基于CFD的液压锥阀动态和静态性能研究

　　0引言

　　作为液压传动与控制中十分重要的基础元件，液压锥阀具有密封性好，抗污染能力强，构造简单等特点，从而广泛应用于液压系统中。但是，由于锥阀内部流道复杂，流体在阀腔内部的流动情况对液压锥阀的动态和静态特性都有较直接的影响，因此，采用数值模拟的方法来获取阀腔内部的三维速度场和压力场分布，对于液压锥阀内部流道的优化以及性能的研究都有十分重要的实际意义。

　　近年来，一些学者采用可视化技术对锥阀的性能进行了研究和分析。 Kato等利用有限差分法对锥阀的节流系数进行了2D模型分析[1]，并与试验结果进行了比较;西南交通大学的李辉、刘晓红使用STAR-CD对液压锥阀内流场进行研究[2]。本文根据参考文献 [2] 中的锥阀结构进行建模与CFD计算，从而研究阀芯结构尺寸对锥阀动态性能和静态性能的影响，并分析计算大额定流量下阀口倒角以及倒角长度对液压锥阀静态性能的影响。

　　1液压锥阀的结构

　　计算采用的锥阀结构如图1所示，由阀芯和阀座组成，其中A为锥角，B为阀芯圆周直径，由文献[2]可知，对锥阀受力以及过流量影响最大的是参数A和B的值，因此，本文主要研究参数A和B对锥阀动、静态性能的影响，选定锥角的变化范围60°~120°，阀芯圆周直径B的变化范围为15~18mm。而选定参数C，D，E，F，G为固定值，其值如表1所示[2]。

　　2液压锥阀的CFD模型

　　2.1流场网格划分

　　由于计算过程中使用动网格，故采用前处理软件ICEM CFD和PROSTAR将锥阀的内流场划分为六面体网格，如图2所示。

　　2.2计算参数及边界条件

　　在数值模拟过程中，设流体为不可压缩的牛顿型流体(物理参数如表2所示)。湍流模型采用κ-ε紊流模型。设锥阀的调定溢流压力为5MPa，为了研究其动态特性及开启特性，入口压力选为调定压力的95%，4.75MPa，入口的湍流特征长度取为入口直径(14mm)的十分之一[3]。

　　2.3求解方法

　　首先计算小阀口开度下锥阀入口压力4.75MPa时的稳态阀腔流场，获得了稳态流场的计算结果之后，入口输入压力阶跃信号(如图3所示)，该阶跃信号使入口压力跳变至5MPa，根据阀芯的受力平衡方程，并利用移动网格技术，计算阀芯的动态响应。

　　通过瞬态计算，可得到阀芯的动态响应和最终稳态位置及其流量。

　　由于锥阀的静态调压偏差可以拟合为一条直线[4]，根据线性插值，可计算出锥阀的静态调压偏差即开启比i，此值可作为液压锥阀的静态性能评价参数[4]。