第３７卷第５期 ２０１１年１Ｏ月 兰州理工大学学报 ＶｏＬ ３７ Ｎｏ．５ ＯｃｔＩ ２０１１ Ｊｏｕｒｎ￣ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号：１６７３－５１９６（２０１１）０５－００５６－０５ 非全周开口滑阀的节流温升与形变 冀 宏，曹 永，王建森，王峥嵘 （兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州７３００５０） 摘要：联合采用ＦＬＵＥＮＴ和ＡＮＳＹＳ分析软件对具有典型节流槽的非全周开１５／滑阅的三维流场、液一固温度场和 固体热变形进行数值计算．结果表明：非全周开口滑阀内部流体和固体内的温度分布不均匀，阀口流束在接近固体 壁面的区域温度较高，流束中心部位温度较低，阀体和阀芯在阀口附近及流束冲击壁面有局部高温，由此导致的阀 芯和阀体不均匀变形量可达数微米，而且闯芯和阀体在整体上也会发生弯曲变形，可能直接导致滑阀的阋芯卡紧 现象． 关键词：滑阀；节流槽；温升；形交；数值解析 中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标识码：Ａ Ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｏｏｌ ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ ｎｏｔｃｈｅｓ ＪＩ Ｈｏｎｇ，ＣＡＯ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｓｅｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ－ｒｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｍｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｌａｍｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａＩ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ，ｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｐｏｏｌ ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ ｔｙｐｉｃａｌ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｎｏｔｃｈｅｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅｓ ＦＬＵＥＮＴ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｗａｓ ｎｏｎ— ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｏｏｌ ｖａｌｖｅ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｊ ｅｔ ｆｌｏｗ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｗａｌｌ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｊｅｔ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｓ ｌｏｗｅｒ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｏｏｋ ｐｌａｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｗａｌｌ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｏｒｉｆｉｃｅ ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｖａｌｖｅ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｊ ｅｔ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｏｏｌ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｂｏｄｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｅ ｕｐ ｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｉｃｒｏｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｂｅｎ— ｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｏｏｌ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｂｏｄｙ．Ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｓｐｏｏｌ ｃｌａｍｐｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｏｏｌ ｖａｌｖｅ；ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｎｏｔｃｈ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ 非全周开口滑阀的阀口由各种形式的节流槽及 组合节流槽构成，可获得丰富的阀口面积曲线和优 良的流量控制特性［１ ］．与其他液压阀一样，它也存 在液压卡紧现象，导致阀芯运动不灵活甚至卡死，严 重时可导致液压系统无法正常工作，通常通过提高 阀的加工精度、设置均压槽、精密过滤油液等方法消 减液压卡紧力［４－６］．液流经过阀口的节流作用，使一 仿真方法研究了全周开口滑阀的二维温度场，对阀 芯受热膨胀导致卡紧现象进行了分析． 本文联合应用ＦＬＵＥＮＴ流场仿真和ＡＮＳＹＳ 热应变分析软件，针对具有典型节流槽的非全周开 口滑阀内的节流温升和热变形进行了数值计算，获 得滑阀内部流体和固体温度场、固体热形变，得出了 温度分布和变形的特征，分析了典型节流槽形状、阀 口开度对温度分布和热形变的影响． 部分液流能量转化为热量，此热量会使液流和与之 接触的阀芯、阀体的温度升高，温升引起的热膨胀可 能导致阀芯与阀体配合间隙（一般１０ ｍ左右）状 态的改变，可导致阀芯卡紧发生．文献Ｅ７３用流场 收稿日期：２０１１—０３－２５ 基金项目：国家自然科学基金（５１０７５１９４） １滑闽内部流场解析 １．１阀口模型 图１给出了非全周开口滑阀的几何模型，阀芯 上对称布置了４个相同的节流槽（图中所示为Ｖ形 槽，另一种典型节流槽为Ｕ形槽）［２－引，阀芯沿轴线 作者简介：冀宏（１９７２－），男，陕西宁陕人，博士，教授． 第５期 冀宏等：非全周开口滑阀的节流温升与形变 ・５７・ 左右移动改变阀口开度大小，高压油由阀体上的入 口流经节流槽至出口．滑阀的内部流道主要尺寸如 图１所示，单位为ｍｍ． ２ ０９３ Ｊ／ｋｇ・Ｋ，热导率０．１５ Ｗ／ｍ・Ｋ，动力黏度 ０．０２６ ｌ ｋｇ／ｍ・ｓ．固体区域材料设置为：密度８ ０３０ ｋｇ／ｍ。，热导率１６．２７ Ｗ／ｍ・Ｋ．边界条件的设定： 入口边界条件为压力进口，进口流体温度２７℃，出 口边界条件为压力出口，设为１个标准大气压，出Ｅｌ 的初始温度设为２７℃，阀芯两端面和阀体外表面与 空气的热传递方式设为对流换热（８ Ｗ／ｍ。・Ｋ），对 流流体（空气）温度设为２７℃，各项残差取１Ｏ一． 为了求解更容易收敛，计算时先不加人能量方 入口 出口 图１滑阀几何模型 №１ Ｇ哪 ｍｏｄｅｌ ｏｆ即ｏ０ｌ ｖａｌｖｅ １．２计算模型和计算条件 图２给出了阀体半剖的计算模型．由于计算涉 及流体流动和流一固传热，计算模型包括流体区域和 固体区域（阀芯和阀体），其中流体区域与阆芯、阀体 的接触面设为流一固耦合壁面． 咻区域 豳２计算模型 王 ２ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ曩１０ｄ 图３给出了流体区域网格翅１分．采用了四面体 网格，控制网格数量以加快计算速度，节流槽区域进 行了网格细化，其他流体区域网格较大．流体区域网 格数量约为６４万，圆体区域阚格数量约为５２万． 圈３流体区域月格划分 一 捆 ｜３觋ｏ ∞ａｎｄ ｍｅｓｈ 采用了标准 湍流模型进行计算．流体区域 材料设置为［１８３：油液密度８６０ ｋｇ／ｍ￣ 质量定容热容 程，只求解流体的连续性方程和动量方程，待求解收 敛后再加入能量方程进行耦合求解． １．３流场计算结果 图４和图５给出了阀口区域流体的速度流线图 和温度分布的剖面图．其中：进口压力 一１５ ＵＰａ， Ｖ形槽阀口开度３ ｍｍ，Ｕ形槽阀口开度０．５ ｆｉｌｍ （ｉＮ者阀口面积相同［２］）．如图４所示，Ｖ形槽阀口 后的流束沿着阀芯壁面；而Ｕ形槽阀口后的流束方 向发生急转，靠近阀体壁面． （ａ）Ｖ形槽 （ｂ）Ｕ形槽 圈４速度嗣Ｅ线圈 №４ ｖＩ如ｃｉＩ 曲髑妇 ｉｎ∞蛐 如图５所示，Ｖ形槽翔日附近及后部与固体壁 面接触的流体温度明显升高，最高温度达到７０℃ （阀芯壁面处），而搠体壁两一侧的流体温升相对较 小ｌ Ｕ形槽阀口后部约栩体壁面一侧流体温度最 高，局部达到６４℃，阀芯 铜灼流体温度相对较低． 由不同阀口开度下的流场计算结果均发现：阀口流 束与固体壁面接近的流体区域温度较高，流柬中心 部位温度较低，最高温度出现在最靠近流束的壁面 区域，表明流体温度升高主要是由于阀口处的高速 流束与壁面及其周边低速流体的摩擦生热所致． ・５８・ 兰州理工大学学报 第３７卷 如图６ａ所示，Ｖ形槽滑阀出口的右侧流体温度高于 ｔ／＇ｃ 左侧，最高温度为２７．６５℃，最低为２７．Ｏ５℃，温差 较小；图６ｂ所示的Ｕ形槽滑阀出口的左侧流体温 度明显高于右侧，最高温升达到３１．２℃，最低为 ２７．０℃，出口面温差较大． 图７给出了Ｖ形槽滑阀在不同进口压力Ｐ、不 同阀口开度时，阀内流体最高温度的变化曲线．随着 进口压力的增大，阀内流体最高温度整体升高；阀口 （ａ）Ｖ形槽 ｔ／＇ｃ 踟 （ｂ）Ｕ形槽 圈５嗣口区域温度分布 ５ Ｔｅｍｐｅｒａｔｍ－ｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ！ｉ￣８ｒ ｖａｌｖｅ［１ｔ＇ｌ￣ｇｅ 图６为滑阀出口的温度分布云图．由图可见，滑 阀出口的流体温度升高，温度分布不均匀，靠近壁面 的流体温度高于中心部位，且壁面一侧流体温度最高． ２７ ２７．Ｏ５ ２７．１５ ２７．２５ ２７．３５ ２７．４５ ２７．５５ ２７．６５ （ａ）Ｖ形槽 ２７．０ ２７．６ ２８．４ ２９．２ ３０．０ ３０．８ （ｂ）Ｕ形槽 图６滑阀出口温度分布 Ｆｉｇ．６ Ｔｅｍｌｍｍｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｖａｌｖｅ ｏｕｔｌｅｔ 开度较ｄｘ（ｘ＜３ ｍｍ）时，最高温度值大；随着阀口 开度逐渐增大（ ＞３ ｍｍ）时，阀内流体最高温度逐 渐降低． 赠豫嚼 ：合∞ 们 阀口开）ｇｖ／ｍｍ 图７阀口开度和进口压力对阀内最高温度的影响 Ｆｉｇ．７ ＩＤｆｈｌｅｌｌｅｅ ｏｆ ｖａｌｖｅ ｏｐｅｎｍｇ ａｎｄ ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｏ１１ ｎＭａ ＩＩ悯ｔｅｍｐｅｒａｔｍ￣ｗｉｔｈｉｎ ｖａｌｖｅ 当进口压力增大时，阀口流速增高，流束与固体 壁面及其周围低速流体的相互剪切作用增强，摩擦 导致更多热量产生，使得流体温度进一步升高． ２阀芯和阀体的温度场 利用ＡＮＳＹＳ软件对阀芯和阀体进行三维温度 场分析和热变形分析．仿真模型采用流场计算中的 阀芯和阀体模型，材料参数与流场分析中固体区域 参数一致，热膨胀系数设为１．１×１Ｏ ／℃，固体外 表面的初始温度设为２７℃，将流场计算得出的流一 固耦合边界温度作为面载荷施加到阀芯和阀体模型 中，对固体温度场进行计算． 图８和图９给出了阀芯和阀体中心轴剖面的温 度分布，其中：进口压力Ｐ －－１５ ＭＰａ，Ｖ形槽阀口开 度３ ｍｍ，Ｕ形槽阀口开度Ｏ．５ ｍｍ．由图可见，固体 内的温度分布也不均匀，阀口前的阀芯和阀体固体 区域温度较低，而阀口后的固体区域温度较高，这是 由于阀口节流发热对其后部的固体和流体区域作用 较大．如图８所示，Ｖ形槽滑阀中固体的温度场关于 阀芯轴线基本上呈对称分布，阀芯局部的温升较大 （其温度最高为７０℃），而阀体温升较小（温度最高 ｐ 第５期 冀宏等：非全周开口滑阀的节流温升与形变 为３６℃），阀口流束在阀腔内冲击到的阀体壁面处 温度也较高．如图９所示，Ｕ形槽滑阀的阀芯和阀 体内的温度分布明显不对称，上部温升区域大于下 部，阀芯上的温度最高为４２℃，阀体上的温度最高 为６Ｏ℃，流束在阀腔内冲击到的阀体部位温度也较 高． ４２５ ９０ 一◆ｌ ●Ｉ一 Ｉ—ｉ ２８ ３２ ３６ ４Ｏ ４４ ４８ ５２ ５６ ６Ｏ ６４ ６８ ７２ 图８ Ｖ形槽滑阀阀芯和阀体温度分布（℃） Ｆｉｇ．８ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐｏｏｌ ｗｉｔｈ Ｖ－ｎｏｔｃｈ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｂｏｄｙ（Ｅ） ２８ ３Ｏ ３２ ３４ ３６ ３８ ４Ｏ ４２ ４４ ４６ ４８ ５０ ５２ ５４ ５６ ５８ ６０ ６２ ６４ 图９ Ｕ形槽滑阀阀芯和阀体温度分布（℃）如川㈣ 加 洲删伽删 ． 盯如∞㈨一一一一一 川—。 ２２●●Ⅲ脚麟．加 们 ｉ ＯＯ●●２季 伽 ．．．．．～ｌ 艘＿一一 Ｆｉｇ．９ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐｏｏｌ ｗｉＵｌ Ｕ－ｎｏｔｃｈ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｂｏｄｙ（Ｅ） ３阀芯和阀体的热变形 在ＡＮＳＹＳ软件中将固体热分析得到的阀芯和 阀体内部的温度场作为体载荷施加到阀芯、阀体模 型中进行热应变计算，可分别计算得到阀芯、阀体的 热变形． 图１Ｏ和图ｌ１给出了阀芯、阀体在温度场作用 下的变形计算结果（轴剖面图，中心轴上部变形为 正，下部为负），为直观起见，将变形量放大８ ３００倍 显示．如图１０ａ所示，阀芯变形主要发生在阀口后 部，温升后阀芯左侧凸肩直径变为Ｄ ，阀芯右侧变 为Ｄ１ ，变形差值（Ｄ１ 一Ｄ１）为２．７７ ｍ；如图１０ｂ 所示，阀体孔直径变化较小，变形差（ 一 。）等于 一Ｏ．Ｏ７ ｕ札 如图ｌｌａ所示，Ｕ形槽阀芯两侧凸肩的直径变 大，右侧凸肩直径变化量较左侧大，变形差值（Ｄｚ 一 一◆霉 一＿雷■ｉｍ．一 脚伽鲫伽脚ｌｌ０Ｏ００。。ｏｏ０加ｍ； ．一一譬似瞄 ２ ㈣ ， ．．．．鲫镪 Ⅲ ＬＬｎｍ 桃 湖蛳 （ｂ）阀体 图ｌ１ ｕ形槽滑阀的热变形（ ） №１１ Ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｏｏｌ ｖａｌｖｅｗｉｔｈ Ｕ－ｎｏｔｃｈ（ｐｒｏ） Ｄ。）为４．１２ ｙｍ，由于阀芯内温度分布不对称（见图 ９），阀芯上部的温度高于下部，导致阀芯轴线发生了 弯曲变形．如图１１ｂ所示，阀体内节流部位的变形较 大，变形差值（ ｚ 一 ｚ）为一Ｏ．９０ ｍ，内径缩小．由 于阀体内温度分布不对称，阀体也发生了明显的弯 曲变形． 综上所述，节流温升使得阀芯在阀口部位膨胀 变大，阀体在阀口部位的内径变小，阀芯、阀体在阀 口处的配合间隙将明显减小；由于Ｕ形槽滑阀内温 度分布的明显不对称，使得阀芯、阀体还发生了明显 的弯曲变形；这两种变形同时作用将加剧阀芯卡紧 现象的发生． ， ・６０・ 兰州理工大学学报 第３７卷 ４ 结论 联合应用ＦＩ Ｔ流场仿真和ＡＮＳＹＳ软 件，获得了具有典型节流槽的滑阀内流体温度场、固 体温度场和固体热变形．由数值计算结果发现： １）阀内液流的温度分布不均匀，阀口流束与固 体壁面接近的流体区域温度较高，流束中心部位温 度较低，最高温度出现在最靠近流束的壁面区域，这 表明流体温度升高主要是由于阀口处的高速流体与 壁面及其周边低速流体摩擦产生热量所致． ２）阀体和阀芯的温度分布不均匀、不对称，阀 口区域和流束在阀腔内冲击到的固体壁面有局部高 温；节流槽形状和阀口开度对阀内温度分布有较大 影响． ３）阀芯和阀体的热变形主要表现为阀芯局部 直径变大、阀体孔局部变小，变形量可达数微米，并 伴有弯曲变形现象．上述变形可能导致阀芯卡紧． 参考文献： ［１３ ＬＵ Ｙｏｎｇｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｏｊｎｇｆ￣ｇ，ＬＩ Ｗｅｉ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ［ｃ］．Ｂｅｉｊｉｇｎ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ／ Ｗｏｒｌｄ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００５：４３５－４３８． ［２］冀宏，王东升。丁大力，等．非全周开口滑阀阀口面积的计算 方法口］．兰州理工大学学报，２００８，３４（３）：４８－－５１． ［３］冀宏，王东升，刘小平，等．滑阀节流槽阀口的流量控｛Ｉ｜特性 ［Ｊ］．农业机械学报，２００９，４０（１）。１９８－２０２． ［４］许毅．液压滑阀卡紧现象的原因及对策［Ｊ］．ｔ起重运输机械， ２００８（１０）：１０１－１０３． ［５］马蕾．液压换向阀卡紧故障分析Ｄ］．液压气动与密封，２０１０ （２）：４８＿５０． ［６３盛敬超．液压流体力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７． ［７］刘晓红，柯坚，刘桓龙．液压滑Ｉ碍径向间隙温度场的ＣＦＩ）研 究口］．机械工程学报，２００６，４２（５）：２３１—２３４． ［８］路甬祥．液压气动技术手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００２．
