插装式二维dd伺服阀流道流阻特性研究

插装式二维dd伺服阀流道流阻特性研究

0通插装阀组成插装阀技术是国外开发的一种小型、精细、社会化的压力、流量和方向控制技术。该技术的发展使该技术快速发展。由于插装阀具有结构紧凑、体积小、重量轻、无泄漏、系统组合可变性强、便于大批量生产等一系列特点,因此被广泛地应用在工程机械、航空航天、船舶、机床、农业机械、矿山机械、塑料机械等各个领域,有广阔的发展前景浙江工业大学阮健教授团队研制的2D阀,采用一种阀芯具有双运动自由度的伺服螺旋流量放大机构作为导控级,该阀具有结构简单、抗污染能力强、响应速度快、动静态特性理想等优点插装阀和普通阀相比其内部流道更加复杂,造成内部流道能量损失。文献1d伺服阀工作原理插装式2D伺服阀主要由阀体模块、电机械转换器模块、位置传感器模块组成,使用三维建模软件Solidworks2012建立阀的整体三维模型,如图1所示。其中阀体模块主要由阀芯、阀套、端盖、连接板等组成,阀芯具有两个运动自由度,将先导级和功率级集成在单个阀芯上。电机械转换器采用力矩马达,通过机械装置将马达衔铁与阀芯固连在一起,其作用是将控制器输入的电信号转换成衔铁的偏转,驱动阀芯旋转,结合伺服螺旋的原理实现轴向移动。位置传感器采用LVDT,记录并反馈阀芯的直动位移,实现闭环控制。图2为插装式2D伺服阀的工作原理图。在初始状态阀芯左侧台阶上的高压孔槽和低压孔槽分别位于斜槽的两侧,其中高压孔槽通过阀芯内的中心孔与进油口P相通,而低压孔槽通直接与回油口T相通,此时左侧敏感腔内的压力为系统压力的一半当力矩马达接收电信号,使阀芯逆时针转动时(从右往左看),高压孔槽与斜槽的相交面积增大,低压孔槽与斜槽的相交面积减小,敏感腔内压力升高,轴向静压力失去平衡,阀芯向右移动。而阀芯在向右移动的过程中,逐渐使高低压孔槽又回到斜槽的两侧,敏感腔内的压力恢复为系统压力的一半,阀芯重新保持轴向平衡,此时P口与A口沟通,B口与T口沟通。反之亦然。2模拟模型的构建2.1重新设计回油流道传统的三位四通插装阀通过阀套左端和阀芯中部和回油口相通,而插装式二维(2D)伺服阀由于阀芯与左端盖构成敏感腔,阀芯中心始终和高压油相通,均无法用来与回油口相通,因此需要重新设计回油流道。如图3所示为阀套剖视图,从图中可以看到,阀套壁厚方向开有四个均布的流道,其目的就是为了让两个回油腔相连,使得阀块上只需要一个回油口。由于油液通过阀套上的流道时存在一定的压力损失,而不同形状的流道结构对压力损失的影响不同,因此设计了两种阀套回油流道的形状作对比分析,如图4所示。2.2维流体域模型根据流体在阀套内流过的区域,利用三维建模软件Solidworks2012提取流体域模型用于流场分析,如图5所示为阀芯直径为0.3mm,进出口直径为6mm时两种结构的三维流体域模型。将提取出的流体域模型转换为x_t格式后导入到ICEMCFD15.0软件中,将流体域模型分为进油口IN、出油口OUT和壁面WALL三个part,采用Tetra/Mixed类型和Robust(Octree)方法进行非结构网格划分,减少了网格的生成时间,简化模型和网格生成的过程,最终得到的流体域模型网格划分如图6所示,其中总网格数为914469,总节点数为158777,并检查网格质量如图7所示,符合仿真分析要求。2.3牛顿流体的控制将计算几何模型的mesh文件导入到Fluent15.0软件,进行如下设置:(1)假设液压油是不可压缩的牛顿流体,流体用RP-3(3号喷气燃料),密度ρ=780kg/m(2)边界条件:进油口IN选用pressure-inlet边界条件;出油口OUT选用pressure-outlet边界条件;壁面WALL选用无滑移壁面条件。(3)求解控制选择SIMPLE算法以及二阶迎风格式。定义残差监视器并设定收敛精度为1×103模拟结果分析3.1流阻能力分析流阻系数用于表征流道对流体流动的阻力大小,是一个无量纲系数。流阻系数和通径尺寸、流道结构形状、流道壁摩擦阻力、油液粘度和流速等因素有关,可以认为是各种因素造成压力损失的总和。其计算公式为:式中ζ——流阻系数;Δp——压力差(MPa);ρ——油液密度(kg/mv——平均流速(m/s)。结合Fluent仿真计算结果和上述公式可求得两种流道的流阻系数如图8所示,其中圆形流道流阻系数平均值为5.884,扇形流道流阻系数平均值为5.825。在进出口压差相同的条件下,扇形流道的流阻系数比圆形流道的小,流阻系数小说明压力损失小,通流能力大;圆形流道和扇形流道的流阻系数随着进出口压差增大基本没有变化,近似为水平线,这说明流阻系数是阀流道的本身性质而与外界条件无关。3.2几种常见概念设计从仿真计算结果中选取进出口压差为0.5MPa、1.5MPa时两种流道内部流场的压力云图作对比分析,如图9、图10所示。从图中可以看出,进出口和环形腔内压力分布比较均匀,经过阀芯开口处,流动受到阻碍,压力减小,速度增大。进出口压差较小时,出口环形腔压力分布不均,当压差增大时,情况有所改善。在进出口压差相同的情况下,油液流过四个扇形流道上的压力损失比四个圆形流道上的压力损失小。3.3出口流速分布从仿真计算结果中选取进出口压差为0.5MPa、1.5MPa时两种流道对称截面处的速度矢量图作对比分析,如图11、图12所示。从图中可以看出,进口流速分布比较均匀,出口流速分布不均匀。在进出口压差相同的情况下,扇形流道内油液的速度比圆形流道内油液的速度大。两种回油流道的进口和出口处都有漩涡产生,造成了能量损失,而扇形流道相较于圆形流道有明显改善。4实验与研究4.1实验模型为验证前述仿真分析的准确性,对两种流道的流体域模型进行实验研究。通过3D打印得到两种流道的实验模型,如图13所示。4.2压力和流量测量利用实验室现有设备搭建实验台,主要由液压泵、溢流阀、压力表、流量计等组成,压力表用来测量模型进出口压力,流量计用来测量通过模型的流量。实验台系统原理图如图14所示,实验台实物图如图15所示。实验时,调节系统压力,待数值稳定后记录实验模型进口P、出口T的压力以及流量。4.3仿真结果对比将实验结果代入通过前述公式求得流阻系数与仿真结果作对比分析,如图16所示。从实验结果看,扇形流道和圆形流道的流阻系数曲线基本在一水平线上波动,而扇形位于圆形下方,与仿真结果基本相符合。其中圆形流道流阻系数平均值为6.221,扇形流道流阻系数平均值为6.175。实验结果相比仿真结果流量偏小,流阻系数偏大,可能有以下几种原因:3D打印的实验模型有加工误差,与仿真模型不一致;仿真对流体参数和计算条件进行了理想的假设;边界条件设置和实验条件不一致,实验本身存在误差。5两种回油流道的仿真结果本文提出了一种插装式2D伺服阀,简单介绍了结构及工作原理,并利用