液压集成块流道仿真分析

液压集成块流道仿真分析

作为机械系统的重要部件，该元件密度高，占用空间小，安装、调整和更换机械件的优势。液压系统采用集成块,可以显著减少管式联接,降低液压系统的复杂性,增加现场添加和更改回路的柔性如图1所示液压集成块结构复杂,直角转弯处流道较多,亦有非直角转向孔道、交叉孔道,附带有刀尖容腔和工艺孔容腔,这样的结构能量损耗大1插装阀中内部孔道的设计在集成块的左侧安装一个插装阀,插装阀的入口与出口连接集成块孔道的部分流道的三维流体模型如图2(a)所示,插装阀其中一个出口处与集成块孔道形成了80°角,这是由于如果加工成90°角就会和另外一个90°角的内部孔道交叉,达不到设计要求。因此,加工出来形成一个80°角的孔道。在集成块的右侧安装两个插装阀,根据集成块孔道的通流面积,绘制出来的三维流体模型如图2(b)所示。2孔道的流道仿真结果根据单个插装阀与集成块孔道一起的三维流体模型,设置两个压力出口,其孔口的直径为21mm;一个压力入口,其孔口直径为42mm。插装阀的开度为5mm,压差分别设为3、6MPa时仿真得到压力云图、速度云图及速度矢量图如图3—5所示。从图3可以看出:插装阀开度为5mm,压差分别为3和6MPa时,压力场分布趋势是一致的。压力场变化比较复杂的区域主要集中在阀口与阀芯过流面处及其孔道的拐弯处,从图中可以看到在80°角孔道拐弯处出现了3个明显的压力变化区(如压差为3MPa时,3个压力变化区的数值为:4.04~4.35MPa、4.35~4.66MPa、4.66~4.97MPa),孔道直管处的压力保持在稳定的状态。压差分别为3和6MPa时,直管处的最大压力值分别为3.42和6.93MPa。从图中还可以看出从阀出口到直孔,阀口与孔道处的压力变化比较小,能量损耗较小。从图4可以看到:孔道通流面靠近壁面处的流体最小流速值为0,处于滞流状态;集成块孔道拐弯处有一个速度突变区,随着压差增大突变区流速开始慢慢增大,其最大值分别为60.5和88.9m/s。从80°角下来的流道中流体的流速比较慢,形成了大面积的低速区。压差为6MPa时,在80°角出口流道中的最大流速为33.4m/s,最小流速才5.56m/s,流速变化比较复杂,能量损耗比较大;另外一个阀口的流体流速靠近集成块孔道出口处其流速趋于一个稳定的区域,范围为:44.5~50m/s。从图中不同区域的流速对比分析可知随着压差的增大,过流面突变处的流速变化越来越快。从图5可以看到:进出口压差分别为3和6MPa时,插装阀出口到集成块的孔道画圈处容易形成漩涡,漩涡形成加剧了局部能量的损耗。同时,可以看到随着压差不断增大,孔道流体的最大速度矢量分别为94.2和143m/s,压差越大阀出口处及集成块孔道拐弯处液体的回流运动更加激烈,对主流起到的干扰作用就相对更大一些,因此能量损耗就增大。3插装阀安装在集成块孔道的仿真对两个插装阀与孔道的三维流体模型设置3个压力出口,其中两个孔口的直径为21mm,一个孔口的直径为42mm;一个压力入口,其孔口直径为42mm。两个插装阀开度都为5mm,其进出口压差为4MPa。仿真得到压力云图及速度云图如图6所示的。从图6可以看出:两个插装阀安装在集成块上进行仿真时,右边安装的插装阀与液压油进入集成块孔道交叉处的距离比较远,液压油进入插装阀这一段距离,形成一个压力为6.31~6.71MPa的大范围的区域,最低压力值为6.31MPa,其周围形成了一个压力为6.71~7.11MPa的区域。该处的流速为5.61~11.2m/s,为低速区,形成明显的旋涡。在孔道的交叉处,出口直径为42mm方向的拐弯处也形成了一个负压区,其最小值为0.27MPa,周围的压力不断地增大。从速度矢量图中可以看到该处出现大范围的低速区,低速区的流速区为0~5.61m/s。低速区的外部出现从5.61~112m/s的高速区,主流与内壁面流速分离严重,流动非常不均匀,能量损失较大。4方案一:改方案比选由于压砖机上集成块的内部孔道的布置比较复杂,要更改集成块内部孔道拐角的大小及位置的方案不太可行。如下方案主要是从改变插装阀阀口到集成块交叉孔道的距离及插装阀的开度来减少孔道的局部压力损失和沿程压力损失从而减小能量损失。方案一为右边的插装阀开度为7mm,方案二为插装阀阀口与集成块交叉孔道缩短30mm。4.1基础设施结构的对比集成块上方插装阀开度为5mm,右边插装阀开度为7mm,压差为4MPa,仿真得到压力云图和速度云图如图7所示。从图7可以看出:右边插装阀开度为7mm,在插装阀入口处形成压力为5.63~6.02MPa的大范围区域,该压力场的范围随着阀开度增大而增大。同时从左边圈出的位置可以看到集成块孔道交叉处出口方向形成一个明显的低压区,最低压力为0.204MPa,并且低压区的范围相对于图6有所减小,这有利于减小能量的损失。从图7(b)可以看到:阀开度为7mm时,入口处圈出位置形成低速区分布范围与图6没有发生明显的变化。该处压力比较高导致出现小范围的低速区,低速区内部包围中出现一段最低流速区,最大流速为5.57m/s。在孔道的交叉处、出口方向的拐弯处也容易形成一个低速区(其流速比开度5mm时的大)。其主流与内壁面的流速分离有所缩小,流动仍然不均匀,能量损失较大。同时可以观察到上方的插装阀过流面与孔道的通流面处的流场不会随着右边插装阀开度的变化而发生明显的变化。在实际工作过程中,插装阀开度为固定,集成块孔道的进油口分有3条支路分别进入到不同的阀中,右边插装阀开度增大,对其他阀过流面的流场分布影响不大。加大右边阀口开度,在一定程度下可以减小液压油从孔道出来的沿程压力损失,但是效果不是很明显。4.2孔道内部流体速度分布集成块上方插装阀开度为5mm,右边插装阀开度为5mm,压差为4MPa。减小右边插装阀到集成块孔道交叉处的距离,进行流场仿真,得到速度云图和速度矢量图如图8所示。从图8(a)可以看到:随着插装阀进油口离孔道距离减小后,阀入口处流体流速明显加快,最快的流速达到60.9m/s;从圈出位置可以看出阀低速区的区域在不断地减小,最低流速为5.54m/s;安装在孔道上方插装阀的流速明显加速,其最大的流速达到44.3m/s,这有利于加快液压油通过阀,减小在孔道的局部压力损失从而降低能耗。从图8(b)可以看到:集成块流道中流体的最大速度矢量值为123m/s,高速区主要集中在集成块交叉孔道的出口;随着右边插装阀与集成块孔道距离不断地缩小,从插装阀入油口附近圈出的位置可以看出该处形成的漩涡区的范围明显地减小,这有利于减少能量损耗。由图8可知:随着插装阀开度不断地增大,可以在一定程度下减小液压油从孔道出来的局部压力损失。因此,缩短阀入油口的距离,增大阀的开度,对减小漩涡区起到明显的作用。5流场的分布情况仿真分析了单个插装阀与