一种液力偶合器用大流量换向阀结构优化设计.pdf

20文章编号006-8244(2023)01-020-5March20232023年3 月DRIVESYSTEMTECHNIQUENo.Vol.37动术第3 7 卷第1期传技一种液力偶合器用大流量换向阀结构优化设计Structure Optimization Design of a Large Flow Reversing Valvefor Hydraulic Coupling马苏会俞翔栋黄新源陈昌尾（中国船舶集团有限公司第七一一研究所动力装置事业部，上海2 0 110 8）Ma SuhuiYu XiangdongHuang XinyuanChen Changwei(SMDERI,Power Plant Division,Shanghai 201108,China)摘要以液力偶合器用大流量换向阀为研究对象，建立大流量换向阀CFD分析模型，对大流量换向阀进行改进性设计。研究表明：流道截面确定的情况下，流道内最高流速由工作流量决定。随着流量的增大，流道内整体流速及最高压力呈线性增加趋势；结构优化后，局部通流截面得到过渡，流速有效降低，耗散及滞止效应缓和，阀体整体通流性能得到增强。设计制造出大流量换向阀样件，并开展了型式试验，为液力偶合器用大流量换向阀的设计提供了参考。AbstractJTaking the large flow reversing valve for hydraulic coupling as the research object,the CFD anal-ysis model of the large flow reversing valve is established,and the improved design of the large flow revers-ing valve is carried out.The maximum velocity in the channel is determined by the working flow rate whenthe cross section of the channel is determined.With the increase of flow rate,the overall velocity and themaximum pressure in the flow channel increase linearly;after the structure optimization,the local flowcross section is transited,the flow rate is effectively reduced,the dissipation and stagnation effects are alle-viated,and the overall flow performance of the valve body is enhanced.The sample of large flow reversingvalve was designed and manufactured,and the type test was carried out,which provided a reference for thedesign of large flow reversing valve for hydraulic coupling.关键词：大流量换向阀结构优化CFD液力偶合器Key words:large flow reversing valvestructure optimizationCFDhydraulic coupling中图分类号：TH137.52十2文献标识码：B0引言液力偶合器是船舶动力系统中的重要设备，液力偶合器液压控制系统作为液力偶合器的核心部件，主要功能是为液力偶合器提供控制油、冷却油及工作油，实现液力偶合器的离合功能。大流量换向阀作为液力偶合器液压控制系统中的一个重要组成部分，主要的任务和功能是实现液力偶合器接脱排功能，当接排时，提供控制油和冷却工作油；当脱排时，关闭控制油和冷却工作油2。传统大流量换向阀的技术难点在于：如何减缓换向时的冲击现象与变负载对大流量换向阀稳定性的影响、确定使用的介质以及环境对阀体可靠性的影响、如何减小阀芯径向不平衡力、如何减缓因流量增加导致的阀体内气蚀与噪声等3-7。国内外很多学者通过结构仿真、流体仿真与试验测试相结合的方法对大流量换向阀进行设计及结构优化8-9，但对船舶液力偶合器用大流量换向阀的研究国内外较少。很长一段时间以来，船舶液力偶合器用大流量换向阀主要依靠进口，我国此类阀基本上属于仿制，关键理论掌握在国外企业之中。大流量换向阀由于其较高的流通量，导致阀内流体呈现复杂流动特性。缺乏对阀内复杂流动机理的理解，降低了国内仿制阀运行的可靠性。作者简介：马苏会（1995一），女，河南省郸城县人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：船用液力偶合器设计。E-mail：s u h u i ma t j u.e d u.c n21马苏会等：器用大流量换向阀结构优化设计本文以某型船舶液力偶合器液压控制系统中大流量换向阀为研究对象，建立了其内部流道模型，采用计算流体的方法，得到了不同流量下，阀芯流场的速度场与压力场的分布，并对其压力损失机理进行阐述。基于仿真结果，提出阀芯结构优化设计方案，并进行了阀件性能验证试验。1基本结构及工作原理1.1基本结构大流量换向阀主要由手动执行部分、主阀换向部分、气动执行部分及阀位检测部分等组成，其主要结构见图1。不同于常规换向阀，该阀具有大流量（3 0 0 L/min）、手气动双操作和阀位反馈等特点，是专为液力偶合器液压控制系统研究定制的。A8手动部分主周换向部分过度部件气动及检观部分大流量换向阀装配简图图1大流量换向阀基本结构图Fig.1Basic structure diagram of large flow reversing valve1.2工作原理大流量换向阀通过阀芯在阀体内部位移使得流体介质改变流动方向，即通过让气控制气动活塞产生左右移动使得主阀体中的阀芯流动实现换向。从机能符号初步得到了解P、T、A、B的流向。图2与图3 中,P代表压力进油腔，T代表流体回油腔，A、B代表工作腔。当液力偶合器处于脱排初始位置时，阀芯机能处于图2 所示，此时表示P、T、A、B不通状态。当接收到液力偶合器接排信号时，阀芯机能处于图3 所示，如果阀芯受到外力作用向右移动，此时表示P通B、A 通T状态。阀芯机能AB88PT图2脱排阀芯位置Fig.2Position of drainvalvecore阀芯机能ABX一PT图3接排阀芯位置Fig.3Position of connecting valve core2仿真分析2.1CFD数值模型建立使用SOLIDWORKS软件建立内部流道三维模型，图4为电磁换向阀三维结构图。将三维模型导入Gambit软件中划分网格，生成内部流场有限元模型，采用自适应网格模式，选择Tet/Hybrid单元与TGrid结合的方法，将整个模型进行网格划分，并对流道壁面网格进行局部加密。经网格无关性验证，确定网格数分别为：BT流道6 7.4万、AT流道7 7.8 万以及PB流道55.4万。工作介质使用CD40。边界条件设置为流量人口和压力出口，其中压力出口设置背压值为1bar，进口流量从50 L/min依次增加到3 0 0 L/min，增幅为50 L/min。图4电磁换向阀三维结构图Fig.4Three-dimensional structure diagram ofelectromagnetic directional valve2.2大流量换向阀流场特性分析对于大流量换向阀，压力损失由流道压力损失和阀口压力损失两部分组成，为了研究阀压力损失在阀体流道内的分布情况，需对阀体内部速度场以及压力场进行研究。通过分析BT、A T、PB流道流线及半剖截面压力，得到图5图7 的BT、A T、PB流道最大流速及最大压力随流量变化曲线。可以发现随着流量的增加（50 L/min3 0 0 L/min)各流道内整体流速及最高压力呈线性增加趋势，流速最大部位均出现在阀口处及刚进入阀芯处，说明此处的油液动量变化大，对阀芯与阀体的冲击也较大，易产生高温、振动和噪声，对阀芯的寿命和工作性能产生不利影响。22马苏会等：种液力偶合用大流量换向阀结构优化设计80一一BT流道最大流速m/s70一BT流道最大压力MPa603503020100050100150200250300350流量/(L/min)图5BT流道最大流速及最大压力随流量变化曲线Fig.5Curve of maximum velocity and maximumpressure of BT flow passage with flowpressure of BT flow passage with flow80一AT流道最大流速m/s70A一AT流道最大压力MPa60350403020100050100150200250300350流量/(L/min)图6AT流道最大流速及最大压力随流量变化曲线Fig.6Curve of maximum velocity andmaximum pressure of AT flow passage with flow80一PB流道最大流速m/s70-一PB流道最大压力MPa(S/603504030201000050100150200250300350流量/(L/min)图7PB流道最大流速及最大压力随流量变化曲线Fig.7 Curve of maximum velocity and maximum pressure ofPBflowpassagewithflow从BT、A T 与BP流道压力分布云图中可以看出，流体进人阀芯内部时由于过流断面面积突然减小，造成压力能迅速向速度能转变，从而造成由黏性耗散导致的局部压力损失，对外表现为进出口产生压差。阀芯主流道区域压力分布均匀相较于人口处变化平缓，压降较小。由上述结果可知该阀流道的压力损失主要由阀芯入口段导致。2.3大流量换向阀流道优化设计由大流量换向阀流道分析可知，工质进人阀芯内部时由于过流断面面积突然减小，压力能向速度能转变，加剧黏性耗散，导致局部压力损失。为此结构优化出发点在于，对流道截面突变处进行过渡。根据前期流场分析结果确定，优化位置在于阀体环状结构与阀芯凸台交接位置处，此处流道截面变化较大，改进方案为阀芯通流环状结构由原尺寸19.8mm改为2 2 mm，同时阀芯通流环状结构由原尺寸15.5mm改成16.5mm，且该凸台向外延展1mm。图8 给出了优化后流道的示意图。图：优化后流道示意图Fig.8Schematic diagram of optimized flow channel选取极限工况对优化结构进行验证。流道进口设置为流量进口，值为3 0 0 L/min，流道出口设置为平均静压，值为1bar。由于优化后模型整体变化较小，新结构仿真网格参数设置与原结构一致。2.4优化结构与原结构对比结果原结构BT流道最高流速为7 2.8 m/s，改进后最高流速降为6 5.8 m/s。局部压力最高值由改进前的2.7 MPa降为优化后的2.4MPa。流道截面突变缓和后，滞止效应减弱，导致局部压力值下降。BT流道速度与压力场分布验证了优化方案的有效性。原结构AT流道最高流速为7 4.2 m/s，改进后最高流速降为6 5.0 m/s。局部压力最高值由改进前的1.96 MPa降为优化后的1.7 7 MPa。AT流道速度与压力场分布验证了优化方案的有效性。流道整体流速有明显降低，环形结构内流速降低较为明显。原结构PB流道最高流速为6 6.7 m/s，改进后最高流速降为6 0.5m/s。局部压力最高值由改进前的0.993 MPa降为优化后的0.98 6 MPa。优化前后对比结果表明，增加阀体环状结构与阀芯23马苏会等：一种液力偶合器用大流量换向阀结构优化设计凸台交接位置处的流通面积，可有效降低局部流速，耗散及滞止效应缓和，阀体整体通流性能得到增强。3试验验证基于本文的大流量换向阀结构优化的研究结论，设计制造出大流量换向阀样件。通过开展型式试验进行阀件样件性能验证，如图9所示。试验项目包括：外观质量、滑阀机能、换向性能、压力损失、内泄漏量、密封性、耐压性、稳态试验、瞬态试验、操纵力试验、清洁试验等性能试验以及环境试验等，其中稳态试验包括流量一压差特性试验、内泄漏量特性试验和工作范围试验，瞬态试验是指测试大流量换向阀的换向、复位响应时间，清洁试验包括固体颗粒污染等级和内腔清洁度等试验项目。图9大流量换向阀型式试验Fig.9Type test of large flow reversing valve型式试验结果曲线如图10 所示，试验结果表明，大流量换向阀样件符合型式试验相关要求，验证大流量换向阀产品的设计合理性，其技术指标达到产品设计要求。2.0P-B+A-T1.61.2P-B0.8A-T0.40.0050100150200流量/L/min)（a）流量一压差特性曲线(a)Flow-pressure differential characteristic curve(uru/u)/270换向240210180复位150120906030005101520253035压力/MPa（b）内泄漏特性曲线(b)Internal leakage characteristic curve40.3530-.*.*25.,20.15.10.50050100150200流量/(L/min)（c）工作范围试验Working range test44%6%6明40-36-换向时间：t1=79ms32复位时问：t2-87ms2824-2016tlt212020040060080010001200时间/ms（d）时间一出口压力瞬态响应曲线(d)Time-outlet pressure transient response curve图10型式试验结果曲线图Fig.10Curve of type test results24种液力偶大流量换向阀结构优化设计马苏会等：4结论利用CFD计算流体力学软件CFX对大流量换向阀内部流场进行仿真分析，得到了不同流量下（50L/min3 0 0 L/m in)B-T、A-T 及P-B流道流场的静压力分布云图与流线图，并对大流量换向阀压力损失机理进行阐述。此外，基于流场仿真结果，提出阀芯流场优化方案，并对优化方案进行仿真及试验验证。主要结论如下：(1)从阀芯流道压力分布可知，流体进人阀芯时过流面积突然减小，造成压力能迅速向速度能转变，黏性耗散加剧，局部压力损失增加。阀芯主流道区域压力分布相较于阀芯人口处变化平缓，压降较小；（2)基于流场仿真结果，提出增加阀芯流道环形结构半径的优化方案。结构优化后，BT流道3 0 0L/min工况下最高流速，由7 2.8 m/s降为6 5.8 m/s，局部压力最高值由改进前的2.7 MPa降为优化后的2.4MPa。改进后AT流道最高流速由7 4.2m/s降为6 5.0 m/s，局部压力最高值由改进前的1.96MPa降为优化后的1.7 7 MPa。改进后PB流道最高流速由6 6.7 m/s降为6 0.5m/s，局部压力最高值由改进前的0.9 9 3 MPa降为优化后的0.9 8 6MPa。增加阀芯流道环形结构半径后，局部通流截面得到过渡，流速有效降低，耗散及滞止效应缓和，阀体整体通流性能得到增强；(3)基于本研究成果设计制造了大流量换向阀样件，开展了型式试验，试验结果表明大流量换向阀样件的各项技术指标均达到设计要求，证明了本大流量换向阀改进性设计具有实用可行性。参考文献1刘彩红，徐小亚船舶液力耦合器的液压控制系统设计与仿真JI.舰船科学技术，2 0 19，41（0 6）：2 0 5-2 0 7.2张健.船用液力偶合器及其控制系统的建模与仿真研究D.上海：上海交通大学，2 0 10.3韩伟大流量换向阀的设计与流体动力学仿真J煤炭学报，2 0 0 9,3 4（0 3）：42 0-42 3.4曹高生，路红日，李庆林，等煤矿液压支架用大流量换向阀动态特性分析J.机械管理开发，2 0 2 2,3 7（0 8）：6 4-66.5廖瑶瑶，廉自生，邓元元，等大流量换向阀缓冲结构参数优选与试验研究J.液压与气动，2 0 16（0 1）：3 6-41.6郭舒，焦生杰，肖亚迪，等全液压压裂车大流量换向阀的设计与分析J.液压气动与密封，2 0 16，3 6（0 2）：47-51.7杨卫书.矿用快速移架大流量换向阀的设计J.液压与气动，2 0 0 5（0 5）：6 8-6 9.8迟英姿，许凌，张蓉基于有限元的大流量换向阀仿真分析及结构优化J.液压气动与密封，2 0 2 0，40（0 4）：19-21+25.【9殷英.大流量电液换向阀的动态特性及流场特性仿真D.太原：太原理工大学，2 0 16.