刘杰
天津理工大学机械工程学院
摘要：液动力是设计、分析液压控制阀及液压系统考虑的重要因素之一。文中采用理论推导与CFD结合的方法，利用流体分析软件FLUENT进行不同开口度下的仿真实验，仿真研究了不同开口度以及不同边界条件的滑阀阀内的流场，分析了出口节流滑阀阀芯所受的最大液动力，并提出了优化方法。所进行的研究工作对于系统建模分析和滑液动力的补偿研究提供了依据。网络课堂系统
关键词：FLUENT 最大液动力 优化设计
The Research of Flow Force of Sliding Valve and Structural Analysis Based on FLUENT
图1-1滑阀结构示意图
液压滑阀是流体传动与控制技术中非常重要的基础元件, 其作用是控制流体的流量及流动方向，对滑阀的受力和工作过程进行深入的研究就显得十分必要。液压滑阀依靠圆柱形阀芯在阀体或阀套的密封面上作轴向移动而打开或关闭阀口，从而控制流体流向，常用于液压装置中，使运动机构获得预定方向和行程的动作或者实现自动连续运转。它的特性为易于实现径向力的平衡，因而换向时所需的操作力小，易于实现多通路控制；工作可靠；制作简单。液动力的计算在液压阀的受力分析中最为关键。进行液压阀的设计、分析和试验时，必须对其工作过程中的力学特性有透彻的了解，其中最基本的就是对阀芯受力(液压力、弹簧力、稳态瞬态液动力、摩擦力、惯性力等)的定性分析和定量计算。在液压阀阀芯受到的所有力中，最难准确计算的就是液动力。液动力是影响液压阀性能的关键因素之一, 不仅决定换向阻力也影响阀的精确控制。液动力对液压系统的性能影响很大，它不仅是设计控制阀所必须考虑的重要因素，而且其方程还是分析液压系统特性的基本方程之一。尤其是在设计、分析和试验大流量液压控制阀时由于其阀芯液动力很大，液动力对阀及整个液压系统的性能影响更大。对阀芯液动力的准确计算和有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统操作舒适性、可靠性、安全性及节能的关键环节之一。作用在液压滑阀上的压力、弹簧力等都是可控的、可预知的，而液动力则随阀的开口的大小、通过流量的大小等变化。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力，所谓的稳态液动力是指滑阀开口一定（稳定流动）时，由于流经阀腔和阀口的液流截面积及方向的改变（如图1-1）而引起的液流速度的改变，导致液流动量的变化而产生的液动力。稳态液动力又可称为动反力，它可分解为轴向分力和侧向分力。由于一般将阀体的油腔对称的设置在阀芯的周围，因此沿阀芯周围的侧向分力相互抵消了。当流量较大时，稳态液动力会较大，对伺服阀和比例阀的操控有较大的影响，会出现液动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况，因此，减小工作时换向阀的最大稳态液动力一直是国内外液压工作者关注的问题。
1.阀芯所受最大液动力的理论推导
图1-2液压系统示意图
图1-2为液压系统示意图，首先阐述一下滑阀的工作原理：滑阀在工作时，阀芯由闭合逐渐开启过程中，由于溢流阀的调定压力的作用会出现两个工况——恒压过程、恒流过程。恒压工况的特点：系统压强不变，通过溢流阀的流量随开口的增大而增大。恒流工况的特点：通过溢流阀溢流的流量增大，系统的压强随着开口的增大而逐渐减小。在这个过程中，最大液动力出现的位置是在恒压工况与恒流工况转换的时候。1.1恒压过程
在图1-2中，阀芯由闭合到逐渐开启过程中，当滑阀开口很小时，泵排出的部分液体通过溢流阀溢出，系统近似为一个恒压系统，通过滑阀开口的流量Q随着开口x而改变。阀芯受到的稳态液动力Fs 的通用表达式及为
（1）
其中 为流出阀口的速度 ,为流体的密度，q为通过圆柱滑阀阀口的流量，为液流角负号表示稳态液动力的方向与相反。
= （2）
其中为速度系数，一般=0.95～0.98为流通过圆柱滑阀阀口的压力损失。
（3）
segg为滑阀开口周长，又称过流面积梯度 对于理想滑阀， 为滑阀的开度、 为阀芯直径。所以上式又可写成防盗门报警器
（ ） （ ）
考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数可取为常数，且令液动力系数 = 常数，则上式又可写为
= （ ）
当压差一定时，由上式可知，稳态液动力与阀口开度 成正比。所以由闭合到开启的初始阶段阀芯所受到得液动力是线性增加的，
1.2恒流过程
钛合金热处理
图1-3 稳态液动力随开口的变化
当阀口开大到一定程度后泵排出的液体不再通过溢流阀溢出，系统成为一个恒流量系统，即通过滑阀开口的流量基本上保持不变，但流速随开口增大而减小。液动力可写作= （6）
将式、代入得：
== （7）
同样：考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数可取为常数，令液动力系数 ==常数，则上式又可写成
=
当流量q一定时，由上式可知稳态液动力与阀口开度x成反比。表明当系统的压力到调定值时液动力与开口度x成反比如图 综上所述可知，阀芯在开启过程中液动力先随着开口的增大而线性增加，当系统压力达到调定值时，液动力与开口度成反比的减小，可以得出图1-3曲线。
2.基于FLUENT的阀芯所受最大液动力的确定
Fluent是用于CFD（Computational Fluid Dynamics)研究的应用软件,可模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象。本文分析流体经过阀口时的压力场和速度场，通过进口流量计算出进出口压差。已知额定流量为100L/min、溢流阀的调定压力为20MPa。基于FLUENT的滑阀的数值模拟实验步骤如下。
（1）首先使用三维建模软件PRO/E建立流道模型，如图2-1流道模型所示，此模型为半剖图，使读者能够看清其内部流道情况，如图中的进出口。然后使用专业流体模型划分网格软件ICEM CFD进行网格的划分，如图2-2所示流道网格模型，在划分模型时对节流口处的
流道进行了局部加密划分，而且对壁面添加了边界层网格的划分。
（2）将三维模型存成IGES格式，然后再导入FLUENT12.0前处理软件ICEM CFD进行四面体网格的划分，结果如图2-2所示
（3）网格划分完成后，再将生成的MESH文件导入FLUENT12.0进行仿真求解。求解时设置的边界条件为：恒压过程：此时的进口边界条件为：Pressure-inlet(压力入口) P=20MPa、出口边界条件为Pressure-outlet(压力出口) P=0.1MPa。恒流过程：此时的入口边界条件为mass-flow-inlet（质量入口）、出口的边界条件为pressure-outlet (压力出口)
P=0.1MPa，使用层流模型（Laminar）。进行求解，得到进出口压差、滑阀阀芯所受到得液动力，内部流道速度与压力分布场，如图2-3、图2-4 所示。
2.1 使用FLUENT软件进行，最大稳态液动力的确定与计算
首先设定进口压差分别为20MPa,其他条件不变，使用FLUENT仿真软件计算在不同开口度时通过滑阀的流量随开口的变化曲线。X=0.15、0.3、0.45、0.6、0.75、0.9、1.05、1.2、1.35、1.5mm时流经液压阀的流量 依次通过FLUENT软件进行仿真模拟，得出：在开度X=0.6mm时，阀芯流量达到100L/min,及达到了系统的额定流量，所以在开度x=0.75、0.9
、1.05、1.2、1.35、1.5时可知流量不变为100L/min见图2-5所示。压强在0-0.6mm内不变为20Pa，在0.6mm后进口边界条件设定为：流量为100L/min ，此后随着开口的增大进口压强是逐渐减小的如图2-6所示。
图2-5 流量随开口度的变化曲线
推板炉可以通过FLUENT软件，可以计算出在开口X=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm时阀芯所受到的液动力，并做图见图2-7所示 。算出开口在X=0.6mm时阀芯所受到的液动力最大，得出阀芯的受力为=105N
3.减少阀芯所受的最大液动力的结构优化
3.1 开U型槽
对阀芯结构进行优化设计，来减小其受到的最大液动力，这里我们提出了在台肩处开U型槽的方法，结构改进后的阀芯三维结构为：
因为开U型槽 相当于增加了通流面积，滑阀从关闭到逐渐开启的过程中由于溢流阀的溢流定压作用，使得通过阀口的流量逐渐增加，压强不变；直到通过阀口的流量达到泵的额定流量，此时溢流阀不在溢流，这个过程中随着阀口的增大，阀芯受到的最大液动力也是逐渐线性增大的，与开口度X成正比，本文采取了增大节流口面积的方法使得达到的额定流量时，开口度减小，从而使得其受到的最大液动力也是减小的。
用FLUENT仿真分析在计算不同开口下的流量并确定达到其额定流量时的开口大小， 再用FUENT计算此时的受到的最大液动力，并比较了开U型槽钱后阀芯所受的液动力的变化。
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