7500 t大型压铸机压射阀块流道流阻数值计算与分析.pdf

液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.0057500t大型压铸机压射阀块流道流阻数值计算与分析刘双勇,赵永刚,程德飞,董彦武,焦（1.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛0 6 6 0 11；2.秦皇岛信越智能装备有限公司，河北秦皇岛0 6 6 0 11)摘要：7 50 0 t大型压铸机由于工作流量大，在工作时会在阀块内产生较大的压力损失，为了给大型压铸机液压系统设计提供参考，利用计算流体动力学方法，计算得到了两种内部流道不同的压射阀块在不同流量时的流动阻力损失。计算结果表明：阀块流动阻力损失会随着流量的增大呈现出指数增大的变化情况；采用相同尺寸的流道流动阻力损失比采用不同尺寸的流道流动阻力损失小。关键词：阀块；流场；流阻损失中图分类号：TH137LIU Shuang-yong,ZHAO Yong-gang,CHENG De-fei?,DONG Yan-wu,JIAO Yang,ZHANG Zhi-gang2.Qinhuangdao XinYue Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066011,China)Abstract:Due to the large working flow,large pressure loss will be generated in the valve block during the operation of large die castingmachine.In order to provide reference for the hydraulic system design of large die casting machine,the computational fluid dynamics method isused to calculate the pressure loss of two different injection valve block structures at dfferent flow rates.The calculation results show that:Thepressure loss of valve block will increase exponentially with the increase of flow rate.Using the same size runner pressure loss is smaller thanusing different size runner pressure loss.Key words:valve block;flow field;pressure loss of runner0引言压铸机是一种在压力作用下把熔融金属压射到模具中冷却成型的设备。由于压铸机中液压系统工作流量大,工作介质在管路中会产生较大的能量损失。因此合理设计液压流道对提升压铸机的工作效率具有重要意义。阀块是液压管路的重要组成部分，优良的阀块设计可以减小液压系统的能耗，提升液压系统的使用性能。计算流体动力学方法（CFD）是进行阀块性能分析和优化设计的重要方法。国内外专家学者使用CFD方法对阀块的性能进行了大量研究。张怀亮等2 建立了振动情况下三种典型阀块流道的流场仿真模型，研究发现当存在基础振动时，液压阀块流道的压降随时间呈现出周期性波动变化。张三维3 对纯水支架阀块内的流场进行了计算，分析了刀尖容腔长度、工艺孔长度收稿日期：2 0 2 3-0 5-10作者简介：董彦武（198 9-），男，山东临沂人，工程师，硕士，主要从事流体传动和控制方面的工作。24阳？,张志刚2文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 2 4-0 6Numerical Calculation and Analysis on Flow Resistance of7500 t Large Die Casting Machine Injection Valve Block(1.CITIC Dicastal Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066011,China;及直角转弯长度等结构参数对液流压力损失的影响规律。王海波等4 使用计算流体动力学方法对负重型外骨骼机器人液压阀块进行了优化设计。魏昕等5 对混凝土泵车铸造主阀块的流道压力损失进行了计算分析,通过试验检测发现计算结果具有较高的精度。高东东等6 利用Fluent软件对采棉头举升液压阀块的流场进行了分析计算。胡建军7 对液压集成块流动特性进行了计算分析，结合粒子图像测速技术对计算端流模型进行了修正，在此基础上进行了阀块的优化设计8-9。渠晓刚等10 提出利用磨粒流精密抛光技术来进行阀块孔道加工，使用Fluent软件分析了进口压力、磨料浓度、磨粒粒度等对磨粒流加工效果的影响。随着制造技术的发展，增材制造技术逐渐应用于阀块加工过程中。通过增材制造方法，阀块内部的流道可以由直流道转变为弯曲流道，使得工作介质在阀块内的压力损失进一步减小1-13。部分专家学者探究了基于增材制造方法的阀块内部流动特性和结构优化设计。李星瑞等14 对比分析了阀块中传统加工流道和增材制造加工流道的压力损失，研究表明无工艺容(3)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023腔、圆弧逐渐过渡的流道可以有效减小压力损失。李a(puu)+a(puw)+a(puw)莹等15 选取直线过渡、圆弧过渡、B样条曲线3种过渡ay方式的阀块流道进行计算分析，计算结果表明B样条du十从xdy曲线过渡流道具有良好的减阻效果。LI等【16 采用Ba(pvu)a(pv)+a(puw)样条曲线对阀块内部液压流道进行优化设计并进行拓dx扑优化减重，研究结果表明优化后的液压流道的压力损失和阀块重量可以减小30%以上。本研究针对大功率压铸机液压系统压射阀块，采用计算流体动力学方法对流场进行了计算，分析了不同流量下阀块的压力损失，为大功率压铸机的设计提供参考。1射流阀块三维结构压射阀块三维装配图如图1所示，压射阀块的三维结构如图2 所示。阀块有2 个大小相同的进口，左右两侧进口流道相互连通，然后各自左右两侧的插装式比例阀和单向阀进人压射缸内部。由于压射过程需要在较短时间内完成，压射阀块内需要通过大流量工作介质。图1射流阀块三维装配图2模型建立2.1流道模型对阀块流道进行几何建模，如图3所示。其中，图3a所示模型左右两侧采用相同的流道尺寸（简称阀块1），图3b所示模型左右两侧采用不同的流道尺寸（简称阀块2），流道主要尺寸已在图中标出。由于液压回路中的单向阀为插装式单向阀，单向阀安装于阀块内部,因此在建立阀块的流场域模型时考虑了单向阀的流道模型。2.2数学模型稳定状态下，不可压缩流体质量守恒方程和动量守恒方程可以分别表示为：(1)ay+S.(2)ayzzxdyzxxdy从dya(pwu)十a(pwu)a(pww)dydwx（从xy式中,u,w,y,z方向的速度分量P流体压力P流体密度流体动力黏度Su,S,S.广义源项进口14120mm进口2125mm150mm120mm100mm125mm150mm图2射流阀块三维结构0卫+S,zay+S(4)zz出口一(a）左右同尺寸流道进口1进口2100mm出口(b）左右不同尺寸流道图3计算域模型瑞流模型选用标准k-8瑞流模型，流模型的输运方程为：a(pk)a(pku,)十ta(p:)a(psu;)atax;C3eG,)式中，G一由于平均速度梯度引起的动能的产生项G一一由于浮力引起的湍动能h的产生项YM可压湍流中脉动扩张的贡献项uakax;dx;G,-p8-YM+SSkdud从+C182Pk+(5)(G+(6)25(a)阀块1(b)阀块2液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期Cie,C2e,C3e经验常数i。一与动能k和耗散率对应的Prandtl 数S,S。一一用户定义的源项2.3边界条件及介质参数对于图3 a所示模型，根据对工作流量的需求，进口采用质量流量入口边界，出口采用压力出口边界。通过改变不同的人口流量可以获得不同工作流量下工作介质流经阀块时的流动阻力损失。总共计算15个流量点，流量分别为2 0 0 0，40 0 0，6 0 0 0，8 0 0 0，10 0 0 0，12000，140 0 0,16 0 0 0,18 0 0 0,2 0 0 0 0,2 2 0 0 0,2 40 0 0,26000,28000,30000L/min。该流量为液压缸总流量，假设2 个进口流量相同,因此2 个进口的流量都设定为总流量的一半。对于图3 b所示模型，根据对工作流量的需求，总共计算5个流量点，流量分别为8 0 0 0，10000,12000,14000,16000L/min。该流量为液压缸流量，入口流量按照通流面积进行分配，2 个进口的流量如表1所示。表1入口流量表总流量8000人口1流量4721入口2 流量3279液压系统的工作介质为水乙二醇，其物理参数如表2 所示。入口的区域内压力分布比较均匀，表明液流在单向阀出口到液压缸入口这段管路内的压力损失较小。在不同流量下液流在管路内的压力分布规律相似，只是数值大小不同。3.5140+052.911e+052.3090+057060+051030+05E:0080+04-1.0180+04-7.0430+04-1.3070+05-1.9090+05-2.5120+05Pa4.385e+053.774e+053-164G+052.553e+051.0430+0513320+067217e*041.112e+04-4.9930+041.1100+05Pa1.720e+0L/min1000012000590270824098491814000826257382000094436557图4主横截面压力分布云图3.514e+052.9110+052.309e+051.706e+051.1030+055.008e+041.018e+04.043e+04.307e+051.9090+052.512e+Pa表2 水乙二醇物理参数工作介质水乙二醇3计算结果分析3.1压力特性分析工作流量为12 0 0 0 L/min时阀块主横截面压力分布云图和出口横截面压力分布云图如图4、图5所示。从图4和图5中可以看出，由于沿程能量损失和局部能量损失的存在，液流压力沿着流动方向逐渐减小,压力在直流道中的变化较小，表明液流的能量在直流道中的损失较小。在流道转角处、单向阀处压力变化较为明显，液流的流动阻力损失主要在这些位置处产生。从图4中可以看出，液流从单向阀后到液压缸26密度/kgm-31071.11动力黏度/Pas0.00226(a)阀块14.385e+053.735e+053.086e+052.436e+051.787e+051.137e+054.876p+04.6190+04.11504044610+05Pa2.111p+05图5出出口横截面压力分布云图当左右两侧管路直径不同时，压力仍能保持近似对称。这是因为流动阻力损失主要发生在流道转弯和单向阀位置处，另外由于2 个进口处和出口处流道相(b)阀块2Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023连通，使得压力产生平衡而能近似保持一致。40.69和50.7 9 m/s，液流在上阀口至单向阀流道内的流3.2速度特性分析工作流量为12 0 0 0 L/min时阀块主横截面速度分布云图和出口横截面速度分布云图如图6、图7 所示。2.123e+01.9110+0109B0+D1486e+012748.492e6.3690-004.2460-002.1230-000.000em5-12.399e+012.159e+01919e+01速较高。而进口平均流速为2.8 4,5.6 8,8.53,11.3 8，和14.22m/s，最高流速是平均流速的3.5倍左右。当2个人口的流量相同时，入口之间的连接流道几乎没有液流流动。对于阀块2，流量为8 0 0 0，10 0 0 0，12 0 0 0 140 0 0，16000L/min时的最大流速分别为15.9 5，19.58，23.99,27.45,31.58m/s液流在上阀口至单向阀流道内的流速较高，液流在左右两侧流道中的最高速度相近。同时观察到，当管路两侧半径不相同时，2 个入口之间的连接流道有液流流动。2.123e+01(a)阀块15.308e+9.597e7.1980+004.798e+002.3990+000.000ms1(ms-1(a)阀块12.3990+01(b)阀块25.9980-00图6主横截面速度分布云图2.584e+012.3260+012.068e+011.809e+011.551e+011.292e+011,034e7.753+05.169e2.5840.000e(ms12.7310+012.458e+012.185e+011.912e+011.366e+011.6390+011.09204018.1948+005.4624f002.7310+00ms10.000e+00图7出口横截面速度分布云图对于阀块1，流量为6 0 0 0,12 0 0 0，18 0 0 0,2 40 0 0，30000L/min时的最大流速分别为9.9 8，2 1.2 3,3 0.3 7，msA-10.000e*00如图10 所示为流量为8 0 0 0 L/min阀块内部的流线图，从图10 可以看出，左右两侧流动呈现对称性，在(a)阀块1出口流道内，液流流动有一定的旋转。左右两侧的液流流动较为相似,在出口流道内，两侧的液流对冲位置仍然在液压缸进口流道中心位置，未出现明显的位置转移。3.3流动阻力损失分析不同流量下流体流经左右同尺寸流道阀块的流动阻力损失如图11所示。由图11可知，流动阻力损失随着流量的增加呈现(b)阀块2出指数上升的变化趋势，且左右两侧的流动阻力损失基本相同。阀块的流动阻力损失主要在单向阀中产生，对单向阀流道进行单独建模计算。除去单向阀的流动阻力27(b)阀块2图8 主横截面速度矢量图0.08-右侧流道液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期2.584e+011.9380+011.292e+016.4614+000.0000+00ms-12.731e+012.0480+011.366e+016.8286+00d.000e+00ms-12.52.01.5edNd1.00.50051015202530Q/Lmin-1图11不同流量下阀块流动阻力损失28左侧流道0.06上edN/d0.040.020E2图12流道流动阻力损失(a)阀块1损失后，在流道中产生的流动阻力损失如图12 所示。从图12 中可以看出，流道的流动阻力损失较小。流道的流动阻力损失随着流量的增加呈现出直线增加的变化趋势。不同流量下流体流经左右不同尺寸流道阀块流动阻力损失如图13 所示。0.80.7-左侧流道0.6-+右侧流道(b)阀块2图9出口横截面速度矢量图(a)阀块1(b)阀块2图10阀块内部流线图-左侧流道-右侧流道10346Q/L:min-1.0.40.30.20.1图13不同流量下阀块流动阻力损失由图13 可知，流动阻力损失随着流量的增加呈现出指数上升的变化趋势，且右侧流道的流动阻力损失比左侧流道压力损失略高。除去单向阀中的流动阻力损失之后剩余流道的流动阻力损失如图14所示。0.30+左侧流道0.25-+右侧流道0.200.150.100.050图14不同流量下阀块流动阻力损失103两种阀块的流动阻力损失对比如图15所示。由图15可以看出，当2 个进口的总流量相同时，液流在阀块2 中的流动阻力损失比在阀块1中要大。这是因为当总流量相同时，阀块2 的左侧流道流量比8810Q/L:min-124Q/L:min-110 x1031214681610310Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023阀块1的左侧流道流量大，由此产生的流动阻力损失参考文献也较大,虽然阀块2 的右侧流道流量比阀块1的右侧1耿培涛，胡晓丽，王洋，等.大型油压机泵站系统集成阀块流道流量小，但是阀块2 的右侧流道直径比阀块1的的设计 J.液压与气动,2 0 13，（11）：8 7-8 9.右侧流道直径小，因此产生的能量损失也大。2张怀亮，彭玲，周井行.TBM液压阀块流道压降特性研究J.华南理工大学学报（自然科学版），2 0 17,45（9）：3 40.8一阀块1左侧流道0.7-阀块1右侧流道0.6十一一阀块2 左侧流道阀块2 右侧流道.0.40.30.20.11.61.41.20.80.60.40.2图16不同阀块总流动阻力损失2个阀块在不同流量下的总流动阻力损失如图16所示。图16 中，当流量分别为8 0 0 0,10 0 0 0,12 0 0 0,140 0 0,16000L/min时，两个阀块的总流动阻力损失之差分别为0.0473,0.1063,0.1595,0.1831,0.2395 MPa。4结论根据以上仿真结果，可以得到如下结论：（1）阀块流动阻力损失会随着流量的增大呈现出指数增大的变化情况；（2）阀块中的集成单向阀是流动阻力损失的主要部位；（3）采用相同尺寸的流道流动阻力损失比采用不同尺寸的流道压力损失小。引用本文：刘双勇，赵永刚，程德飞，等.7 50 0 t大型压铸机压射阀块流道流阻数值计算与分析 J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（8）：2 4-2 9.LIU Shuangyong,ZHAO Yonggang,CHENG Defei,et al.Numerical Calculation and Analysis on Flow Resistance of 7500 t Large DieCasting Machine Injection Valve Block J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):24-29.2939,66.3张三维.纯水支架用阀块内部孔道流场的CFD仿真分析J.煤矿机械,2 0 2 3,44(2):9 0-9 3.4王海波，范曙远，张龙.负重型外骨骼机器人液压阀块流道的流场分析及优化 J.西南交通大学学报，2 0 19,54(4):848-854.5 魏昕，苏祖慰，王勇刚.混凝土泵车主阀块流道CFD仿真分/103析与试验研究 J.机械研究与应用,2 0 19,3 2（1):10-12.810Q/L:min-1图157不同阀块压力损失阀块1-+阀块2810Q/L-min-11212,14161416/1036高冬冬，木合塔尔克力木.基于Fluent的采棉头举升液压阀块设计与优化J.新疆大学学报（自然科学版），2019,36(2):241-246,252.7胡建军，陈进，权凌霄，等.液压集成块流模型修正及内流特性分析 J.中国机械工程,2 0 17,2 8（14）：17 0 8-17 13.8 HU J J,CHEN J,QUAN L X,et al.Flow Measurement andParameter Optimization of Right-angled Flow Passage inHydraulic Manifold Block J.Journal of Central SouthUniversity,2019,26:852-864.9 胡建军，陈进，权凌霄.基于响应面法的液压集成块直角转弯流道优化 J.制造技术与机床,2 0 17，（9）：7 8-8 3.10渠晓刚，高杰，焦松岩，等.磨粒流抛光阀块内孔道的数值模拟与试验研究 J.机床与液压,2 0 2 3,51（7）：7 0-7 6.11】张军辉,刘淦,郑神.金属增材制造液压阀块内部流道优化设计研究 J.液压与气动，2 0 19，（1）：2 1-2 5.12张超,周雷,赵聪,等.轻量节能型液压阀块设计与增材制造 J.机械工程学报,2 0 2 1,57(2 4）：12 3-13 1.13赵聪,祝毅,张超，等.增材制造液压集成阀块仿生结构设计 J.机械工程学报,2 0 2 1,57（2 4）：13 6-146.14李星瑞，王泽荫，罗文昊，等.基于选区激光熔化增材制造技术的液压阀块流道的优化设计 J.兰州交通大学学报,2 0 2 2,41(5):7 2 -8 0.15李莹,张玉莹,柳宝磊，等.基于增材制造的液压阀块流道过渡区优化研究 J.液压与气动，2 0 2 1，（1）：56-6 6.16 LI D F,DAI N,WANG H T.Optimization Design ofHydraulic Valve Block and Its Internal Flow Channel Basedon Additive Manufacturing J.Transactions of NanjingUniversity of Aeronautics and Astronautics,2021,38(3):373-382.