调压阀内流道流场分析及阀芯结构改进

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Flow field analysis of internal flow passage in pressure-regulatingvalve and spool structure improvementWU Guo-yang ，HE Ze-yin ，LI Guo-yun ，HUANG Zheng-hua(1.Colege of Materials Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China；2.State Key Laboratory of Mechanical Transmis-sion，Chongqing University，Chongqing 400030，China)Abstract：Finite element fluid dynamic models of internal flow field of the pressure-regulating valve withdifferent spool shape.ellipsoid-shaped spool，cone-shaped spool and ball-shaped spool，are establishedwith ANSY s.After the computational simulation of fluid in valves iS carried out with different openings，the relation between lubricant pressure and spoo1 openings，together with the fluid characteristics analysisin the three valves can be obtained.Based on the CFD (computational fluid dynamics)result，an optimiza-tion of the internal flow field of the pressure-regulating valves with ellipsoid-shaped spool was established，considering least consumption energy as the objective function，structure parameters of spool as designvariables，and maximum working oil pressure and minimum lubricant pressure as the state variables，andthen the spool structure is optimized by means of response surface optimization method to get a modifiedstructure.The results show that the major axis of elipsoidal core greatly influences turbulent kinetic ener～gY dissipation of pressure regulating valve and the turbulent kinetic energy dissipation decrease with themajor axis，after the optimization，the turbulent kinetic energy dissipation decreases by 69.43 9/6，optimi～zation effect iS obvious。

Key words：pressure regulating valve；CFD；structure improvement；optimization船用调压阀阀芯结构对调压阀内流道流体压力、速度、湍流动能及湍流动能耗散等流场特性参数有着较大的影响，当阀芯结构欠佳时，不能达到离合器接排过程对油压的要求，且内流道流体湍流动能收稿日期：2013-01-13基金项目：国家科技支撑计划(2006BAA01Al1)作者简介：吴国洋(1969-)，男，湖北天门人，副教授。

耗散较为严重.因此合理设计调压阀阀芯结构对调压阀结构设计显得至关重要.然而传统液压阀件设计方法需要大量的试验数据.目前国内外已有较多学者基于数值方法对阀[、轴流泵[引、截止阀[3]、调节阀[ 、液压锥阀[ ]和溢流阀[ ]的流场等进行流场数值仿真，研究其内流道流场特性，文献E7]还对锥阀气穴流动进行-系列研究.由此可见，通过数值模拟可全面掌握流场特性，能有效地指导调压阀结构第 3期 吴国洋等：调压阀内流道流场分析及阀芯结构改进设计。

本文基于CFD方法，利用ANSYS软件建立椭球、锥形和球形3种不同阀芯调压阀内流道流体动力学有限元计算模型，在不同开口度下分别对其进行了流场数值模拟，进而基于CFD分析数据对阀芯结构进行改进。

1 计算流体动力学基本理论假设流体为不可压缩的牛顿流体，连续性方程可表示为 -o (1)dJ ay d动量守恒方程可以表示为曼 4-曼! g 2-4-曼! 2 4- ! ! 2-at 3z a az- ) 篝) 箦)见(2a)曼 J- ! 2. 旦( 2-4-曼( ! 2-at az a az- 3p下 ) ) )R(2b)曼陛 4-a(WxvD 4- l 2-4-曼( ! 2：at az 3 az- ) 篝) 箦)尺(2c)式中： 为动力黏度；户为流体微元体上的压力；R、R R 为动能广义源项。

求解连续性方程和动量守候方程时，还需补充反应湍流特性的湍流动能方程和湍流耗散方程.本文采用RNG 两方程湍流模型，其动能方程和动能耗散率方程分别可以描述为8pk 4- 曼! 2 4-曼l 2 4-曼! 垒2-旦f 1--at az 。 a、7 。 az az k az)( )袅( 凳)/It -.o c3 -旦3xf a8x Y 3z ax] af a 。

( 考) ( 窦)c t -C2PE 2c4式中：k为湍流动能；e为湍流动能耗散率； 为湍流黏度； 、C 、C2为RNG k-湍流模型的模型常数为黏性耗散； 分别是湍流动能k和湍流动能耗散率e对应的Prandtl数[8 ]。

2 3种不同阀芯调压阀结构图1分别给出了3种不同阀芯调压阀装配示意图，主要由阀体、阀芯、弹簧、增压活塞组成.阀芯剖面曲线方程分别为椭圆线、圆及锥形。

进油口 椭球形阀芯 弹簧(a)椭球形阀芯凋压阀阀体 出油口 增压活塞进油口 锥形阀芯 弹簧(b)锥形阀芯调压阀阀体 出油口 增压活塞进油口 球形阀芯 弹簧(c)球形阀芯调压阀图 1 3种不同阍芯调压阀装配结构示意图Fig.1 Assembling structure of pressure regulating valvewith three diferent spools3 流场仿真及分析3.1 有限元分析模型分别建立椭球形、锥形和球形 3种阀芯调压阀内流道的实体模型.采用Fluid 142单元对调压阀内流道实体模型进行有限元网格划分，有限元网格如图2所示，图中有限元网格为剖视图。

液压油采用 CD40 GB11122柴油机油，假设流体与壁面接触边界为静止绝热壁面，出口压力为0.3 MPa，给定进口流量。

3.2 不同开口度下流场仿真分析时调压阀进口流 为630/min，调压阀进口油温为58℃，在不同lI Ii阀阀芯开口度下分别对椭球形、锥形和球形 3种 调压阀内流道流厨行