节流阀双U阀槽二次结构优化后特性分析_周知进.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 03 24基金项目:国家自然科学基金资助项目(51479073);贵州省科学技术基金重点项目(黔科合基础 2018 1407)作者简介:周知进(1969 )，男，湖南娄底人，教授，主要从事液压系统设计与控制方面的研究。E-mail:20140590 git edu cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 013节流阀双 U 阀槽二次结构优化后特性分析*周知进1，2，李松波2，罗先聪2(1 贵州理工学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550003;2 江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)摘要:在节流阀工作过程中，节流槽的结构形式影响节流阀阀芯温度与变形，进而影响阀芯的卡滞。通过对阀芯节流槽处结构进行优化，降低阀芯上的最高温度和最大变形量具有重要意义。为此，将呈线性接触的阀槽结构优化成小圆角接触的阀槽结构，并对优化后阀槽处最高温度与最大变形进行研究。首先，介绍了节流阀的结构，并对节流槽口结构圆角半径进行了优化;然后，采用数值仿真方法建立了节流阀三维模型，导入了有限元分析软件 Workbench 模块，定义了参数与边界，划分了网格，并对节流阀槽口圆角半径、不同阀口开度、压差对阀芯处最高温度与最大变形量影响进行了分析;最后，分析了圆角半径、阀口开度、阀口压差对阀槽温度与变形量的影响。研究结果表明:当圆角半径优化值为 2 mm 时，其阀芯上最高温度与最大变形量均处于极小值;当阀口开度为4 mm时，节流槽结构经二次优化后，阀芯上最高温度与最大变形量均有明显的降低;当阀口开度为 6 mm 时，阀芯上最高温度与最大变形量也有减小，且随着压差增大，其优化效果越好。节流槽阀芯圆角优化对降低第二节节流槽棱角处的最高温度与最大变形量均有较好效果，该结论可以为优化节流阀槽结构，降低阀芯最高温度与最大变形量提供参考。关键词:流量控制阀;节流槽结构;阀芯圆角;阀芯最高温度;阀芯最大变形量;阀口开度;阀口压差中图分类号:TH137 52文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0252 06Characteristic analysis on throttle valve after secondary structureoptimization of double U grooveZHOU Zhi-jin1，2，LI Song-bo2，LUO Xian-cong2(1 School of Mechanical Engineering，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China;2 Mechanicaland Electrical Engineering College，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)Abstract:During the working process of the throttle valve，the structure of the throttle groove affects the temperature and deformation of thethrottle valve core，which in turn affects the sticking of the valve core It is of great significance to reduce the maximum temperature andmaximum deformation on the valve core by optimizing the structure at the valve core throttle groove Therefore，the valve groove structure withlinear contact was optimized into a valve groove structure with small fillet contact，and the maximum temperature and maximum deformation atthe optimized valve groove were studied Firstly，the structure of the throttle valve was introduced，and the radius of the fillet of the throttlenotch structure was optimized Then，the influences of fillet radius，valve opening，and valve pressure difference on the valve groovetemperature and deformation were analyzed Finally，the influences of the throttle valve notch fillet radius，different valve openings，anddifferential pressure on the maximum temperature and maximum deformation at the valve core were analyzed The research results show thatwhen the optimal value of the fillet radius is 2 mm，the maximum temperature and the maximum deformation on the valve core are both at aminimum value;when the valve opening is 4 mm，the throttling groove structure after the secondary optimization has a negative effect on thevalve core The maximum temperature and maximum deformation are significantly reduced;when the valve opening is 6 mm，the maximumtemperature and maximum deformation on the valve core also decreased，and as the pressure difference increased，the optimization effect isbetter It shows that the optimization of throttle groove spool fillet has a good effect on reducing the maximum temperature and maximumdeformation at the corner of the second throttle groove，which provides a design basis for optimizing the throttle groove structure and reducingthe maximum temperature and maximum deformation of the spoolKey words:flow control valve;throttling groove structure;valve core fillet;valve core maximum temperature;valve core maximumdeformation;valve opening;valve pressure0引言节流阀作为液压传动和控制技术中的基础元件之一，具有密封性能好、过流能力强、响应速度快等众多优点1，在人类工业生产生活中得到了广泛应用。节流阀通过改变节流口的液阻大小来控制节流口的流量。节流槽是节流阀的关键部位，节流口的形状在很大程度上决定着节流阀的节流性能2。节流阀阀槽在工作过程中影响流场变化与结构变形，进而影响阀芯卡滞。易迪升等人3 对系统调节性能受三角槽形节流阀口结构参数的影响情况进行了分析研究，通过对不同节流槽进行优化，验证了所研发的节流槽优化设计软件的有效性。王安麟等人4 针对多路换向阀换向过程中的多阀口节流耦合作用问题，提出了一种多路换向阀耦合节流槽结构设计方法，该方法以圆型、U 型以及半圆型 3 种基本节流拓扑结构的参数作为设计变量。李维嘉等人5 利用粒子群优化了算法，得到了满足定压差条件下阀口开度流量特性要求的节流槽优化尺寸，并通过实例验证了其优化结果。毕长飞6 采用AMESim 软件对节流阀口形状改变时系统的动态特性进行了研究，并为液压自动制动系统流控阀节流阀口选取了三角槽形，根据分析结果得出了结论，即系统的调节性受节流阀口三角槽的深度和宽度影响较小，且随节流阀口三角槽长度的增加，系统的调节性能得到了明显改善。张鑫等人7 研究了节流槽数量、阀口压差对阀腔内流体速度场、阀芯温度场及阀芯应变场动态特性的影响，并得出了结论，即随着阀口压差的增加，流体的最大流速以及阀芯的最高温度和最大变形增大。张健等人8 基于 ADINA 软件的流固耦合模块，对 3 种阀芯情况下，阀体内流道的压力分布和流场情况进行了仿真研究，并得出了结论，即节流阀的内流道压力在经过阀口后迅速降低，在阀口的边缘位置有内流道中的最小值。谢海波等人9 对阀芯所受液动力进行了数值求解，并对液压阀的压降曲线进行了比较，为液压阀的结构优化提供了指导。张俊俊等人10 对液压滑阀阀芯卡紧力进行了数值模拟研究，并根据研究结果，得到了均压槽合理的结构尺寸。晏静江等人11 计算了 U 型节流阀在不同工作压力下，不同节流槽口的宽度和深度，以及不同开度的速度场和阀芯表面温度场。晏静江等人12 对 U 形节流阀的速度场以及油液黏性热效应进行了计算流体力学解析，得出了阀芯的温度场分布。袁王博等人13 研究了 U 形节流槽的滑阀阀芯热变形，该研究结果可以为阀芯的热变形研究提供借鉴。CHEN Qi 等人14 基于 MATLAB-AMESim-FLUENT 联合仿真方法，对滑阀的流量进行了研究，对其结构进行了优化。YANG Ye 等人15 采用计算流体动力学(CFD)和实验研究的方法，阐明了凹槽形状对流动特性的影响;并采用 NG k-湍流模型，模拟了 3 个槽口及其典型结构槽内流场的压力分布，分析了限制位置随开口的变化规律，进而计算出了槽口的流场面积;通过将计算结果与实验数据进行比较，证明了所采用模型的准确性。YOON W 等人16 研究了可调面积节流阀的流量测量与仪表流量控制的特性。孙后环等人17 采用 CFD 软件对 V-U 及 U-U 型节流槽及其阀内流动进行了仿真分析，并通过实验获得了可以反映节流槽阀口阻尼特性的流量系数，及其随阀口开度变化的规律。HUANG Jia-wu 等人18 使用CFD 分析了阀门节流槽口的流动特性，模拟了不同工况下的流量、流量系数、流出角、流动力的流动特性，并分析了槽口形状和数量对其的影响。以上学者针对多种节流阀阀口结构进行了优化设计，得出了阀口在不同开度、压差等工况下，流场特性、温度场特性及阀芯应变场的特性，研究了阀口参数对阀芯处温度与应力变形的影响。但是，上述研究并没有对双节节流阀槽结构分开进行研究，且针对的研究对象是阀槽接合面呈线性接触的结