（机械电子工程专业论文）液压滑阀阀芯缝隙流动流场分析.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i i l l ll ii i i ill l lii i ii if 17 3 9 3 2 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位沦文与资料荇有刁、= 实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：鍪亟鲑日期：兰! 生芏旦乡目 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技人学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技人学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 铆别 1 为f 枷日 武汉科技大学硕士学位论文 第1 摘要 在液压系统中，液压阀的工作性能对整个系统起着至关重要的作用。而影响液压阀工 作性能最普遍的就是阀芯在更换工位时，发生卡紧现象，导致整个工况严重受其影响。导 致液压阀卡紧的原因有很多种情况，本文只对阀芯发生歪斜时的情况进行分析。用在阀芯 上开均压槽的办法来减小卡紧力，并对开矩形槽与三角形槽时的两种情况对比分析。 首先，应用p r o e 根据实际尺寸建立阀芯、阀套之间缝隙的模型。用g a m b i t 软件对 已建好的模型，合理划分出结构化网格，并且设置入口、出口以及相关的边界条件。 其次，用f l u e n t 根据出口、入口的压力条件进行仿真。 最后，分别对壁面以及部分截面的压力云图进行对比分析。从中找出开均压槽、开均 压槽的数量以及开矩形均压槽和三角形均压槽时的差别。在减小卡紧力的同时，对由于开 均压槽的缘故，对各种不同模型的泄漏量进行对比分析。 本文对阀芯歪斜时，在阀芯上开不同均压槽的仿真研究，得到有关卡紧力以及泄漏量 的相关重要数据，对今后缝隙密封以及卡紧的研究有着重要的作用。 关键词：卡紧力；泄漏量；矩形槽；三角形槽 a b s t r a c t t h ew o r kp e 而m i a n c eo fh y d r a u l i cv a l v ep l a y sa v i t a lr o l ei nt h eh y d r a u l i cs y s t e m w h e n t l l er 卵l a c 锄e n to c c u r s ，t h eh y d r a u l i cv a l v es p o o ld a m p s t h ep e r f o r m a n c e o fh y d r 孤1 1 cv a l v e s p 0 0 1d 锄叩sa 侬c t st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m c a u s i n gh y d r a u l i cv a l v ec l a m p s f o rm a n y t e a s o i l s so n l ya n a l y s i so ft h ec i r c u m s t a n c e s w h e nt h es p o o lo c c u r ss k e w o p 锄n g e q u a l i z i n gs l o t si nt h ev a l v e t or e d u c et h ec l a m p i n gf o r c e ，a n dt e l lt h ed i f f e r e n c eo fr e c t a n g u l a r a n dv - s l o t f i r s t ，u s i n gp r o et oe s t a b l i s ht h em o d e l o fg a pb e t w e e nt h es p o o la n dv a l v eb u s h ，b a s e d o nm ea c n l a ls i z e u s i n gg a m b i ts o f t w a r et od i v i d em o d e lt h a th a v eb e e n b u i l ti n t os t m c 佃肾c d g r i d s ，a n ds e tt h ei m p o r t , e x p o r ta n d t h ea s s o c i a t e db o u n d a r yc o n d i t i o n s s e c o n d l y t l l eu s eo ff l u e n tb a s e dt h ep r e s s u r ec o n d i t i o n so f i m p o r ta n de x p o r t t os i m u l a t e f i n a l l v s o m es e c t i o n so ft h ew a l lc l o u dp r e s s u r ew e r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l y t e l lt h e d i f 】衙e i l c e so fo p e ns l o t s ，t h en u m b e ro fo p e np r e s s u r eg r o o v ea n d ，o p e n r e c t a n g u l a ra n dv 。s 0 l t s a tt l l es 锄et i m eo fr e d u c i n gt h ed a m p i n gf o r c e ，t h el e a k a g eo f d i f f e r e n tm o d e l sw e r ec o m p a r e d o nt h es a k eo fo p e n i n gd i f f e r e n te q u a l i z i n gs l o t s t h ed a t ar e l a t e dt ot h ec l a m p i n gf o r c ea n dl e a k a g eo nt h es i m u l a t i o ns t u d yo fo p e n i n g d i f | 衙e i l te q u a l i z i n gs l o t si nt h ev a l v ei nt h i sp a p e ri sv e r yi m p o r t a n tt o t h er e s e a r c ho ft h e c l e a r a n c es e a la n dc l a m p i n gi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c l a m p i n gf o r c e ；l e a k a g e ；r e c t a n g u l a r ；v - s l o t 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t 】：】： 目录i i i 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 液压传动的发展1 1 3 国内外研究状况2 1 4 课题的研究意义和内容3 第二章计算流体力学基本概念4 2 1 计算流体力学引言4 2 2 计算流体力学的基本控制方程4 2 3 计算流体力学模型的离散5 2 4 流场数值计算算法5 第三章创建模型7 3 1p r o e 建立几何模型7 3 2 用g a m b i t 划分网格8 3 3 边界条件和流体参数1 0 3 4 层流、紊流模型的选择1 0 3 5 本章小结1 1 第四章卡紧力分析1 2 4 1 引言1 2 4 2 卡紧力的理论研究1 2 4 3 基于f l u e n t 仿真的卡紧力分析1 6 4 3 1 阀芯无均压槽阀芯歪斜时的卡紧力仿真分析1 8 4 3 2 阀芯上一条均压槽阀芯歪斜时的卡紧力对比分析2 0 4 3 3 阀芯上三条均压槽阀芯歪斜时的卡紧力对比分析2 6 4 3 4 阀芯上五条均压槽阀芯歪斜时的卡紧力对比分析2 9 4 3 5 对比分析矩形槽和三角形槽对卡紧力的影响3 3 4 4 本章小结3 4 第五章泄漏量的分析3 5 5 1 引言j 3 5 5 2 缝隙流动泄漏量的理论研究3 5 5 3 基于f l u e n t 仿真的泄漏量分析3 8 5 3 1 阀芯上无均压槽阀芯同心与歪斜时的泄漏量对比分析3 8 第页武汉科技大学硕士学位论文 5 3 2 阀芯上一条均压槽阀芯同心与歪斜时的泄漏量对比分析4 1 5 3 3 阀芯上三条均压槽阀芯同心与歪斜时的泄漏量对比分析4 7 5 3 4 阀芯上五条均压槽阀芯同心与歪斜时的泄漏量对比分析5 2 5 4 本章小结5 7 第六章总结与展望5 9 6 1 课题总结5 9 6 2 课题展望6 0 参考文献6 1 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的论文6 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 选题背景 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，液压传动与控制技术在各个领域的应用也越来越广泛 【l 】。比如在能够吸引全世界目光的2 0 1 0 年2 月1 2 号温哥华冬奥会开幕式上，就采用了液 压系统来控制点燃火炬的最关键过程。 在控制方面由于计算软件和p l c 技术的迅速发展，已经能够实现各种复杂的控制过 程。随着各方面技术的发展，控制的精度也在不断的提甜引。随着控制精度的提高，液压 系统的可靠性以及运行的效率也日渐成为了学术界普遍关注的焦点p j 。 在液压系统中影响其系统工作可靠性的因素有很多，比如：泄漏问题、油液的污染、 油液油缸在运动过程中的摩擦、液压滑阀的工作可靠性【4 】等。 其中液压滑阀的工作可靠性是影响整个系统工作可靠性的重要因素。因为随着目前各 种工况控制精度的提高，各种高响应的高精度液压伺服也相继诞生。因此保证液压滑阀的 工作可靠性对整个系统有着重要的作用。在影响液压滑阀工作可靠性中，滑阀阀芯在更换 工位时发生卡紧是一个普遍也是严重的问题【5 】。因此对发生卡紧现象的研究是十分有意义 的。 1 2 液压传动的发展 自从十七世纪p a s c a l 静压传递原理的提出、和第一台水压机的诞生，液压传动控制技 术从诞生到现在至少已经有3 0 0 多年的历史了1 6 j 。 虽然液压传动技术在那么多年前就已经开始有了初步的研究，但是人们当时对液压传 动这门技术的使用还很不成熟的【7 1 。直到最近的1 0 0 年，人们才把目光真正转向液压传动。 而且与电子技术结合应用于航空航天，石油勘察，海洋探险等各个领域哺】。 两次世界大战的爆发，是工业技术飞跃的两个重要阶段【9 】。一战结束以后，液压技术 广泛应用，特别是二十世纪初期压力平衡式叶片泵的发明，为液压流体传动技术的发展奠 定了坚实的基础。二战以后欧美各国对液压传动技术相当重视，并且广泛应用于各种机床 上。二十世纪中期同本也开始了对于液压流体技术的研究，并且迅速发展【l 。 相对于其他发达国家，我国在液压传动技术上的发展比较晚。在毛泽东时代，我国与 当时的苏维埃社会主义共和国联盟是友好同盟。当时他们的工业远远比我们国家发达，各 个方面都向他们学习。因此引进苏联技术就成了我们国家液压传动技术的起步。后来又由 于与苏联有了点政治上的摩擦，他们撤走了很多方面的专家学者。不过我们国人并没有因 此而放弃对科学技术的追求和研究。在从欧美引进当时最先进技术的同时，我们国家的液 压专家也开始了真正的自主研发。通过几十年的研究，我国目前在液压传动方面已经取得 了很大的进步。d , n 各种液压元件的设计、生产；大到各种重工方面液压机的生产制造。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 更有像徐工、柳工、中联重科、三一重工等这样专业的液压大型设备的研发生产机构。他 们在起重机、挖掘机、推土机、压路机等方面的研究取得了很大的成就，而且他们的销售 量都在世界前5 0 名。虽然我国目前在液压传动技术方面已经取得了很大的进步，但是与 美国、日本、德国等发达国家还有很大的差距。因此作为当前液压界新兴力量的我们更应 该努力去研究和开发更先进的液压技术。 1 3 国内外研究状况 液压滑阀几乎在每个液压系统中都能找到，因此液压滑阀在液压系统中是最普遍也是 相当重要的元件。阀芯的卡紧是液压滑阀工作中最严重的问题，因为经常发生。液压滑阀 阀芯的卡紧已经引起了液压界高度关注的【l i 】。国内外也有很多学者进行过研究，发现很多 导致卡紧的原因，同时也提出了很多相关的解决措施。 经过国内外液压方面专家学者的研究发现导致液压滑阀卡紧的原因大致有以下几个 方面【1 2 。2 7 】： ( 1 ) 由于在加工阀芯时，可能是由于加工精度的缘故而导致的阀芯倒锥，且在安装 时没有将阀芯与阀套的轴线同心，从而导致当油液从阀芯大端流入时发生卡紧( 从小端流 入时可以自动对中或称顺锥) 。 ( 2 ) 由于加工时出现误差，导致阀芯出现双锥( 阀芯两端直径比中间部分的直径小) ， 导致阀芯上所受径向力不均匀而发生卡紧现象。 ( 3 ) 还有就是由于安装没有固定死或者其他原因导致阀芯轴线与阀套轴线不平行， 出现偏心或者歪斜现象，从而导致径向力指向一侧发生卡紧现象。 ( 4 ) 还有可能在加工过程中在阀芯凸肩上留有凸块或者毛刺，从而导致阀芯在阀套 中出现配合上的摩擦从而导致所谓机械卡紧。即使没有出现机械卡紧也会由于凸块、毛刺 的原因导致阀芯上的径向力分布不均匀，从而导致卡紧。 ( 5 ) 在安装过程中将一些固体小颗粒，比如：铁屑、砂子等进入空隙中而没有及时 清理，而导致在液压阀运行时，固体小颗粒进入阀芯阀套之间的缝隙而导致卡紧。 ( 6 ) 液压油由于使用时间比较长，导致里面的污染物比较多，再加上过滤器没有完 全过滤过滤细小的污染物，那么这些细小颗粒就极有可能早缝隙两端压差的作用下，流入 缝隙造成卡紧。 ( 7 ) 还有很多在安装操作上的事故也会导致阀芯卡紧。 针对以上有可能导致阀芯卡紧的种种原因，经过多年的研究总结也发现了很多有效的 解决措施【1 2 2 7 】： ( 1 ) 严把质量关：在加工阀芯、阀套时，要严格控制加工精度，不能出现较大误差， 更不能有细小毛刺或者凸块。 ( 2 ) 在安装前用相关高压设备清理阀芯、阀套，以免留有固体细小污染物。 ( 3 ) 在精度允许的情况下，将阀芯凸肩，打磨加工成顺锥。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 ( 4 ) 要经常检查、更换过滤器，以保证整个系统的液压油不被污染。 ( 5 ) 一些手动换向阀由于阀芯比较长，如果发现有严重卡紧现象，应检查阀芯是否 会因为铸造时的残余应力而导致弯曲。 ( 6 ) 在阀芯上开设均压槽。 1 4 课题的研究意义和内容 本课题针对目前对阀芯上开均压槽减小因阀芯歪斜而卡紧的方法，用有限体积法以及 计算流体力学的相关软件，对其进行稳态模拟仿真。通过不同模型之间的仿真数据进行对 比，分别从卡紧力和泄漏量两个角度来分析，比较矩形槽与三角槽的优劣。 本课题主要做的内容有： ( 1 ) 对实际滑阀的阀芯、阀套尺寸进行测量，最后总结归类优化出最能代表大多数 阀芯的尺寸。在图纸上先设计好各种将要分析的模型，并且根据实际情况合理设立均压槽 的具体分布。 ( 2 ) 用p r o e 三维立体画图工具，将各个将要分析的模型创建好。 ( 3 ) 将画好的三维立体模型，进行合理的网格划分。本文所选用的网格划分工具是 g a m b i t 。将模型导入g a m b i t 中，进行结构化网格的划分，并对网格的疏密分布作好合 理的设计。对入口、出口以及其他边界条件设置好相关的约束。 ( 4 ) 用f l u e n t 对已经分割好网格的模型进行仿真。 ( 5 ) 通过f l u e n t 对模型仿真后得到的相关压力图片和数据，在其中选取部分有效 的数据和图片，对阀芯发生歪斜时的卡紧力大小进行分析。并且对比分析矩形槽与三角形 槽不同模型，从而得到有关不同模型卡紧力的数据。 ( 6 ) 通过f l u e n t 对模型仿真后得到的相关速度图片和出口质量损失数据，对不同 模型下的泄漏量进行分析，并且对比其他相关模型从中分析出有关泄漏量的数据。 ( 7 ) 通过对卡紧力以及泄漏量的研究后得到的相关数据，总结出解决阀芯歪斜时减 小卡紧力的相对比较合理的均压槽设计。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 计算流体力学引言 第二章计算流体力学基本概念 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc f d ) 是流体力学的一个分支，它通过计 算机模拟获得某种流体在特定条件下的相关信息，实现了用计算机替代试验装置完成“计 算试验 ，为工程技术人员提供了实际工况模拟仿真的操作平台【2 8 2 9 】。 计算流体力学具有强大的数值计算和仿真模拟能力。它能够将各种复杂的情况通过各 种相关参数和约束条件的设置，使其达到真实的效果。用相关偏微分方程建立起整个模型 的数学模型，然后将其离散，最后用相关数值计算方法进行求解。拥有了如此强大的功能， 当然它的应用也相当广泛。特别是在热动力学，流体机械，石油天然气等方面都得到了广 泛的应用【3 0 1 。 2 2 计算流体力学的基本控制方程 计算流体力学的基本控制方程是根据液体流动时所必须遵循的物理定律而创建的。这 些定律主要包括质量守恒、动量守恒、能量守恒等【2 9 】。在具体求解过程中，还要考虑其他 因素比如：流体不同的流态。 ( 1 ) 质量守恒方程 在计算流体力学里的质量守恒方程即：在流场中，流体从一个封闭的控制体的一个面 流入，从控制体的另一个面流出，那么流体在出口、入口的质量差就是封闭控制体内的质 量变化。 昙舭d x d y d z + f f 了p v 咒d a = 0 ( 2 1 ) v y彳 式中：y 表示控制体：a 表示控制体表面。等式左边第一项表示控制体v 内部质量的增量； 第二项表示通过控制体表面流入控制体的净通量【2 9 1 。 ( 2 ) 动量守恒方程 在一个给定的流体系统中，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力的总和。 要用数学表达式的方式表示的话，就是所谓的动量守恒方程。其微分形式如下： 魄i 蔓玉魄百 丝砂监砂丝砂 魄i 峨百饥百 r p 窿 吒 呒 以 暇 以 | | = = 如一出咖一出挑一出 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 式中：吒、名、疋分别是单位质量流体上的质量力在三个方向上的分量；如是流体内 应5 0 张量的分量【2 9 1 。 ( 3 ) 能量守恒方程 将热力学相关定理应用于流体运动，就可得到能量守恒方程【2 】： 昙( 肛) + 毒 “肛+ p ) 2 毒【- 筹一等勺，+ “勺) j + 瓯 c 2 式中：e = j i l 一号+ 等；为热传导系数，= 后+ 乞，毛为紊流热传导系数口9 1 。 2 3 计算流体力学模型的离散 由前面的基本控制方程可以知道，计算流体力学的模型是一系列偏微分方程组组成 的。如果直接求解这些复杂的偏微分方程得到相关解析解是相当困难的。用数值方法求解 是最普遍的方法。数值方法求解基本控制模型的理念是：把原来在空间、时间场，用有限 个离散点上的值的集合来替代，通过一定的约束条件建立起这些离散点上变量值之间关系 的代数方程，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解【2 9 1 。 在计算流体力学中主要有有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法【2 9 1 。其中 最常用的是有限体积法。本文仿真所采用的软件f l u e n t 也是采用有限体积法进行模型离 散的。 有限体积法就是一种分块近似的算法，将要计算的区域分成有限个控制体，然后用节 点来代表控制体。然后通过质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程对各个控制体积 分最后推出离散方程的求解过程。 2 4 流场数值计算算法 流场计算的大致过程就是在空间上用数值求解法比如：有限体积法，将计算区域离散 成各个小的控制体，在每个控制体上对离散后的控制方程组进行求解【2 1 。根据具体的实际 情况又扩展成了具体的计算方法，如图2 1 所示。 流场数值解法 分离解法 非原始变量法 冀差二鎏震篓法 f 压力修正法 原始变量法 解压力泊松方程法 【认为压缩法 lf 所有变量全场联立求解 i 耦合解法 部分变量全场联立求解 il 局部地区所有变量联立求解 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 本文选用的数值计算方法是s i m p l e 算法，意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法 其主要求解理念是：“假设一修正 的过程，由最初假设的值开始迭代，然后检查是否收 敛；如果不收敛，用修正后的值作为给定值，继续迭代；如此反复迭代直到解收敛为止【2 9 1 。 具体的计算步骤如下： 团 “ v ，唆吣，) l 堡亟二仝匿垄扬! 酆给窒里塑猹型画 p 步骤1 ：求解动量离散方程 aj，磁j=qnblebaj + ( 露u 一) + 岛 。p l 。j 。 p t i 、。j p l j j 、+ b i 。j q 。，k ，= 吃+ ( p 0 一一反，) + 岛。， 步骤2 ：根据速度，求解压力修正方程 n l j p ：j = a l “j p ：“。+ n i j p ：_ j + n l j “p ：j “+ n f j p ：j d + b ：j p ，u ，v ，矿 步骤石翮黼其他的离敬化输运方程一t 视需要进行 研，j 力= 口，+ l 办+ l + a i - 1 j 力一i + a i + l 谚，“+ 口，一l 力一l + 彰一， 否。碴嘉 是 窀 图2 2s i m p l e 算法步骤图 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第三章创建模型 3 1p r o e 建立几何模型 p r o e n g i n e e r 是p t c ( p a r a m e t e r st e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，参数科技公司) 推出的三 维c a d c a m c a e 集成工程设计软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、 航空航天、家电和塑料玩具等行业，是一个全方位的3 d 产品开发软件。它集零件设计、 产品装配、模具开发、n c 加工、钣金设计、铸造设计、造型设计、逆向工程、自动测量、 机构模拟、压力分板和产品资料管理等多项功能于一体【3 。 由于阀芯阀套同心且没有发生歪斜情况下不管是否在阀芯上开均压槽在理论情况下 是不肯能产生卡紧力的，所以本文研究卡紧力只在阀芯发生歪斜时的。要研究在阀芯上没 有开均压槽以及在阀芯上开均压槽以后对卡紧力的影响：同时还要研究均压槽的数量对卡 紧力的影响，以及矩形槽和三角形槽时的不同影响。所以总共要建的模型有很多。分析卡 紧力时的模型有：阀芯上没有开均压槽、阀芯上开一条矩形槽、开一条三角形槽、开三条 矩形槽、开三条三角形槽、开五条矩形槽、开五条三角形槽的情况。 在研究完卡紧力以后，我们还应研究在阀芯上增开均压槽以后对泄漏问题产生的影 响。要分析的模型不仅仅是研究卡紧力时阀芯发生歪斜时7 个模型，同时还要研究阀芯在 同心且没有发生歪斜时不同情况下的泄漏量，然后对各种模型下的泄漏情况进行相应的对 比分析，因此对泄漏量的研究中要进行分析的模型总共有1 4 个。 相关模型具体尺寸数据如下图所示。 图3 1 分别为三角形、矩形均压槽的二维剖视放大图( 毫米r a m ) , v a y 图3 2 分别为阀芯在阀套中同心、歪斜的两种状态图( 设定歪斜角为0 0 3 度) 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 s i2 ， l 一 i ， 图3 3 均压槽在x 轴向的具体分布图( 毫米r a m ) 3 2 用g a m b i t 划分网格 葡丽圃 硇固圃 图3 4 各种模型的三维立体截图 g a m b i t 是一种功能十分强大的划分网格的工具，计算流体力学专用的前处理器。它 具有强大的二维、三维作图能力，你可以在里面按照相关操作步骤画出将你所要分析模型 的几何图形。然后按照模型分析的需要有计划有目的的划分网格。你也可以通过某些专门 的画图软件，将模型的几何图作出来，然后将其转化为g a m b i t 所能识别的格式导入 g a m b i t 中再进行网格的划分。本文就是采用了不在g a m b i t 里面画图，而是选择了第 二种由其他软件画好后导入的方式。因为本文所要分析的模型间隙比较小，而且还有歪斜 情况，所以整个模型比较复杂。这样用专门的画图工具，操作起来比较方便，毕竟g a m b i t 的主要功能的划分网格而不是制作几何模型图【3 0 】。 将用p r o e 画好的三维立体模型图转成为s t p 格式，然后直接导入g a m b i t 中进行网 格划分。在g a m b i t 中划分网格的方法一般由结构化与非结构化两种方法。一般用非结构 化方法划分网格的比较多，因为这样比较方便，但是用非结构化方法划分的时候，一般系 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 统会以模型中最小的尺寸作为网格划分的单元依据进行网格划分。由于所建的模型部分尺 寸差异很大，缝隙厚度与均压槽的深度在尺寸上相差很大。这样用非结构化方法画出来的 网格数就相当大了，至少有一百多万个网格，那么节点数就更不用说了。这样计算量会增 大不知道多少倍，一般的计算机根本不可能承受。而且用非结构化的方法划分出来的网格 分布也不一定会很合理，最后用f l u e n t 仿真出来的结果也不一定正确。因此针对本文所 建立的模型我们只能用结构化划分网格的方法来划分网格。 首先将已经建好的模型导入到g a m b i t 中来。由于本文所建的模型都关于( x ，y z = o ) 平面对称。因此在( x ，m z = o ) 平面上做一个平面，然后用这个平面将原本建好的模型分成 完全对称的两个模型。由于两个模型关于平面( x ，y ；z = o ) 完全对称，所以将其半个模型删 掉，再对另外半个模型进行网格划分。最后只要将( x ，y z = o ) 平面上的上下两个对称面， 在设置边界条件时，将这两个上下对称面设置成s y m m e t r y ，这样当模型导入f l u e n t 以 后只要在g r i d 中点击v i e w s 选项中就可以将整个模型的网格显示出来。 先在用( x ，y z = 0 ) 平面截出的一个对称面( 上对称面或下对称面) 上进行线网格划分： 在阀芯与阀套的间隙上由于本来就比较薄，尺寸较小( 1 5 u m ) 但是这是分析的重点部分， 因此在这个方向上划成分四段，或者说分成四层，在x 方向由于尺寸相对比较长因此把它 分成一百等份，然后再在这个面上生成面网( 4 x1 0 0 = 4 0 0 ) ，然后在半段圆弧方向上划分 两百等份，最后用c o o p e r 模式生成体网格。由此可知薄壁缝隙的总体网格就有八万个六面 体网格( 4 0 0 2 0 0 2 = 8 0 0 0 0 ) 。 图3 5 模型上对称面的网格划分图 由于有很多的模型上开有均压槽，因此要将均压槽从模型中分离出来，在进行网格划 分( 也就是所谓的分块划分体网格方法) 。用和划薄壁相同的方法来划分均压槽的体网格， 只是在网格密度上要小一些，因为均压槽的体积比薄壁缝隙的体积大多了，这样网格的疏 密也j 下好符合实际分析的情况，如图3 5 所示。 将划好的半个模型的体网格进行边界条件的设置，分别由压力入口、压力出口、固壁、 以及对称面。同时还要将模型设为流体模式。最后通过e x p o r t 导出网格就可以了。 下面以阀芯上开一条矩形均压槽的网格划分为例来说明具体的边界条件设置，如图3 6 所示。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 阀 图3 6 阀芯上开一条矩形槽时半个模型的网格划分图 3 3 边界条件和流体参数 由于液压油在阀芯与阀套的缝隙i 司流动，其壁面接触的边界为静止壁面。为了方便研 究，入口、出口的边界条件用压力的形式给定即：入口：p r e s s u r e - i n l e t ，出口：p r e s s u r e - o u t l e t 。 压差设为8 m p a ，p r e s s u r e i n l e t = - io m p a ，p r e s s u r e o u t l e t = 2 m p a 。 考虑到我们平时使用的液压油大多为4 6 4 抗磨压力油，因此为了使仿真的结果与实际 更加接近。我们将流体参数设定为4 6 4 抗磨压力油的性能参数具体进行如下设置： 流体为不可压缩的牛顿流体； 流体的密度为p = 8 7 0 可，； ， 一 动力粘度为1 = 0 0 2 2 5 p a j ； 传导系数七= o 0 2 6 3 8 | j ； 比热为c = 1 0 0 6 力乏k ； 流体在流动过程中为单相流； 阀芯与阀套的接触边界均设为静1 匕壁面，即选择w a l l 。 3 4 层流、紊流模型的选择 流体的流动状态分为层流流动( 1 a m i n a rf l o w ) 和紊流流动( t u r b u l e n tf l o w ) 两种情况 【3 2 1 。从实验的角度来看，层流流动就是流体层与层之间没有任何干扰，它们之间既没有质 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 量的传递也没有动量的传递。相反在紊流流动中层与层之间相互有干扰，而且干扰还会随 着流动而加剧，层与层之间既有质量的传递也有动量的传递。 要判断流体的流动状态是层流还是紊流，主要是根据雷诺数来判断。如果其雷诺数小 于临界雷诺数，那么就可视为层流流动；如果雷诺数大于临界雷诺数，那么就可视为紊流 流动。雷诺数的定义如下： r e = 堕( 3 1 ) 1 ， 式中：y 为截面的平均速度；l 为特征长度；1 ，为流体的运动粘度。 对于异型管道内的流动，特征长度取水力直径“，则雷诺数的表达式为： r e = 堕 ( 3 2 ) 1 ， 异型管道水力直径定义如下： “= 4 鲁 ( 3 3 ) 式中：彳为过流断面的面积；s 为过流断面上流体与固体接触的周长。 则临界流速： 圪= 等 ( 3 4 ) 几种异形管道的临界雷诺数如下： 管道形状临界雷诺数 同心环缝 1 1 0 0 偏心环缝 1 0 0 0 带有均压槽的同心环缝 7 0 0 带有均压槽的偏心环缝 4 0 0 现根据这些异形管道的雷诺数公式计算其临界流速，来判断所选模型的流态的层流还 是紊流。 圪：r e k v - s ：些塑譬 ( 3 5 ) “4a8 7 0 x 0 0 3 x l o 由后面的仿真可知最大流速k 不超过1 07 形，所以通过折算以后可知雷诺数远远小于 表中雷诺数的最低下限值4 0 0 ，所以本文所建立的模型流体都是层流，即仿真时所选模型 都是层流模型。 3 5 本章小结 本章运用了p r 0 e 创建三维立体几何模型，并将其导入g a m b i t 中进行网格划分，并 在里面进行各种边界条件的设置。最终得到f l u e n t 仿真所需的网格模型。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章卡紧力分析 在液压系统中，液压滑阀的工作性能起着非常重要的作用。在液压滑阀工作性能中卡 紧现象是影响其性能的关键因素。轻则会使滑阀更换工位时，动作缓慢，严重影响工作效 率。重则可能导致滑阀阀芯直接卡死，导致换位不能实现，造成系统工作紊乱，有可能导 致管道因压力过大而爆裂造成人员伤亡1 3 3 4 2 1 。 关于液压滑阀卡紧现象的研究，在学术上已经是一个共识性问题了。研究卡紧力产生 的原因，以及采取有效措施预防、减小卡紧力的产生，从技术的角度开展有意义的研究是 很有必要的。 滑阀阀芯卡紧力的产生有很多原因。当阀芯以及阀套在锥度、不同心，以及凸肩在阀 套中存在歪斜等情形时，都会使油液沿径向分布不均，从而产生卡紧力。本文主要研究的 是正圆柱歪斜时的卡紧现象。阀芯上没有锥度，两个圆柱面大小绝对相同，当阀芯没有开 均压槽，以及均压槽的形状，数量不同时对卡紧力大小的影响。 4 2 卡紧力的理论研究 我们先从理论的角度对卡紧力进行研究，然后结合f l u n t 的仿真一起研究。现在我 们以普遍存在的正圆柱歪斜时的液压滑阀阀芯卡紧为例分析阀芯上受到的卡紧力【4 1 1 。 如图所示阀芯的半径为尺。，阀套的半径为r ，阀芯长度为，阀芯左右两端的压力分别 为只，最，且墨 ，设阀芯与水平面的歪斜角为口。在( x - - - - - 0 , y ，z ) 平面内定义一个秒角。 图4 1 阀芯阀套歪斜示意图 由于歪斜角口非常微小，所以为了简化分析模型我们忽略计算对因歪斜而造成在阀芯 两个端面z 方向的压力。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 现在我们先来求阀芯表面任意一点到x 轴的距离，用，- 表示。为了求得歪斜圆柱表面 到工轴的距离，我们先来探讨一下，空问中任意一点到一条直线的距离。 y 70 x 如图所示，直线，在( 工，y ，z = 0 ) 平面内，且过原点，与x 轴的夹角为口，设空间任意一 点d 的坐标为( 工，y ，z ) 。现求点d 到直线，的距离。 先将点d 在平面( x , y ，z = 0 ) 作投影即点么，并作垂线a c 使其与直线，相交于点b 。要 由点d 的空间坐标( x ，y ，z ) 可知直线长度。 o d = 归而 ( 4 1 ) 则d e ：o d i s i n p l = i s i n , o i 归而 ( 4 2 ) 在三角形o b d 中，已知o d 的长度，现求、b d 的长度。 卜墨c o s专：二 ( 4 1 43 ) 口寸u 廿2 l j ， io c ：z c o 螂 a b = y - x t a n a ( 4 4 )专 口cn 曰 a - 们 y x = = = f | c 曰c c目a 彳d 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 b d ：, j a b 2 + a d 2 a b ：y 叫狮口一b d ：厄二雨 ( 4 5 ) a d = z 则由余弦定理就可求得角度大小： = a r c c o s o d 忑2 + 面o b 历z - 了b d 2 r o b = ! c o s 口 o d = 扛丽 ，舟，。，+ 去+ 2 x ，y t a n x 2t a n 2 口( 4 6 ) r + _ + 口一r口 ，、 _ 肛一o s 凳丙再一丙 c o s 口。 b d = ( y - x t a n o t ) 2 + z z 由上述可求得点d 到直线，的距离d e = o d i s i n i = i s i n f l = f 丽。 d e = i 咖纠归而 i s s n f l - - 轴线 ，硝蜉+ ，一+ 锄2 口+ 一1 一一一_ 一盯矿 y 锄口一， yc 0 - s - 2 口- - + 嘲口c 4 x 2 z 口22 x 娜4 t m 1 口2 t zc 髑口。t a n 2 a - x 4 t m a - 4 x 3 。4 x 3 y t a 口n a ( 去q 聋+ 矿+ ( 4 7 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 y y = r c 0 $ 目 力 目厂l 7 ： z + 0 z = rs i 。n 曰 图4 3 圆柱体表面在( x ：0 ，y ，z ) 平面解析图 在( 工= f ，y ，z ) 平面内，阀芯圆柱表面到x 轴的距离设为，那么 f y = r c o s o 【z = r s i n o 则 墨2 = 三+ r 2 耐椤+ r 2 s i n 2 口+ 工2t a n 2 口c o s 2 口t a n 2 口工2c o s 2 口x 2 2 一1 6 ，2 cos2秒tail2口cos2口一x2 t a n 4t r c o s 2a 耵2c o s 29 t a i l 口c o s 2 口一耵c 0 s 秒t 锄口 4 只要求解上面的一元二次方程便可求得阀芯圆柱表面一点到x 轴的距离，。 l 2(1-16cos28tan2a,cos2g-xcos26tan口cos2a) c o s 2 # t a n 2 a - 4 ( 1 - 1 6 c o s 2 0 t a n 2 g c o s 2 t ；t - - x c o s 2t a n g c o s 2 口) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) 由互1 本儿1 j 明知识口j 知当0 = 0 或万町，r 出土见具最大利最，j 、值，他1 i f j 分别为： r 一= s i n ( 口趾孕) 厅1 2 1 2 r 曲= s i n c a r c t a n 2 - - - ! ) 扛2 + - - 写 因此，【r 雌】。 由于本文假设阀芯的歪斜正好关于( x ，y ，z = 0 ) 平面对称，因此我们只需要计算目由 f 0 一万1 这部分的压力。 皤 巫堂 去等 生 生2半 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 那么产生的卡紧力为，= 2 j c r 丘，p c 。s o d x d o 2 其中，为阀芯上一点到工轴的距离，尸为该点的压强，p r d x d o 为那一点上所受到的 压力，e o s o 即：将所受的力投影到y 轴这个方向上。 由理论研究的卡紧力计算公式我们可以知道： ( 1 ) 歪斜角口越大，那么卡紧力越大。 ( 2 ) i c o s o i 越大的区域附近，所受的径向力越大。 由于在本文的研究中，歪斜角口假设为o 0 3 度，因此我们只要分析当0 = 0 和0 = 1 1 两 个面( 也就是在划分网格章节中多提到的上下对称面) 上的径向力就可以判断各个模型之 间卡紧力的大小了。 4 3 基于f l u e n t 仿真的卡紧力分析 本文所采用的计算流体力学软件包是f l u e n t , 其求解过程如图4 4 所示。 p d f 程 序 二维或 边界网格 三维网格 f l u e n t i 网格的输入与调整 i 物理模型 边界条件 l 流体物性确定 l 计算 、结果后处理 网格 边 界 和 或 体 网 格 图4 4f l u e n t 程序结构图 由于在理论情况下，阀芯与阀套绝对同心且无任何歪斜的时候，是不存在径向力分布 不均匀的问题，所以在理论情况下也就不存在卡紧力了。因此本文只是针对歪斜这种情况 进行基于f l u e n t 仿真对卡紧力研究分析。 模型主要参数：阀芯与阀套的间隙为0 0 1 5 m m ，歪斜时的歪斜角为0 0 3 度。 模型由p r o e 建立，然后将其导入f l u e n t 的前处理器g 锄b i t 进行网格划分，最 后用f l u e n t 对画好的网格进行仿真。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 本文f l u e n t 仿真的具体求解步骤如下： 启动f l u e n t 6 2 1 6 ，在v e r s i o n 中选择3 d 模式 f l i e 菜单下用r e a d c a s e 读取将要仿真模型的网格( m e s h ) 在g r i d 中选择c h e c k 命令。这步主要查看模型的坐标系( x ，y ，z ) 的范围是否有出入， 以及整个模型中最大单元、最小单元的体积及面积，其中最关键的是最小体积m i n m u m v o l u m e 是否小于零，要是出现否体积，那么说明网格划分有问题，仿真就不用继续进行 了，必须重新划分网格。 在g r i d 中选择s m o o t h s w a p ，在其对话框中点击s m o o t l l ，单击s w a p ，顺滑、交换 网格直到n u m b e rs w a p p e d 为零为止。 在g r i d 中选择s c a l e 命令，查看f l u e n t 中默认的单位与仿真模型的单位一样。不一