基于Fluent多相流液压滑阀阀芯摩擦力仿真分析

!#$年#月第%%卷第#期机床与液压&’()*+,-../0)123’4/*(56789!#$:;9%%+;9#!#!#=?$?@A9BCC89##DEE#9!#$9#9收稿日期!!#%D##D#基金项目!国家自然科学基金资助项目F##GF$#’教育部新世纪优秀人才资助项目+(,-D##D##’泰山学者专项基金资助项目-5!#?!!?#作者简介!陈大为#?E?$#%男%硕士研究生%主要从事液压滑阀卡紧,泄漏方面的研究工作&,DH7B!PKM8N7XMBCNOJ#$9P;H&基于_OM8L多相流液压滑阀阀芯摩擦力仿真分析陈大为!万熠!蔡玉奎!刘战强山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室!山东济南!F$##摘要!采用,OMZ多相流模型,扩展的/J/湍流模型和5*&a/,算法%基于_OM8L软件对滑阀间隙密封内固液两相颗粒湍流进行了数值分析%分析了不同直径和体积浓度的污染颗粒对滑阀阀芯摩擦力的影响&研究结果表明!摩擦力随着颗粒体积浓度增大而近似线性增大’随着颗粒直径的变大%摩擦力先增大后减小%直径与间隙厚度很接近的颗粒即*敏感颗粒+%会使阀芯表面产生最大的摩擦力%*敏感颗粒+直径为9#!HH左右’在液压系统中采用合适尺度的过滤网或过滤芯将*敏感颗粒+附近尺寸的颗粒过滤掉以达到减小阀芯摩擦磨损%提高液压滑阀换向性能%进而提高整个液压系统的使用性能&关键词!固液两相流’阀芯摩擦力’颗粒体积浓度’颗粒直径中图分类号!-)#G9FTT文献标志码!’TT文章编号!##DEE#!#$##D#%D$51*3&*4.@*,7)’&*4.=.’)B%*%42UB/1’7)*30’)H-G41-(B67)&*9+’%-5)4C’%-/4.5)7-.&(),+27XMB%W’+1B%(’*1OcOB%/*4eK78hB78ViM[/7U;Z7L;Z[;Y)BVK,YYBPBM8P[78N(M78&78OY7PLOZB8V%5K78N;8V48B^MZCBL[%6B8785K78N;8V!F$#%(KB87#=(%&1’3&!5;BN\BhOBNLX;\]K7CM]7ZLBPMCLOZUOM8PMB8PM7Z78PMCM7C;YCBNM^7^MCX7C8OHMZPB7[787[gMNXBLKOCB8V;Y,OMZHOLB]K7CMY;XH;NM%M‘LM8NMN/J/LOZUOM8PMH;NM78N5*&a/,7V;ZBLKHU7CMN;8_OM8LC;YLX7ZM=-KMMYYMPLC;Y];OLB;8]7ZLBPMCXBLKNBYYMZM8LNB7HMLMZC78N^;OHMP;8PM8LZ7LB;8C;8YZBPLB;8;YCBNM^7^MP;ZMXMZM78[7CMN=-KMZMCOLCCK;XLK7LLKMYZBP\LB;8B8PZM7CMC7]]Z;‘BH7LM[B8NBZMPL]Z;];ZLB;8L;LKM]7ZLBPM^;OHMP;8PM8LZ7LB;8C=WBLKLKMB8PZM7CB8V;YLKMNB7HMLMZC%LKMYZBPLB;8B8PZM7CMCYBZCL[78NLKM8NMPZM7CMC%LKM]7ZLBPMCP7MN*CM8CBLB^M]7ZLBPMC+P7OCMLKMUBVVMCLYZBPLB;8%LKM[K7^M7NB7HMLMZ;Y9#!HHXKBPK7]]Z;‘BH7LM[MhO7CL;LKMLKBPc8MCC;YLKMPM7Z78PM=*8K[NZ7OBPC[CLMH%B8;ZNMZL;ZMNOPM^7^MYZBPLB;878NXM7Z%BH\]Z;^MLKM]MZY;ZH78PM;YK[NZ7OBPCBNM^7^M78NBH]Z;^MLKM7]]BP7LB;8]MZY;ZH78PM;YLKMXK;MK[NZ7OBPC[CLMH%7ZBVKLCBgM;YLKMYBLMZ;ZYBLMZP;ZMBC7N;]LMNL;YBLMZ;OLLKM]7ZLBPMCXBLKCBgMC8M7Z*CM8CBLB^M]7ZLBPMC=+A-BC41/%!5;BN\YOBNLX;\]K7CMY;X’_ZBPLB;8;Y^7^MP;ZM’a7ZLBPM^;OHMP;8PM8LZ7LB;8’a7ZLBPMNB7HMLMZ!前言液压阀主要控制液压系统的压力,方向和流量%从而影响整个系统的性能&滑阀由于换向迅速,精确和平稳等优点在液压系统中广泛应用(#)&然而由于液压元件在加工装配过程中残留的切屑,毛刺%元件在运转过程中产生的磨屑,锈蚀剥落物%以及外界侵入的尘埃和杂质等会使液压油受到污染%使液压滑阀产生污染卡紧%产生较大的阀芯摩擦力%进而影响其换向性能&许多研究人员对此做了相关研究!周正(!)在对国内主要厂家的换向阀进行了大量的实验%发现尺寸接近间隙尺寸的污染颗粒%即*敏感颗粒+%会使阀芯卡紧力达到最大’吴宗之,夏志新()研究了流体润滑状态下磨粒尺寸对液压泵磨损的影响%发现尺寸与动态间隙很接近的磨粒会使泵发生严重磨损’刘新强(%)对颗粒污染导致卡阀进行了理论分析%且通过多相流模拟了颗粒在间隙中分布%定性分析了不同粒径和密度污染颗粒导致卡阀的可能性&以上研究都停留在污染颗粒对液压阀卡紧的理论,定性分析%未见有关于阀芯摩擦力即换向时启动力#定量化的分析&因此%通过_OM8L计算软件提供的,OMZ多相流模型%对滑阀间隙密封中固液两相流进行了数值计算%并分析了滑阀密封间隙下污染颗粒直径以及体积浓度对阀芯摩擦力的影响%以期望降低滑阀卡紧故障发生的概率%也为液压系统过滤精度的选择提供一定的数值参考&#间隙密封数学模型的建立#9#T基本假设以混合有污染颗粒的液压油为流动介质%间隙密封内介质流动为固D液两相颗粒流%并作出如下假设!##流动介质中固,液两相均为连续,不可压缩相%且每相的物理参数保持为常数’!#固相颗粒相#为球形(F),粒径均匀的污染颗粒%且无相变’#由于颗粒相的存在%流动状态采用湍流稳态 !T,OMZ模型欧拉模型($),OMZ模型#是一种平均+\5方程%可用于模拟多相流动及相间的相互作用&每一相均采用,OMZB78处理&适用于颗粒多相流的仿真模拟%具有比混合模型更精高的计算精度&因此采用欧拉模型模拟间隙密封中固液两相流的流动模拟&欧拉模型的连续性方程第/相#为!%%C%//#k-%//;&/#j-D*j#?-*/##式中!;&/为/相的速度%?-*/为从*到/相的质量传递&动量方程第/相#为!%%C%//;&/#k-%//;&/;&/#jD%/7k-5j/k-D*j#+&*/k?-*/;&*/#k%//-1&/k1&FBYL%/k1&;&?%/#!#式中!1&/为外部体积力%1&FBYL%/为升力%1&;&?%/为虚拟质量力%+&*/为相之间相互作用力%7为所有相共享的压力%;&*/为滑移速度%!/%+/分别为/相运动和体积黏度%5/为/相的压力应变%5j/j%/;&/;&/k;&-/#k;&/-+/D!.!/#-;&/8D&由连续性方程可得每一相的体积分数方程%如下!#%/%%C%//#k-%//;&/#j-D*j#?-*/D?-/*#()#式中!%/为计算域内第/相的体积平均密度&将单相流的标准/J/模型扩展至多相流湍流模型%将单相流的压力速度耦合5*&a/,算法扩展至多相流动中%然后对间隙密封中固液两相流动进行数值分析 T计算区域和网格由于滑阀间隙密封的几何结构比较简单%根据如图#7#所示的参数建立仿真几何模型如图#U#所示%其中+#j#HH%+!j#9#FHH%密封长度=j!HH&图#T间隙密封仿真计算模型由于计算模型的对称性%只需要对半个模型进行网格划分&油膜厚度尺寸较小9#FHH#%在油膜厚度方向上分%段%沿轴向即$轴方向分成#等份%在半段圆弧方向分成!等份%总网格数大约为E个六面体网格 %T边界条件流体在间隙密封流动时%其接触边界均设置为静止壁面(G)%即选择W7%壁面附近采用标准壁面函数’入口边界条件采用aZMCCOZM\B8j#F&a7%出口边界条件采用aZMCCOZM\;OLj#&a7%压差为#%&a7’设置第一相液体相#密度为EGcV@H%动力黏度为9!FFa7-C’第二相(%)颗粒相#密度为G!cV@H%动力黏度为#DFa7-C%不计各壁面与外界环境以及流动介质之间的热量交换&计算时取无颗粒理想流动为初始条件%作为对比&实际工况下%入口处分别取第二相颗粒相#直径为9F,9#,9#!,9#FHH%共%个水平%体积浓度为9#,9,9F,9G%共%个水平%且入口颗粒体积浓度均匀分布&收敛精度设为#DF%采用二阶迎风格式%考虑重力作用%如图!所示&图!T模型边界条件设置%计算结果及分析!9#T理想流动无颗粒#流场及阀芯摩擦力根据上述数学模型和几何模型%采用_OM8L对间隙密封流场分析%此时进口无颗粒相&流场压力分布图和阀芯壁面所受剪切力图如图所示&-SEN-第#期陈大为等!基于_OM8L多相流液压滑阀阀芯摩擦力仿真分析TTT图T理想间隙密封流场图TT由图知%由于计算模型对称且间隙厚度均匀一致%压力沿轴向均匀减小’理想流动时%阀芯表面的摩擦力由进出口压差和流体自身黏性引起%其值等于阀芯表面所受剪切力对阀芯纵向有效截面的积分值&由力监测器得%此时阀芯表面摩擦力为9!?+&!9!T颗粒浓度对阀芯摩擦力的影响实际油液中由于有污染颗粒的存在%除了上文所提到的进出口压差以及流体黏性外%油液中颗粒在流场缝隙中的堆积以及颗粒在流场中与流体的能量和动量交换也都会对阀芯表面的摩擦力产生影响(E)&分别取上文提到的%个水平浓度进行仿真分析&由于篇幅限制%仅以颗粒直径为9FHH为例&图%所示为不同浓度下颗粒体积浓度分布图%不同浓度下颗粒分布趋势基本相同%随着浓度的升高%颗粒分布较为集中%主要集中在进口段以及左右两侧对称面以下对称面处&由此在相同区域颗粒会对阀芯表面产生较大的剪切力作用%同时也容易造成滑阀卡死现象&图F所示为不同浓度颗粒对阀芯表面的剪切力&图%T颗粒体积浓度分布图-IEN-机床与液压第%%卷图FT阀芯表面颗粒剪切力分布图TT以上%种浓度下%颗粒剪切力最大值均出现在颗粒集中处%最大值依次为!9%#,G9#$,##9E,#E9%a7’通过力监测器得%阀芯所受摩擦力依次为9##,9G,9FE,9$G+&与理想状况相比%依次增大了9$d,#9%d,!9#d,!9d&如图$所示为不同直径颗粒作用下%阀芯摩擦力随颗粒体积浓度变化图&图$T不同体积浓度颗粒下阀芯摩擦力由于当颗粒直径大于间隙厚度时%颗粒会被阻留在阀体和阀套配合间隙外%所以大于间隙厚度的颗粒不再考虑&由图可以看出%对所有直径颗粒%阀芯摩擦力均随其体积浓度增大而近似线性增大&!9T颗粒大小对阀芯摩擦力的影响油液由于污染存在不同尺度的颗粒%在缝隙流场的过滤作用下%不同尺度的颗粒体现出不同的堆积效应%从而影响阀芯表面的摩擦力&分别取颗粒直径为9F,9#,9#!,9#FHH%并以颗粒体积浓度为d为例分析如下&图G所示为不同直径颗粒的体积浓度分布图%颗粒主要集中在左右对称面和下对称面处’颗粒直径大于9#HH%随着颗粒直径的增大%最大体积浓度呈现小的下降趋势%从9?d下降到!E9d&这是由于随着颗粒变大%两个或者多颗粒并行时%会卡紧在间隙甚至是进口段中%在流场的作用下%部分颗粒会重新分散在流场中%使最大体积浓度下降&-JEN-第#期陈大为等!基于_OM8L多相流液压滑阀阀芯摩擦力仿真分析TTT图GT颗粒体积浓度分布图TT图E所示为不同直径颗粒对阀芯表面的剪切力分布图&图ET阀芯表面颗粒剪切力分布图-KEN-机床与液压第%%卷TT随着颗粒直径的增大%最大颗粒剪切力增大%分别为G9#F,#?9#,!9E,!9?a7’通过力监测器得%阀芯所受摩擦力依次为