三通球阀式高速开关阀稳态液动力分析与结构改进_李雨铮.pdf

机械工程DOI:10.15961/j.jsuese.202101054三通球阀式高速开关阀稳态液动力分析与结构改进李雨铮1,2，王年生1,2，包振坤1,2，黄惠1,2，杜锦涛1,2，杜恒1,2，丁建军3(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108；2.流体动力与电液智能控制福建省高校重点实验室，福建 福州 350108；3.上海衡拓液压控制技术有限公司，上海 201612)摘要：对于微小型高速开关阀，大流量和高频响都会增大阀芯所受的液动力进而影响其运动状态，因此，对液动力进行分析与补偿是提升高速开关阀性能的关键因素之一。为了解决球阀式高速开关阀在高频启闭状态下流场结构复杂导致传统的稳态液动力理论计算公式已不适用的问题，基于CFD数值计算方法对液动力进行研究。首先，利用COMSOL软件建立阀内流场流体域的几何模型；随后，选用弱可压缩流体、标准k湍流模型并运用动网格技术，得到流体域的压力和流线分布图、流量曲线以及不同阀口开度下阀球和阀芯的稳态液动力变化曲线；最后，为了补偿阀口启闭过程中所减小的稳态液动力，根据不同的阀口结构参数与阀芯受力及阀口启闭时间之间的变化关系，对阀口结构进行优化并确定最优参数。结果表明：进油孔阀球所受的稳态液动力会随着阀口的开启产生先减小后增大的现象，但由于进油孔阀球的稳态液动力相比于回油孔阀球较小，故阀芯上的稳态液动力变化与回油孔阀球上的稳态液动力变化近似；适当减小阀球推杆直径及将靠近阀口的流道改成渐扩型流道能够有效地补偿启闭过程中所减小的稳态液动力，改进后的最优结构相较于原结构的一个周期启闭时间从1.047 ms下降到0.714 ms，稳态液动力补偿效果明显。关键词：高速开关阀；球阀；液动力；CFD；补偿中图分类号：TH137.52文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0298-09Steady-state Flow Force Analysis and Structure Improvement of Three-wayBall Valve High-speed Onoff ValveLI Yuzheng1,2，WANG Niansheng1,2，BAO Zhenkun1,2，HUANG Hui1,2，DU Jintao1,2，DU Heng1,2，DING Jianjun3(1.School of Mechanical Eng.and Automation,Fuzhou Univ.,Fuzhou 350108,China;2.Key Lab.of Fluid Power and Intelligent ElectroHydraulic Control,Fuzhou 350108,China;3.Shanghai Hunter Hydraulic Control Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201612,China)Abstract:For micro-small high-speed on-off valves,large flow and high-frequency response increase the flow force of the spool and affect itsmotion state.Therefore,analysis and compensation of the flow force are the key factors to improve the performance of the valve.To solve theproblem that the traditional steady-state flow force theory calculation formula is not applicable due to the complex flow field structure of the ballvalve high-speed on-off valve in high-frequency opening and closing state,the CFD method was used to study the flow force.Firstly,COMSOLsoftware was utilized to establish the geometric model of the fluid field.Then,the pressure and streamline distribution diagram,flow curves,andsteady-state flow force curves of the valve ball and spool under different valve openings were obtained by using the weakly compressible fluidand standard k turbulence model and dynamic grid technology.Finally,to compensate for the reduced steady-state flow force,the valve portstructure was optimized and the optimal parameters were determined according to the relationship between different valve port structure paramet-ers and the force of the valve core,and the opening and closing time of the valve port.The results showed that the steady-state flow force of thevalve ball in the oil inlet hole would decrease first and then increase with the opening of the valve port,but the steady-state flow force of the valve收稿日期:2021 10 18基金项目:国家重点研发计划项目（2019YFB2005103）；国家科技重大专项（2017V00150067）作者简介:李雨铮（1991），男，副教授，博士.研究方向：流体传动与电液智能控制.E-mail：网络出版时间:2023 01 16 13:37:58 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023ball in the oil inlet hole was smaller than that of the valve ball in the oil return hole,so the steady-state flow force change on the spool was similarto that on the valve ball in the oil return hole.Reducing the diameter of the push rod and changing the flow channel into a gradually expandingflow channel could effectively compensate for the reduced steady-state flow force.Compared with the original structure,the opening and closingtime of the improved optimal structure decreased from 1.047 ms to 0.714 ms,and the steady-state flow force compensation effect was obvious.Key words:high-speed onoff valve;ball valve;flow force;CFD;compensation 当前，高速开关阀广泛应用于航空发动机燃油调节器1、石油钻井设备2等领域。由于高速开关阀应用在极端工作环境，对其性能提出了极高要求，即不仅要保证高速开关阀具有极高的频响特性，还需要在极为狭小的工作空间具备高通流能力。目前所研制的微小型高速开关阀的流量和频响是制约其工程应用的重要因素，而大流量和高频响都会增大阀芯所受的液动力，从而进一步影响阀芯运动状态3。因此，调控液动力是提升高速开关阀性能的关键因素。国内外许多学者对液动力进行了分析研究，Iwan等4探究了液动力对阀性能的影响，发现液动力与阀的动态特性紧密相关。Bordovsky等5研究了几种不同的滑阀结构的液动力，发现带圆柱槽滑阀的稳态液动力明显低于其他滑阀。Tan等6探究了不同阀口形态对内流式锥阀液动力的影响，发现阀口形态的变化会使阀芯所受液动力的方向和大小都发生改变。Finesso等7对锥阀的流场特性进行了研究，发现其液动力主要受导流板高度的影响。杨庆俊等8讨论了阀口开度和压差对滑阀稳态液动力的影响，并建立了结构参数与稳态液动力的映射关系。Amir-ante等9发现换向阀在开启过程中，液动力方向由趋于阀口开启的方向转为趋于阀口关闭的方向。Han等10分析了锥阀的几何参数和背压对液动力的影响，发现背压可以抑制阀内的空化现象但对稳态液动力影响不大。张友杰等11在阀芯上加工环形槽以补偿液动力，并分析了其结构参数对其补偿特性的影响。Liu12和Tan13等在阀芯上增加阻尼尾结构来对稳态液动力进行补偿，并分析得出最优补偿结构。Li等14通过在滑阀阀芯上开设三角槽结构对稳态液动力进行补偿，并分析了改进型阀芯结构参数对稳态液动力的补偿特性的影响规律。Amirante15和Chen16等提出了一种新型的阀芯轮廓，通过改进流场分布情况，减少对阀芯壁面的冲击来补偿减小的液动力。Qu17和Aung18等通过改变阀槽进出口角度的方法对稳态液动力进行了补偿。Lisowski等1920在阀体内增设补偿流道，通过改变换向阀进出口角度减小阀芯上的液压力。Zhang等21设计了一种带有阻尼孔的阀套结构来减小阀芯上的液动力。以上均是关于锥阀和滑阀的稳态液动力分析及补偿方法的研究，其中，当以电磁阀为研究对象时，其频响都低于200 Hz，目前仍缺乏对于频响高于500 Hz、额定流量为2.5 L/min的微小型球阀式高速开关阀液动力分析和补偿方法的研究。微小型球阀式高速开关阀由于尺寸的限制及液动力的影响，通常只能制成通径较小的阀用于流量较小的系统，且液动力会延长阀口的启闭时间进而影响高速开关阀的输出特性。因此，补偿液动力对提升微小型球阀式高速开关阀的性能十分重要。本文所研究的高速开关阀频响高、尺寸小，其阀球直径仅为2.4 mm，目前利用实验方法测量其液动力有很大难度。因此，可以利用CFD方法准确研究液动力特性22。本文利用CFD方法对最高频响大于500 Hz、额定流量为2.5 L/min的微小型球阀式高速开关阀的液动力特性进行研究，通过优化阀口结构对启闭过程中所减小的稳态液动力进行补偿，为微小型球阀式高速开关阀的优化设计提供了思路。1 液动力计算dadbdcp1p2稳态液动力是指开口一定时，流经阀口的液流截面积及方向的改变而引起液流速度的改变，从而导致液流动量的变化而产生的液动力。控制体的选取如图1所示，图1中，为阀球直径，为中间销直径，为中间销处孔径，为入口压力，为阀口后压力。基于动量定理可得传统球阀稳态液动力为：FS=q(