基于Fluent的高精度液压滑阀泄漏量仿真分析.pdf

2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术阀、泵、管路是液压系统的重要组成部分，其中，液压阀负责改变油液的流量、方向和压力，实现液压系统的设计功能。滑阀因导向性好、阀口无冲击、体积小、安装方便等优点被广泛应用1。滑阀故障形式大多是在阀芯滑动过程中，由于油液中的杂质导致阀芯卡紧，以及磨损后间隙泄漏等。针对阀芯卡紧问题，在合理的配合间隙下，通过在制造阀芯过程中，沿圆周方向加工均压槽的方法来解决2；而针对泄漏问题，采用在滑阀阀芯开引流孔减少外泄漏，该方法至今尚未广泛应用。本文借助 Fluent 软件分析高精度液压滑阀的工况后，对流体模型进行泄漏量仿真分析。1滑阀理论分析1.1理论计算分析液压滑阀的阀芯为间隙密封，滑阀泄漏一般发生在阀芯和阀体的配合间隙处，属于环形间隙泄漏3。分析油液泄漏时首先要判断流体的流动状态。以雷诺数作为判断流体是层流还是紊流的依据5，物理表示为流体惯性力和粘性力的相对大小，若流体为层流状态，则它的雷诺数小于临界值，反之视为紊流流动。本文研究的液压滑阀用环形间隙中流体流动的雷诺数远小于临界值。因此，液压滑阀阀体和阀芯壁面间隙内的液流流动状态为层流流动。泄漏是指油液通过间隙流出内腔，出现泄漏主要有两种原因，一是因为内、外腔存在压差，油液通过间隙从高压区流向低压区；二是由阀芯移动带动油液流动，在压差的作用下，形成剪切-压差流。本文中，阀芯相对运动较小，阀体整体固定不动，出现第二种状态的可能性小，故本文研究阀体、阀芯无相对运动情况下由压差产生的压差泄漏问题。液压油在缝隙处的泄漏可以等效为同心圆环缝隙流动6，在只考虑压差流动的情况下，其泄漏量为：1.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，辽宁沈阳110000；2.沈阳理工大学机械工程学院教授，辽宁沈阳110000；3.航空工业宜宾三江机械有限责任公司高级工程师，四川宜宾644007基于 Fluent 的高精度液压滑阀泄漏量仿真分析吴奕兵1，舒启林2，熊利3，曹红涛3摘要：以高精度滑阀为研究对象，由数学模型确定滑阀的间隙高度、阀芯直径等因素对滑阀泄漏量的影响。采取正交试验法用 Fluent 仿真软件进行流体仿真计算。结合仿真数据，运用极差分析法得出泄漏量影响因素的主次顺序，为高精度滑阀的设计和加工提供依据。关键词：高精度滑阀；Fluent 仿真；正交试验；极差分析法中图分类号：TH137.52文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0007-03Simulation Analysis of Leakage of High-precision Hydraulic Slide Valve Based on FluentWu Yibing,Shu Qilin,Xiong Li,Cao HongtaoAbstract:This paper carries out the research on the high-precision slide valve to study the influence of the clearance heightof the slide valve,the diameter of the valve core and other factors on the leakage of the slide valve by using the mathematicalmodel.Fluid simulation calculation is carried out with Fluent by using orthogonal test method.Sequence of influence factorsis obtained by using range analysis method in combination with the simulation data,which provides basis for design andprocessing of the high-precision slide valve.Key words:High precision slide valve；Fluent simulation；orthogonal test；range analysis10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.00724CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 2滑阀装配后的三维模型图 3滑阀简化后的流体模型Q=仔驻Pd R-r蓸蔀312滋L（1+32着2）（1）式中：着偏心率，着=eR-r蓸蔀；e偏心量，滋液压油液粘度系数（Pa.S）；L间隙密封长度（mm）；驻P滑阀进出口压差（MPa）；d阀芯直径（mm）；R-r蓸蔀密封间隙的高度（mm）。1.2工作原理滑阀工作时，通过阀芯移动接通或切断油路。经过长期使用，阀芯表面会产生磨损，导致泄漏量增加，能量损失增大，降低系统的容积效率，影响执行机构正常工作和运动速度，甚至影响液压系统的性能7。对滑阀进行泄漏量仿真和试验，需将出口堵住，通入 28 MPa 主系统压力，同时在系统回油口保持 0.3 MPa 压力，在供压系统的右侧检测加压后的泄漏量（见图 1）。2仿真模型的建立2.1三维模型的建立笔者用用 Solidworks 建立三维模型（见图2）8。用软件中的插件 Flow Simulation 创建流体分析模型（见图 3）。由于滑阀的间隙高度较小（以 滋m 为单位），而间隙长度（以 mm 为单位）与间隙高度相比，差值较大，需要对流体模型进行优化，以保证计算精度。图 1滑阀工作原理2.2划分网格在完成边界条件的定义后，为了保证计算精度，用四面体单元划分网格，将间隙部分网格尺寸划分到 0.02 mm，其他流域网格尺寸划分到 0.1mm。2.3流体参数和边界条件设置按照实际工况，将模型的流体参数设置为液压油参数，并按照图 1 对模型的出、入口进行压力条件的设定。滑阀的主系统供压为 28 MPa，在进行泄漏量仿真试验时，需将滑阀的供压出口堵住，并在阀芯的内孔处设 0.3 MPa 的回油压力。3仿真结果3.1正交试验法正交试验设计法是统计数学的重要分支，它是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表安排试验方案，并对试验结果进行计算分析，以达到减少试验次数，缩短试验周期，迅速找到优化方案的一种科学计算方法，是产品设计和质量管理的重要工具和方法9。影响液压滑阀泄漏量的因素很多，主要包括密封长度、进出口压差、间隙高度及阀芯直径等，此外，还包括阀芯阀孔表面粗糙度、由温度和压力引252023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术试验序号密封长度（mm）进口压力（MPa）间隙高度（滋m）阀芯直径（mm）泄漏量（ml/min）111111.22212221.983133319.5421231.145223114.1623120.377313214.59832130.25933210.11K122.7216.951.8515.45-K215.6516.363.2316.75-K314.9520.0048.2420.92-k17.575.650.625.15-k25.225.451.085.58-k3R4.982.596.671.0116.0815.466.971.82-起的液压油粘性变化及形位公差等。这些因素相互作用，使得对滑阀泄漏的仿真和试验分析变得复杂。为了能够在客观分析的基础上减少工作量，笔者采用正交试验设计法开展滑阀泄漏量的仿真试验。笔者选取密封长度、进出口压差、间隙高度及阀芯直径四个因素为试验对象，四个因素均为三水平。得到滑阀泄漏量的影响因素及其参数设置（见表 1）根据上表所确定的水平因素，对一个四因素三水平的全面试验需做 81 次，笔者采用 L934蓸蔀正交表安排仿真试验，只需要做 9 次。3.2分析仿真试验结果根据正交表对模型进行参数设置，得到仿真试验结果后进行数据分析（见表 2）。3.3结果分析由于本文试验安排是均衡搭配，通过对试验结果的计算分析就可以比较各影响因素的不同水平对泄漏量的影响。对正交试验结果的分析常采用两种方法：极差分析法和方差分析法。极差分析法是通过每个因素各水平试验结果的平均值，根据比较极差来确定主次因素，该方法简单易懂，能够直观描述因素水平的最优组合；方差分析法将因素水平（或交互作用）的变化所引起的试验结果间的差异和由误差波动引起试验结果间的差异区分开来，是在因素之间具有交互作用时使用，并附有交互作用列表。本次仿真正交试验中因素之间相互作用性较小，所以采用极差分析法。通过极差分析，对比极差 R 的大小，可以判断这四因素对泄漏量的影响主次关系。通过对比发现，滑阀间隙高度对泄漏量影响最大，密封长度、进口压力、阀芯直径均不同程度对泄漏量产生影响。由仿真结果得到最佳的滑阀参数组合为密封长度最大，其他三个影响因素均为最小时，滑阀的泄漏量最小。笔者以各因素水平为横坐标，各因素水平对应泄漏量的平均值为纵坐标，绘制各因素水平对滑阀泄漏量的影响趋势图（见图 4）。由图可知，随着密封长度增加，滑阀的泄漏量逐渐减小，而进口压力对泄漏量的影响整体呈现非单调递增的上升趋势，原因是，随着进口压力的增加，流场内部会出现局部湍流，流体在间隙中的消耗增大，导致泄漏量减少，而当压力继续增大，使圆环缝隙流动以湍流为主时，泄漏量增大。间隙高度和阀芯直径对泄漏量的影响均为单调递增，间隙高度对泄漏量的影响最大。4结语本文在分析滑阀的故障形式及建立泄漏量数学模型的基础上，依据数学模型中的参数，初步确定滑阀泄漏量的四因素三水平，并通表 1正交试验水平因素密封长度（mm）进口压力（MPa）间隙高度（滋m）阀芯直径（mm）1122212.7101225412.71513281012.720表 2仿真正交试验极差分析表图 4仿真因素对滑阀泄漏量影响趋势图（下转第 23 页）26CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY过正交表安排仿真试验方案，用Fluent 流体仿真软件进行计算。对计算结果进行极差分析，得到滑阀泄漏量影响因素的最佳搭配方案，滑阀的间隙高度对泄漏量影响最大，间隙越小，泄漏量越小；阀芯直径与泄漏量呈正比；而进口压力受流体流动状态的影响，随着进口压力增大，泄漏量呈现先减后增的趋势；密封长度与泄漏量为反比关系，密封长度越长，泄漏量越小。计算得到使本文滑阀泄漏量最小的方案为：密封长度 13 mm；进口压力 25 MPa；间隙高度最小 2滋m；阀芯直径 12.710 mm。参考文献1 梁海琴,施炜炜,于丰瑞,张鑫睿.液压滑阀卡滞与可靠性分析研究J.机床与液压,2022,50(09):149-154.2 宋飞,陈佳,彭利坤,刘杰.液压滑阀内泄漏试验研究 J.流体机械,2021,49(07):1-6;28.3 张波.液压滑阀泄漏特性分析及结构优化 D.重庆理工大学,2021.4 智慧,张健.液压滑阀阀芯结构对流场的影响 J.包装工程,2020,41(03):1001-3563.图 2中性盐电解酸洗技术的仿真模型图 3钢带上的电流密度分布情况（A/m2）长 5 m、宽 2 m、厚 0.4 m（见图 2）。2.2数学模型计算电解过程时采用如下几项假设：（1）电流全部通过两电极且外壳不漏电；（2）不考虑气泡及阴、阳极对温度场的干扰，槽内组分均匀稳定；（3）以电解槽的稳定状态进行研究7。稳态条件下导电介质液相和电子导电固相的物理方程为：塄 il=iv,total,il=-滓l,eff塄覫l（6）塄 is=iv,total,is=-滓s塄覫s（7）式中：覫电势（V）；i电流密度（A/m2）；iv,total有效导电介质导电率（S/m）；滓s电子导电固相的导电率（S/m）。在稳态情况下，结合质量守恒定律、能斯特-普朗克定律和法拉第定律得到式（6）和（7）的前半部分，并应用于导电介质、电极（阳极-阴极）和钢带中。式（6）和（7）的后半部分为采用微分形式表示的欧姆定律。进一步推导得到电极（阳极-阴极）和带材表面上的电流边界条件。导电介质、电极和钢带中电位的初始电势为：覫s=Vs0,覫l=Vl0（8）2.3计算结果由仿真结果可知，阳电极中间位置对应钢带的电流密度最小，阳电极和阴电极之间区域对应钢带的电流密度最大（见图 3），与实际完全相同。3结语本文通过对中性盐电解酸洗法的基本原理进行详细论述，在此基础上建立仿真物理模型和数学模型，计算得到的电流密度与实际规律相符，证明本文开发模型的适用性，通过优化可用于评估工业电解酸洗生产线的工艺。参考文献1 张颖,李慎松.国外不锈钢酸洗技术 J.金属制品,2012,38(1):21-292 陈天宝.不锈钢表面处理应用技术简介 J.材料保护,2002,1:62-643 曹妙康.不锈钢板带中性盐电解酸洗除鳞工艺 J.上海金属,1998,20(5):39-47.4 张蒙.宝钢不锈带钢酸洗工艺及废水处理 J.江西冶金,2014,34(3):36-39.5 武韶宁.冷轧不锈钢板带中性盐电解酸洗除鳞生产工艺 J.太钢科技,2001,2:18-22.6 Hild佴n JMK,Virtanen JVA,Ruoppa RLK.Mechanism of electrolyticpickling of stainless steels in a neutral sodium sulphate solution J.Materials and Corrosion,2000,51:728-739.7 董云芳,冯猛,刘中兴,等.稀土电解槽内双电层原温度场耦合数值模拟 J,稀土,2019,40(2):88-94.收稿日期：2023-02-061、3、4阴极；2不锈钢带；5导电介质（上接第 26 页）（下转第 65 页）23CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY心业务能力和市场竞争力，灵活应对市场变化。（3）打造生态化产业体系具有核心能力的模块化企业是具有异质性核心竞争优势的价值创造单元，也就是分工体系的一个价值节点。企业要想保持核心竞争优势，必须在市场上难以被其他企业复制，但自身可以进行自我复制，通过复制，企业可以将自己同时嵌入多个价值创造过程，通过联盟的方式实现价值创造能力的延伸和拓展。从区域化到全球化、从一体化到模块化，企业以开放式的运营模式和专业化的核心能力，基于虚拟化平台运作方式和运行机制的建立，发展成庞大的产业集群，实现无边界的生态化产业体系。5结语本文分析企业边界产生的原因，指出组织边界、经营边界和资源边界对企业发展形成的阻碍。企业必须通过创新打破这些阻碍，以创新突破企业的边界。在数字化时代下，信息传递的边际成本降低，市场环境复杂多变，万事万物连接性更强，都为企业创新提供基石；企业必须通过创新经营模式，重塑核心能力，打造生态化产业体系，突破传统发展模式下的边界，适应数字化时代的市场环境，实现无边界、可持续的发展。参考文献1 陈小勇.无边界化重构：回归企业发展本质 M.北京：社会科学文献出版社，2020:51-80.2 张其亮，王韦玮.无边界企业：数字时代下的平台化转型 M.北京：中国科学技术出版社，2022:121-125.3 托马斯 西贝尔.认识数字化转型 M.北京：机械工业出版社，2021：39.4（法）埃里克 谢弗尔，（美）大卫 索维.产品再造：数字时代的制造业转型与价值创造 M.上海：上海交通大学出版社，2019：66-67.收稿日期：2023-02-21表 3表面粗糙度检测值表检测角度（毅）第一组（滋m）第二组（滋m）第三组（滋m）第四组（滋m）第五组（滋m）00.3140.2900.6070.4130.362900.3410.3020.4110.4480.359450.2770.2860.3320.4100.411-450.3030.3260.6080.3910.361平均值0.3080.3030.4890.4150.373转速和进给量对 TC4 加工表面粗糙度的影响较大，在铣削 TC4 时，当铣削深度 0.1 mm，转速 796 r/min、进给量 300 mm/min、铣削速度 30 m/min 时，TC4 表面粗糙度为 0.303 滋m，铣削效果最好。采用涂层铣刀加工 TC4 表面时，影响表面粗糙度的主要因素是进给量。参考文献1 纪煦,朱玮瑜,付宏鸽,孙青杰,李瑜庆.基于曲面响应法的 TC4 铣削加工表面粗糙度研究 J.北华航天工业学院学报,2022,32(04):11-13；20.2 安熠蔚.TC4 钛合金增材成形件的铣削加工试验研究 D.陕西理工大学,2021.DOI:10.27733/ki.gsxlg.2021.000101.3 胡伟楠.钛合金 TC4 高速切削加工性试验研究 D.沈阳理工大学,2020.DOI:10.27323/ki.gsgyc.2020.000355.4 朱远志,李豪杰,彭欢.不同加工方式对 TC4 钛合金组织与力学性能的影响 J.华中师范大学学报(自然科学版),2019,53(04):503-508；523.DOI:10.19603/ki.1000-1190.2019.04.008.5 康宁.TC4 钛合金加工的铣削力建模及加工工艺研究 D.东北大学,2019.DOI:10.27007/ki.gdbeu.2019.001291.收稿日期：2023-01-03(上接第 39 页)5 何毓明,彭利坤,宋飞.基于 AMESim 的液压滑阀中位内泄漏仿真研究 J.液压与气动,2018(05):74-80.6 陈大为.液压滑阀卡紧、泄漏仿真和试验研究 D.山东大学,2015.7 荣刚.液压滑阀内部结构变形与流量泄漏研究 D.浙江大学,2015.8 符炳腾.Solidworks 软件与机械制图学习创新融合研究 J.内燃机与配件,2022(12):118-120.9 张恒,廖瑶瑶,廉自生.基于正交试验设计的比例方向阀响应时间优化 J.机床与液压,2022,50(10):31-35.收稿日期：2022-11-23（上接第 23 页）65