基于流场仿真的多路阀流道结构优化

　　0　前　言

　　多路换向阀简称多路阀,它是以两个以上的换向阀为主体,集换向阀、单向阀、过载阀、补油阀和制动阀等于一体的多功能集成阀[1]。不论是整体式多路阀还是片式多路阀,其内部流道结构复杂,主阀片基本上都采用铸造毛坯。如何进行流道优化设计、提高加工工艺可行性,从而减少大流量时的压力损失和提高系统压力、增大工程机械的系统压力和节约系统能量,就成为设计过程中比较棘手的问题。目前国内多路阀产品流道设计还处于经验和参考设计阶段,一般采用传统的试验表格粗略计算。沿程阻力损失的计算是根据标准试验条件下的管道形式确定雷诺数,从而根据经验数据判断流动状态,最终确定沿程阻力系数;而局部阻力损失是根据标准试验条件下的管道入口、出口或扩口形式确定局部阻力系数。由于沿程阻力损失和局部阻力损失是根据管内平均流速和标准试验条件计算而来,忽略了因局部流速过高或过低而产生的局部高压区或低压区(甚至负压区),进而形成流体噪声与能量损失过多的问题。

　　计算流体力学是根据欧拉方程与纳维-斯托克斯方程,采用数值计算方法求解,从而研究流体运动特性和给出流体运动空间的定常流动或非定常流动规律[2]的学科。ANSYS公司收购了ICEM CFD和CFX,拓宽了ANSYS的应用领域,提升了其在流场仿真和流固耦合中的地位[3, 4]。

　　本研究采用ANSYS ICEM划分网格[5],ANSYSCFX求解来对多路阀桥路进行优化设计。

　　1　流道结构优化

　　1. 1　多路阀主阀体剖面图

　　针对传统六通多路阀容易受系统压力影响、负载变化时操作不稳定的缺点,研究人员根据二通调速阀的原理开发了带二通压力补偿器的四通多路阀。压力补偿控制的实质是:通过消耗一部分能量来换取工作节流阀口的压差基本不变。如图1所示的桥路实际上是将先节流后减压的液压油通向执行机构,这种桥路结构解决了以前老产品需要采用单向阀(或梭阀)将同一联中的两个负载油口压力相比较再取出的问题。当负载出现加速下坠时,单向阀或梭阀结构容易将背压侧的油压误作负载敏感油路反馈到三通压力补偿器或负载敏感泵的敏感腔,而桥路结构则不会出现这种情况。

　　1. 2　优化前后的桥路油道几何结构

　　为了比较用桥路圆弧过渡与不用圆弧过渡而产生的流场差别,特设计了两种桥路结构,其尺寸分别如图2、图3所示。可以从两图对比中看出,优化前后几何尺寸的主要差别在于:上方用两个R10圆弧进行过渡,下方用两个R20圆弧过渡,其侧面4角用R1倒圆。

　　1. 3　优化前后的网格划分