=55mm,半錐角30°,出口管路直徑50mm,長度L2=300mm。2數(shù)學(xué)模型與邊界條件由于通過插裝式單向閥的流量較大,所以油液在閥內(nèi)是湍流流動,可以采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進(jìn)行求解。2.1流體密度量方程考慮到插裝式單向閥結(jié)構(gòu)的對稱性,將其簡化為軸對稱二維模型,并假設(shè)流體為不可壓縮粘性流體。質(zhì)量方程為:?ui,av?xi=0(1)?ui,av?xi=0(1)動量方程為:?ui,av?t+uj,av?ui,av?xj=-1ρ?p?xi+υ?ui,av2?xj?xj+1ρ?(-pˉu′iu′j)?xj(2)?ui,av?t+uj,av?ui,av?xj=?1ρ?p?xi+υ?ui,av2?xj?xj+1ρ?(?pu′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ)?xj(2)式中:ui,av為平均速度,m/s;u′i為i方向的脈動速度分量,m/s;u′j為j方向的脈動速度分量,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;p為平均壓力,Pa;υ為運(yùn)動粘度,m2/s。2.2utc料標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型采用了Boussinesq渦粘假定:-ρˉu′iu′j=ut(?ui,av?xj+?uj,av?xi)-23ρκδij(3)在高雷諾數(shù)時,湍動粘度ut=ρcuk2ε湍動能κ輸運(yùn)方程為:?(ρk)?t+?(ρkui)?xi=??xi[(u+utσk)?k?xj]+Gk-ρε(4)湍流耗散率ε輸運(yùn)方程:?(ρε)?t+?(ρεui)?xi=??xj[(u+utσε)?ε?xj]+C1εkGk-C2ερε2k(5)湍動能和耗散率生成項公式:Gk=ut(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xj(6)模型中常數(shù)項取值分別為c1ε=1.44,c2ε=1.92,cu=0.09,σk=1.0,σε=1.32.3進(jìn)口速度v仿真計算時進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口,液流沿軸向均勻流入,進(jìn)口速度v=4Q/πD21(單位:m/s);出口邊界條件設(shè)為壓力出口,壓力值為30000Pa(表壓);油液密度ρ=860kg/m3;運(yùn)動粘度υ=4×10-5m2/s。3模擬分析3.1閥口壓差-進(jìn)口流量曲線仿真結(jié)果利用Fluent流場仿真軟件對插裝式單向閥在進(jìn)口流量為20L/min、60L/min、120L/min、180L/min、240L/min、300L/min、360L/min條件下分別進(jìn)行了仿真計算,得到閥口壓差-進(jìn)口流量曲線并與實驗結(jié)果比較,基本吻合(圖3),當(dāng)進(jìn)口流量大于240L/min時偏差增大,在進(jìn)口流量360L/min時,相對誤差增大到6.5%。偏差增大的原因是:(1)實際情況下閥內(nèi)流體的流動并不是簡單的二維流動,而是復(fù)雜的三維流動。進(jìn)口流量增大時,閥內(nèi)流態(tài)遠(yuǎn)比小流量時復(fù)雜,流體在閥腔和流道中的流動存在著更多能量損失,導(dǎo)致壓差的進(jìn)一步增大。(2)標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型本身的局限,還不能完全模擬實際條件的各種復(fù)雜的流態(tài)。3.2流斷面縮小插裝式單向閥進(jìn)口流量為240L/min、閥芯升程3.5mm時仿真得到的速度矢量圖(圖4)可知:(1)在閥口節(jié)流處過流斷面突然縮小,流體高速噴出,壓力急劇降低。閥口噴出的液壓油的大部分以較大的速度沿出口管路底部呈徑向扇形流出。(2)閥出口流道上部形成一個很大的漩渦,占據(jù)了出口流道中的大部分區(qū)域,漩渦的產(chǎn)生主要是因為流體粘性的存在,在流速很高的主流帶動下,流體層與層之間速度梯度很大,相互之間產(chǎn)生很大的剪切力,在剪切力的作用下流道上部區(qū)域的流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)形成了漩渦。3.3不同進(jìn)口流量下的渦流分布插裝式單向閥進(jìn)口流量分別為240L/min、360L/min的流線圖(圖5),圖中清晰地顯示了閥出口流道漩渦的存在,隨著進(jìn)口流量的增大,漩渦尺度變大,由流線的密集程度也可以反映出漩渦的強(qiáng)度也變大。進(jìn)口流量越大,則Re數(shù)越大,粘性力相對慣性力所占比重越小,所以粘性力對流體的約束減弱,渦動的強(qiáng)度越劇烈。漩渦不斷從主流中吸收能量,導(dǎo)致漩渦區(qū)壓力降低。閥進(jìn)口流量為180L/min、240L/min、300L/min、360L/min時沿Y=0.14m的壓力分布如圖6所示,壓力分布呈V形,不同進(jìn)口流量的壓力分布的趨勢趨于一致,最低壓力點(diǎn)接近渦旋中心。隨著進(jìn)口流量的增加,渦旋區(qū)壓力降低的幅度也加大甚至出現(xiàn)負(fù)壓;進(jìn)口流量為240L/min時,漩渦區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)壓。進(jìn)口流量為360L/min時,負(fù)壓區(qū)域擴(kuò)大,最低壓力進(jìn)一步降低。3.4回油壓力振蕩插裝式回油單向閥閥芯控制腔的控制油通道如直接從出口流道引出,由于在大流量時出口流道內(nèi)會形成漩渦出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),當(dāng)壓力低于空氣分離壓時,油液中的空氣析出,極易進(jìn)入控制腔,空氣的粘性系數(shù)極小,節(jié)流孔失去阻尼作用,在進(jìn)口油液的沖擊下,導(dǎo)致閥芯振蕩,閥芯振蕩引起回油壓力振蕩。4控制腔控制油通道回油單向閥出口流道2.大流量下引起回油壓力振蕩是插裝式回油單向閥閥芯控制腔的控制油通道直接從出口流道引出造成的,解決此問題可以采取改變控制腔的控制油通道從插裝式回油單向閥出口流道的另一端引出(圖1虛線所示),因此處油液流速遠(yuǎn)小于出口流道中的流速,工程實踐表明,能夠有效地消除閥芯振蕩和回油壓力振蕩現(xiàn)象,圖3實驗曲線就是在改變控制腔的控制油通道,消除回油壓力振蕩后得到。5插裝式單向閥出口流道特性本文通過建立標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型,對插裝式回油單向閥流場進(jìn)行了仿真研究,分析了回油壓力振蕩的原因,結(jié)論如下:(1)大流量