基于CFD的电液比例阀液动力分析

　　电液比例阀(下称“比例阀”)是电液比例控制技术的核心元件,它按照输入电信号指令,连续成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。稳态液动力(下称“液动力”)是影响比例阀性能的关键因素之一,不仅决定换向阻力,同时也影响比例阀的精确控制[1-3]。

　　随着比例阀腔室结构的多样性和复杂性,目前常规的动量定律分析方法已无法详细和准确地描述其动静态过程。而液动力的精确控制对比例阀的优化设计至关重要 [4](特别在衡量阀芯动态平衡上),以获得比例阀良好的动静态性能。因此,必须采用流场仿真的方法对液动力进行计算。另外,为了优化设计,对比例阀腔室 内部流场的详细分析也是必需的[5]。

　　为此,文中采用计算流体力学(ComputationalFlu-id Dynamics, CFD)软件———Star-CD,对比例阀腔室3D流场进行详细的CFD计算,研究不同结构下的流场特征参数变化情况。同时,从流场分析角度分析液动力补偿措施。

　　1　结构与原理

　　比例阀结构如图1所示,主要由线圈、衔铁、永磁体、推力线圈骨架、阀芯、阀套和位移传感器等组成。线圈安装在推力线圈骨架上,线圈骨架与阀芯相连。输入电 压信号经放大器放大后,加载到控制线圈,载流线圈连同推力线圈骨架在永磁体产生的恒定磁场中,受电磁力作用,并与复位弹簧共同推动阀芯运动,产生与控制信 号成比例的位移,导致比例阀负载阀口打开。当电磁力与弹簧力和液动阻力的合力达到瞬态平衡时,比例阀阀口保持一定的开度,从而输出相应的控制流量。

　　阀芯组件由位移传感器检测位置误差,转换成信号电压,补偿到输入信号,作为纠偏电压,保证其保持在所需要的正确位置。线圈在磁场中所受电磁力的大小和方 向,取决于线圈中控制电流的大小和方向。通过改变输入电压信号的方向,来控制阀芯运动方向,实现比例阀的换向功能。

　　2　液动力

　　液动力指比例阀阀口处于稳定开口时,因流入(或流出)阀口液流流速的大小或方向变化而作用在阀芯上的反作用力,也即液流改变方向给阀芯的反作用力,图2给出液流流出和流入阀口的情况。

　　比例阀阀芯零遮盖,双阀口工作时,进出两个阀口的液动力方向相同,都朝向关小阀口方向,总液动力Fpw为二者之和,如下:

　　Fpw=4CvCdπDpδpΔPcosθ1 　　(1)

　　式中:Cv———液流速度系数;

　　Cd———液流收缩系数;

　　Dp———阀芯凸台肩直径;

　　δp———阀口开度;

　　ΔP———阀口压降;