二维阀圆柱滑阀阀口温升研究.pdf
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1、二维阀圆柱滑阀阀口温升研究液压气动与密封/2 0 2 4年第5期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.05.0142.河南航天工业有限责任公司,河南郑州45119 1;3.杭州迪微电液数控技术有限公司,浙江杭州3 10 0 14;摘要:二维阀所带来的温升主要来源于圆柱滑阀的阀口,过大的温升不仅会造成能量的耗散,也会对阀口产生变形影响,降低阀的机械性能和安全性能。分别针对不同入口油温下滑阀的4个阀口开度(0.2 0,0.150.10,0.0 8 mm)和5种流量边界(15,2 5,3 5,45,55L/min)对圆柱滑阀阀口温升的影响情况进行了数值模拟,得到了结果:
2、温升随流量的增加而显著增加,流量为55L/min时比15L/min的最大阀口温升提高了11.12 7 K;阀口开度是影响温升的主要因素,随着阀口开度的减小,温升升高。同时通过实验对模拟结果进行了验证,得到实验数据与模拟数据吻合良好,两者之间的相对误差仅为0.14%,证明数值模拟的结果是可靠的。关键词:滑阀阀口;温度分布;阀口开度;流量中图分类号:TH137(1.Henan Aerospace Fluid Control Technology Corp,Zhengzhou 451191,China;2.Henan Aerospace Industry Corp,Zhengzhou 451191,
3、China;3.Hangzhou Di Micro Electro Hydraulic Numerical Control Technology Corp,Hangzhou 310014,China;4.Henan Aerospace Hydraumatic&Air-operate Corp,Zhengzhou 451191,China)Abstract:The temperature rise of two-dimensional valves mainly originates from the valve port of cylindrical slide valves,and the
4、excessivetemperature rise will not only cause energy dissipation,but also exerts a deforming effect on the orifice.This poses a risk to the mechanical andsafety performance of the valve.The four valve openings of the slide valve at different inlet oil temperatures were investigated separately(0.20,0
5、.15,0.10,and 0.08 mm)and five flow boundaries(15,25,35,45,and 55 L/min)of the slide valve on the temperature rise of theorifices of a cylindrical slide valve at dfferent inlet oil temperatures were investigated numerically.A positive correlation between temperatureand flow rate was obtained.55 L/min
6、 is 11.127 K higher than the maximum temperature rise of 15 L/min.The valve opening has a huge effecton temperature rise.As the valve opening decreases,the temperature rise increases.The results of the numerical calculations coincide with thedata obtained from the experiments,and the relative error
7、between test and simulations was obtained to be only 0.14%,which proved that theresults of numerical simulation were reliable.Key words:slide valve orifice;temperature distribution;orifice opening;flow rate0引言航空航天、机器人和高端装备领域对液压元件越来越追求高功重比,在满足工作要求的情况下,微小型化是其发展的方向 1-2 ,同时液压元件的性能和安全至关重要。在高压的工况下,节流作用使得油
8、温升高,收稿日期:2 0 2 3-0 9-0 2作者简介:张歌(19 9 7-),女,河南郑州人,助理工程师,硕士,主要研究方向为液压泵阀设计及系统集成。80张歌,李智渊,路超,赵建涛3,曹君梦4(1.河南航天流体控制技术有限公司,河南郑州45119 1;4.河南航天液压气动技术有限公司,河南郑州45119 1)文献标志码:B文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 5-0 0 8 0-11Research on Temperature Rise of Cylindrical Slide ValvePort for Two-dimensional ValvesZHANG Gel
9、,LI Zhi-yuan,LU Chao,ZHAO Jian-tao,CAO Jun-meng高,黏度降低 4-6 对阀口温度分布的研究方法目前比较多的是实验和数值模拟。实验测量中常用的是热电偶测量法,通过热电偶的探头与被测器件直接接触,可以直接得到温度的分布情况,精度较高,操作也较为简单 7 。数值模拟主要是运用传热理论进行热-流-固耦合,可以得材料受热膨胀,影响其机械性能,同时产生热变形,减小了阀口间隙,增大了卡滞的风险 3 。阀口开度和流量都会影响阀口处温度分布的变化,不仅会影响材料变形,也会对液压油的黏度产生影响,随着温度的升Hydraulics Pneumatics&Seals/No
10、.5.2024到阀口温升的情况,通过数值模拟可以迅速直观地反%(pi)+V(pii=-Vp+V(F)d映出不同位置温度、涡流等分布情况,被越来越多的研at究者所使用 8-10 式中:一一哈密顿算子P静压力1计算方法与网格应力张量1.1物理模型能量方程如式(3)所示,它是基于能量守恒定律得出的:本研究所选用的是自主研发的三位四通圆柱滑阀,d其中阀芯直径为16 mm,滑阀的材料为结构钢,密度为at(ph)+V(uph)=(kerVT+Teru)+Sh8030kg/m,导热系数为16.2 7 W/(mK)。采用46#抗(3)磨液压油,其在40 时的导热系数为0.14W/(mK),密度为8 7 0 k
11、g/m,定容比热容为18 9 0 J/(k g K)。图1为圆柱滑阀的几何模型图,图2 为阀口流动示意图。图1圆柱滑阀几何模型图Fig.1 Cylindrical slide valve model diagramui图2 阀口流动示意图Fig.2 Schematic diagram of valve port flow1.2数学模型计算流体力学是将计算机强大的计算求解能力与流体力学控制方程相结合,可以准确快速得到流场的描述。连续性方程是基于质量守恒定律所得到的表达式:+a(pu;)=0atax;式中:u;一一速度在坐标系中的分量x;坐标系中的坐标量动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用,简
12、称N-S方程:(2)h=C,dTTref式中:k有效导热系数Sh一源项有效应力张量Ter一参考温度Brinkman(Br)数是判断黏性耗散是否需要考虑的无量纲数 。在本研究中根据式(5)计算得到的Br数为2 0,需要考虑黏性耗散:Br=kT式中:U。一一最高流速k一导热系数采用有限体积法对计算区域离散化处理,并使用PISO算法对方程组求解,标准 k-8模型对湍流时间上的脉动进行平均处理。1.3网格划分圆柱滑阀流体域的网格划分如图3 所示,由于阀口附近是本研究的重点,故在阀口处进行网格加密,以满足计算精度要求,加密后的网格如图4所示。其他区域适量放大网格控制尺寸,从而达到节约计算资源的目的。(1
13、)Fig.3 Fluid domain meshing of cylindrical(4)U?(5)图3 圆柱滑阀流体域网格划分slide valve81针对0.2 0,0.15,0.10,0.0 8 mm4个阀口开度(进出口压差分别为6,4,2,1 MPa)的阀口温升情况进行了模拟研究。图6 是不同阀口开度下阀口温升随人口油液温度的变化情况。图中显示,当阀口开度减小时,相同人口油液温度条件下的阀口温升逐渐增大,阀口开度是影响温升现象的最主要因素;相同阀口开度下,随着人口Velocity53.959液压气动与密封/2 0 2 4年第5期图4阀口附近网格划分Fig.4Mesh delineati
14、on near valve port需要对网格无关性进行验证。选取0.5mm阀口开度的二维阀模型,划分了5种网格数,分别是2 4,3 8,49,55,67万,设置边界条件:流量6 0 L/min,人口温度300K,绝热条件,分别进行计算,计算结果如图5所示。49,55,6 7 万的网格数所得到的最高温度结果几乎一致,考虑提高计算效率和计算精度,选择55万网格数二维阀温度场计算网格。303.2一阀口开度0.5mm,流量6 0 L/min303.0302.8302.6302.4302.2302.0301.82图5最高温度与网格数的关系图Fig.5 Plot of maximum temperatu
15、re versus number of grids2模拟结果与分析2.1阀口开度对滑阀阀口瞬时温升的影响本研究针对阀口流量为2 5L/min这一典型工况,Velocity48.88052.06741.65336.44731.24026.03320.82715.62010.4136.2070.000m:s-1油温的升高,阀口温升逐渐降低,这是因为当温度升高时,黏性加热效应会导致油液黏度降低。4.5斤4.03.5X/口3.02.52.01.51.00.50.0300图6不同工况下阀口温升情况Fig.6 Temperature rise of valve port under differentwo
16、rking conditions图7 图10 分别是0.2 0,0.150.10,0.0 8 mm阀x105口开度下的中心截面速度云图。从速度云图中可以看34nVelocity52.28047.05241.82438.59631.36826.14020.91215.68410.4565.2280.000ms-1+阀口开度0.2 0 mm+阀口开度0.15mm阀口开度0.10 mm阀口并度0.0 8 mm310320入口温度/K563307出:不同工况下的油液流动趋势大致相同,仅最大速度有差异;相同开度下,阀口处的最大速度随人口油温升高而略有升高,这是因为高温使得油液黏度降低,故而流速增加。图1
17、1是阀中心截面最大速度随阀口开度的变化趋势图。可以看出:在相同阀口开度下,不同人口油温对最大速度的影响不大,3 40 K时比3 0 0 K时最多高6.69%;但不同阀口开度下最大速度的变化趋势很大,velocity53.05347.74842.44337.13731.83226.52721.22115.91610.8115.3050.000ms-1340Velocity,53.31847.98742.65537.32331.99126.69521.32715.99610.6645.33210.000ms-148.56343.16737.77132.37526.97921.58416.18810
18、.7925.3960.000ms-1(a)入口油温3 0 0 K(a)Inlet oil temperature 300 K(b)Inlet oil temperature 310 K(c)Inlet oil temperature 320 K(c)Inlet oil temperature 330 K(c)Inlet oil temperature 340 K82(b)入口油温3 10 K图7 0.2 0 mm阀口开度下中心截面的速度云图Fig.7 Velocity cloud of valve center section at 0.20 mm opening(c)入口油温3 2 0 K(
19、c)入口油温3 3 0 K(c)入口油温3 40 KHydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024Velocity,Velocity,71.05471.20263.94064.08156.96156.84348.73842.83236.57228.42221.31614.2117.10510.000ms-1Velocity72.20064.96057.78049.84150.54042.72143.32035.60138.10028.48129.58021.38321.68014.24014.4407.1207.220L0.0000.000ms-1ms-1Veloc
20、ity73.50168.15158.80151.46144.10138.75129.40022.00014.7007.3500.000ms-1Velocity74.26166.85356.42551.99744.58937.14126.71322.26414.8587.4280.000ms-1(a)入口油温3 0 0 K(a)Inlet oil temperature 300K(b)Inlet oil temperature 310K(c)Inlet oil temperature 320K(d)Inlet oil temperature 330K(e)Inlet oil temperatur
21、e 340KVelocity103.29092.98082.53072.50961.97951.64041.32030.99020.96010.3300.000ms-1(b)入口油温3 10 K图8 0.15mm阀口开度下中心截面的速度云图Fig.8Velocity cloud of valve center section at 0.15 mm openingVelocity104.88894.38083.88373.40762.02052.44341.94731.48020.97310.4870.000m:s-1(c)入口油温3 2 0 KVelocity107.09696.38080.6
22、7974.88964.25953.54042.38832.43321.42010.7100.000ms-1(d)入口油温3 3 0 KVelocity108.78897.80287.01578.13865.26154.38443.50732.83121.75410.5770.000ms-1(e)入口油温3 40 KVelocity110.10799.08888.08877.07566.06455.06344.04333.08222.02111.0110.000ms-1(a)入口油温3 0 0 K(a)Inlet oil temperature 300K(b)Inlet oil temperat
23、ure 310K(c)Inlet oil temperature 320K(d)Inlet oil temperature 330 K(e)Inlet oil temperature 340 KVelocity129.177118.259103.34190.42477.50664.58851.67138.75325.83612.9180.000ms-1(b)入口油温3 10 K图9 0.10 mm阀口开度下中心截面的速度云图Fig.9Velocity cloud of valve center section at 0.10 mm openingVelocity130.000117.57010
24、4.50791.44378.38065.31752.25339.19025.12713.0830.000ms-1(c)入口油温3 2 0 KVelocity132.619119.257106.61592.76379.61165.28053.00830.75820.60413.2520.000ms-1(d)入口油温3 3 0 KVelocity134.138120.723107.30898.80580.48267.05353.85440.24126.52713.4140.000m:sA-1(e)入口油温3 40 KVelocity134.887121.298107.80994.42180.982
25、67.44353.95540.46826.87713.4890.000ms-1(a)入口油温3 0 0 K(a)Inlet oil temperature 300K(b)Inlet oil temperature 310K(c)Inlet oil temperature 320K(d)Inlet oil temperature 330K(e)Inlet oiltemperature 340K140120100T.S.U/8060400.080.100.120.140.160.180.20/mm图11阀中心截面最大速度随阀口开度变化图Fig.11Variation of maximum velo
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