大流量换向阀的设计与流体动力学仿真

　　近年来,我国液压支架换向阀技术迅速发展,流量由原来的80 L/min提高到500 L/min,结构由原来的钢球密封发展到多种密封形式,操作机构由原来的外露式发展为全封闭式,总体结构由转阀发展为片式结构和整体插装结构.随着流量的提高和结构的改变,换向阀的工况特性也有了很大改变,必须要对其结构及动态性能进行研究分析.为此,本文以TMFH500型手动换向阀为例,对大流量手动换向阀的动力学性能进行仿真分析[1].

　　1　大流量手动换向阀的结构设计及其原理

　　TMFH500型手动换向阀是最新研制的大流量液压支架用换向阀,公称流量为500 L/min,公称压力为31·5MPa.该阀为片式结构,每片阀由1个操作机构、2套阀芯和1个阀体组成.每套阀芯组成1个两位三通换向阀, 2套阀芯(两位三通阀)组成1个Y型机能的三位四通换向阀.

　　依照现行有关行业标准, 500 L手动换向阀主要技术难点为额定流量下的压力损失不得超过7 MPa,阀的流道要合理不能产生尖叫、气蚀等现象.

　　图1为TMFH500型手动换向阀结构方案,图中阀采取片式结构,每片阀主要由阀体1、接头组件2、弹簧3、中套4、阀芯12、阀座13、顶杆组件5、操作机构9、定位销10、密封垫14和各种规格的密封件组成.在0位和工作位阀芯及顶杆组件均存在液压平衡力,以便减少阀的操作力.中套4采用定向方式,使液体在流道中流动时减少漩涡,从而减少压力阻力损失.操作机构采用回液口强拉式结构,在打开A口的同时, B口的回液通道也被强拉至最大,节省空间,设计合理. 0位时P口被密封截止,工作口与回液口相通.工作位时1个工作口与高压口相通,将高压液体通向液压元件,液压元件的回液则通过换向阀的另1个工作口回液.图1为换向阀在工作位的位置,该阀中位机能为Y型.换向阀从0位换到工作位的过程通过操纵操作机构9实现[2].

　　2　大流量手动换向阀的内部流体动力学分析^[3]

　　要使大流量换向阀的液压通道的流道设计科学合理,则必须对该阀流道进行流场压力分布和流速矢量分析.计算流场压力分布和流速矢量分布必须选用相关软件进行计算,本文利用STAR-CD软件对TMFH500型手动换向阀内流场进行计算分析.下面对TMFH500型手动换向阀进行定常计算,湍流模型采用RNGk-ε模型.换向阀计算区域确定后,根据设计图纸绘制的液体流道(图2),在图中用数字标出液体流过时的典型截面,在不同条件下利用STAR-CD软件进行有限元分析.

　　为了减少网格的畸变且能根据不同的工况来方便的调整网格,采用Multi-block方法,局部加密和任意交界面技术相结合来生成网格.图3为进液流道和回液流道计算网格.由于换向阀的回液通道比进液通道大,因此,该阀的流量压力损失只对进液通道进行分析.