三级同心液压溢流阀噪声特性的CFD分析

　　引　言

　　溢流阀是液压系统中不可缺少的压力控制元件,其工作范围含盖了液压系统中从低压到高压、从小流量到大流量的全部工作点,特别是在高压、大流量工况,因节流口处压差大、流速高,阀口处容易出现低压。当压力降到一定程度时,会引起气穴、气蚀现象,并伴有流体噪声和振动,因此溢流阀也常常是液压系统中的噪声源[1]。对其流场特性的研究、结构参数的优化,进而降低噪声和能耗是液压技术中重要的研究方向。文献[2～4]采用计算流体动力学与试验相结合的方法,对溢流阀和节流阀噪声产生的机理进行研究,指出节流部位出现的气穴是液压控制元件中重要的噪声源,气穴(空化)现象是诱发液压控制元件噪声的最普遍、最主要的原因之一。文献[5]对水压锥阀流场进行了计算流体动力学(Computer Fluid dynamic,简称CFD)解析,改进后的阀芯结构明显减小了压力损失和阀内最小负压值,降低了阀芯所受轴向液动力。

　　本文受企业委托,针对国内注塑机行业广泛应用的三级同心结构形式比例溢流阀在额定工况点存在噪声较大的问题,从减小阀内漩涡区和负压区的分布、提高最低负压值、降低气穴(空化)现象发生的可能性出发,对其内部流场进行了CFD仿真和可视化分析,并对阀芯结构做了改进。研究结果对改善液压阀的噪声特性有一定的理论意义和实际指导作用。

　　1　计算模型

　　图1是三级同心溢流阀沿主阀芯轴线的纵截面示意图。它主要是由阀芯、阀套和阀体等组成,阀芯与阀套都带有锥角。主阀芯在d1,d2,d3处分别与阀体、阀套上的锥面和阀套下部3部分配合,所以是三级同心。阀芯下部与阀套的配合面是为了增大主阀芯的运动阻尼,同时形成二次节流,以便提高节流边处的压力。工作过程是流体首先通过进油口P进入主阀芯的上腔,采用内流方式经节流口的锥面流入主阀芯下腔,经二次节流后由阀套上均布的4个通油孔流入出口T。

　　由于阀的进出口流道是非对称布置,流体在阀内的流动是复杂的三维流动,因此仿真计算也应当是三维的。为了反映阀的真实工作状况,在建立阀的计算网格时不做简化,用CAD软件Pro/E按照阀的真实结构尺寸建立计算区域的几何模型,如图2所示。在此基础上,将该几何模型导入CFD软件Fluent的前处理器Gambit划分网格。考虑到计算机运行时间和存储容量,在入口和出口处采用较粗网格,由于阀口附近的流速和压力梯度较大,采用自适应功能对节流口区域的网格进行细化,在出口流道的拐角处也进行了局部细化。

　　2　计算结果及分析

　　在仿真过程中选用46号液压油,对流体状态作了如下假设:流体为不可压;流体密度ρ=860 kg/m3;动力粘度μ=0.025 Ns/m2;流体与壁面接触的边界为静止壁面;入口处的液体流速由流量决定;出口截面上的绝对压力设为0.2 MPa。