滑阀阀芯结构对液压阀性能的影响

近年来，越来越多的国内外学者对液压滑滑口处的流场进行了研究，采用流体计算学（CFD）方法，通过fluent软件对滑阀内流场进行可视化分析，得到固定开口下滑阀滑腔内流体的速度、湍能分布等结果，利用实验研究和理论推导，对阀内流场分布和能量损失进行研究^[5-7]。

1  CFD模型及解析假定

1.1 CFD分析模型

图1 常规滑阀模型

图2 改进滑阀模型

1.2 解析假设

（1）假设滑阀为理想液压滑阀，即阀芯与阀体配合精确；（2）选取液压油YA-N46为流动介质，其密度为860kg/m³，粘度为29mm²/s；（3）假设液体为理想牛顿液体；（4）模型中雷诺数Re为4689，远大于滑阀阀口处的临界雷诺数260，因此液体在滑阀内的流动状态主要为湍流，又因液体在阀内滑腔为圆柱曲面，故在fluent中采用标准k-?湍流模型。

2  仿真结果及分析

2.1 常规滑阀CFD分析

在阀口开度为1.6 mm时，通过FLUENT软件对不同流量进行了仿真计算，得到流量为20L/min、40L/min、60L/min时阀口及流道流场的速度、压力和湍能分布结果，以40L/min为例，其仿真结果如图3所示。

a）速度云图                       b）压力云图                  c）湍动能云图

图3常规滑阀对称面流场分布图

通过对以上常规滑阀阀口及流道流场中性面的速度云图、压力云图和湍动能云图分析可知：（1）在进油口，液体流速平稳，当液体流经阀口时，由于阀口节流收缩作用，流速增大，压力迅速降低，湍动能增大。（2）从图3 a）可以发现，液体流经阀口时，在阀座拐角和阀芯凹角处形成漩涡，结合图3 a）和图3 c），可以发现有漩涡产生的区域湍动能较大，说明漩涡的产生会造成能量损失，从而可能造成阀内局部压力过低而导致气穴的产生，从而产生噪声。

2.2 改进滑阀CFD分析

针对现有常规滑阀存在的不足，将阀芯凹角改为圆弧，通过FIUENT软件在相同条件下进行仿真计算，得到了流量分别为20L/min、40L/min、60L/min时，R为1 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2 mm时的流场仿真结果。文中仅给出40L/min，R为1.2 mm和2 mm的仿真结果，图4为速度矢量，图5为速度云图，图6为湍动能云图。

a)R=1.2mm                                   b)R=2mm

图4速度矢量

a)R=1.2mm          b)R=2mm 

图5速度云图  

a)R=1.2mm    b)R=2mm

图6湍动能云图  

图4和图5为滑阀中性对称面的速度矢量图和速度云图，与图3 a)速度云图对比可以发现，改进后阀芯凹角处旋涡强度减小，阀口处最大流速减小，可有效降低阀腔内的振动和噪声。比较图4和图5，可以发现，R为2 mm阀芯结构比R为1.2 mm阀芯结构能更有效地降低阀芯凹角处旋涡强度，减小阀口处液体流速。图6为滑阀中性对称面的湍能分布图，与图3c)对比可以发现，改进后最大湍动能减小，有效降低阀内能量损失。对比图6a)和图6 b)可以发现，R为2 mm比R为1.2 mm对减少湍动能的损失效果更明显。因此在相同条件下，入口流量一定时，阀芯凹角处旋涡强度随R的增大而减小。

表1为改进前后滑阀流体相关参数对比表，通过表1可以看出结构改进后的滑阀阀口流体流速减低，最大湍动能减小，能量损失降低，说明结构改进后滑阀性能提高了，结构改进具有合理性。

表1 滑阀流体相关参数

图7进一步改进结构图      

a）速度矢量图                   b）速度云图                c）湍动能云图

图8斜角加圆弧型滑阀对称面流场分布图

通过对图8的速度云图、压力云图、湍动能云图和图4b)、图5 b)、图6 b)的仿真结果对比，我们发现，斜角加圆弧型结构基本可以抑制阀芯凹角处的旋涡的产生，消除阀芯凹角处振动和噪声。同时阀内流体最大流速为23.01m/s，最大湍动能为63.11m²/s²，和圆弧型结构相比，更多的减小了阀口处流速差，减少了阀内能量损失。

3结论

对相同条件下的常规滑阀和改进后滑阀分别进行流道流场仿真分析，对比分析可知：改进后滑阀可有效抑制阀芯凹角处旋涡的产生，减少液流冲击，降低阀内振动和噪声，同时改进后滑阀可以减小阀口处流速差，减少阀内湍动能的损失，降低阀内能量损失，提高阀内能量利用率。

通过FLUENT对液压滑阀内部进行流场进行可视化分析，可以清楚反应出滑阀内部流场的分布情况，对提高滑阀性能和结构改进提供了有益的参考。

4说明

2）阀芯结构的改变，一方面改善流态，另一方面会提高阀芯的刚度。

3）对于外流式阀口，可以考虑改善阀体阀腔的结构形状，相信对提高阀的性能会有帮助。

参考文献（略）