伺服阀主阀芯的建模与仿真

　　电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳以及能适应模拟量和数字量调制等优点,在冶金、航空等行业中都得到了广泛的应用[1]。

　　本文针对某型伺服阀,在主阀芯阀口开口大小一定、压差不同的情况下,对其内部流场进行数值模拟分析,并与理论计算结果进行比较。

　　1 伺服阀主阀芯流场的模拟仿真

　　1.1 网格划分

　　由于油液在伺服阀阀口的流动情况非常复杂,阀口既是压力变化最大的区域,又是结构尺寸最小的区域。因此,根据阀内部流道的几何尺寸,应对阀口区域和流道拐角的网格进行细化。正常情况下,紧靠管道壁面区域流体的速度梯度很大,而管路中心的速度梯度相对较小,因此在网格划分时,应在壁面附近加入一个细化网格的边界层,以增大靠近壁面区域的网格密度,使速度梯度和压力梯度能更清晰地显示,流道中心的网格密度可以适当降低。

　　某型伺服阀主阀芯直径为30 mm,采用Gambit对其进行三维网格划分[2],如图1所示,图1(a)上端为进口P,下端为出口A;图1(b)为图1(a)中圆圈标示的阀开口处局部放大网格图。

　　1.2 初始条件与边界条件

　　在流场分析软件中导入网格模型后,根据实际情况对求解器作如下参数设定:采用非耦合方式、3D轴对称、非定常流、导入能量方程,黏度模型为湍流,流体介质选取32号液压油,初始条件采用全流域初始化[3]。

　　仿真的边界条件为:进油口P为压力入口边界条件,出油口A为压力出口边界条件,出口压力设定为1 MPa,进口压力分别设定为1.1、1.5、2.0MPa。仿真计算中,流体和流动状态分别设定为单相流和紊流,流体接触的边界为静止壁面。

　　2 仿真结果与分析

　　在阀开口为0.5 mm、压差不同的情况下,对模型进行仿真计算。阀口处流体的压力及速度仿真结果如图2~图4所示。流场仿真的相关数据如表1所示。

　　从图2~图4中可以看出,主阀芯进口P处的压力和流速分布都比较均匀;而出口A处压力分布比较均匀,流速分布不均匀。整个P腔的压力和流速分布也很均匀,靠近阀口时,流速开始逐渐增大,压力开始逐渐降低,流体的压力水头转换成了速度水头,符合流体运动的流量连续性定理和能量定理。

　　由于附面层对流速的影响,阀口靠近阀芯壁和阀套壁附近流层的流速非常小。阀口出口区域出现了射流,中心的流速最高。由于阀口的压力损失,出口处的流体压力明显降低。在A腔里,靠近P口端的压力比靠近A口端的压力要高,这是由于油液要通过一个同心圆环状的流动到达A口端,由此造成的压力损失所导致的。在阀口出口附近,形成了一个低压区。从表1中可以看出,当系统具有足够背压时,靠近A口的这个低压区的压力也远高于一个标准大气压,不会造成气穴现象。从图2~图4中的流速仿真图中可以看出,当压差增大时,靠近A口端的流体经过阀口会逐渐形成一个主液流,这也符合液体流动的规律,即流体运动遵循最小流动损失。阀口压差为0.5 MPa,阀开口为0.5 mm时,阀口压力局部放大仿真图如图5所示。由图5中可以看出,阀口附近会产生一个低压区。