徐州徐工挖掘机械事业部 小挖研究所 江苏徐州 221000
摘要：选用常见的湍流模型数值模拟外流式锥阀阀芯和阀口的压力和速度分布，研究了锥阀阀口处的压力与速度的特性关系，并将阀口简化成节流阻尼器理论推导出了平均流速、脉动流速和平均压力、脉动压力的关系。该研究进一步认清了外流式液压锥阀阀口处的流动特性。对如何削弱由流体工作过程中产生的锥阀纵向振动、轴向振动有一定的指导作用，进而对如何减弱液压系统中的振动有一定的帮助。
关键词：外流式；锥阀；脉动流速；压力脉动
1、几何建模
可视化半抛式实验模型，基于轴对称原则，建立锥阀阀道二维结构简图，阀口开度为0.5 mm，如图1：
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图1 外流式液压锥阀二维几何模型
2 流体仿真及分析
2.1计算网格与边界条件
本论文采用结构化的四边形网格划分流场。考虑到阀座与阀芯处为计算的关键，故对此处的网格进行加密，网格如图2所示。仿真计算了阀口开度始终保持0.5 mm开度，固定不变；进口压力为3.15 PMa，保持不变；出口压力分别为0.15 PMa、0.65 PMa、1.15 PMa；三种不同压差下的锥阀阀口锥面的压力分布和速度分布。
液压油取用工业用46°液压油，油温为常温。液压油基本参数为：油液密度（ρl）为872 kg/m3；油液动力粘度（μ）为0.046 。数值仿真结果与S Washio[4-5]等人的可视化半抛式实验结果基本一致；与曹秉刚[1]等人对内流式锥阀阀芯锥面的实验研究结果相似，且与冀宏[2]等人对非全周开口滑阀的压力分布研究有一定的一致性，可认为数值计算的结果可信度很高。
2.2数值计算结果与分析
1）外流式锥阀阀口流道速度脉动和压力脉动分析
本文章运用理论计算将速度矢量图和压力云图，分析了三种不同压差下，锥阀阀口处速度脉动矢量图和压力脉动云图的匹配关系。如图2、3、4所示：
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图2压差为3 MPa 速度矢量与压力云图
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图3压差为2.5 MPa 速度矢量与压力云图
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图4压差为2 MPa 速度矢量与压力云图
由上图可知，当外流式锥阀背压值不大时，虽然液流在流经锥阀阀芯节流阀口时，在锥阀阀芯上压力下降的最快，速度提升的最大，但在整个锥阀阀芯流道内，液流不会产生过大的速度回流和涡旋现象，因此，压力和速度不会产生强烈的波动。随着锥阀阀口背压值的进一步升高，液流在锥阀流道内的速度回流和涡旋加剧，甚至背压值的升高抑制了速度回流的扩散和涡旋的脱落，使得速度回流和涡旋面积在锥阀流道内所占的面积有所增大，这种随着背压压力的提升，导致回流和涡旋现象的加剧，进一步影响到锥阀阀芯锥面的压力分布和速度分布[3]。液流流经节流阀口后，锥阀阀芯锥面上的压力、速度的剧烈波动，可以解释为由于锥阀阀口背压压力的升高，导致阀口流到出口速度回流和涡旋现象的加剧，进而使得锥阀阀芯锥面的压力、速度均产生了剧烈的波动。
3 理论分析
当不考虑被压缩油液的密度变化，而且全过程看做是绝热压缩过程，也不考虑锥阀阀体机械振动的影响下，只考虑液体振动[12]，当雷诺数Re较大时，流量系数Cd可达0.78～0.8。而对于孔长较短的节流阻尼孔而言，当雷诺数Re较大时，流量系数Cd可达0.78～0.82[8]。因此，外流式液压锥阀阀口可看成是一种简化的节流阻尼器，由连续方程和节流计算公式，可推导出液体震动的脉动方程组：
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式（2）中：
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——分别表示为锥阀阀口某位置的瞬态流量、平均流量和脉动流量；
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、
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——分别表示为平均流量和脉动流量；
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——分别表示为平均压强和脉动压强；l、R——分别表示为某位置的流入和流出；a——表示为锥阀阀口的节流面积；Cd——表示为节流孔的过流系数；
n——节流指数；（一般n=0.5-1）
在没有振动（脉动量为零）时，
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由此可得脉动流量与脉动压强之间的关系：
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由公式4-4，可以看出锥阀阀口流量脉动的影响因素与锥阀阀
口的节流（a）、过流系数（Cd）、节流指数（n）、平均压差和脉动压差有关系。
4．结论
1、对于外流式锥阀而言，背压值的提升，使得锥阀阀芯锥面的受压强度增大，锥阀阀芯锥面的压力增加，这将会影响使锥阀阀芯轴向向力与侧向力同时增大，进而影响锥阀阀芯法芯的轴向振动。
2、背压值的提升，又会抑制锥阀阀口流道的速度脉动，使得速度脉动减弱，回流和涡旋面积在出口处有所增强，进而影响锥阀阀口流道的压力变化。
3、对于一个特定型号的锥阀而言，其流量脉动与a、Cd、
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、n、平均压差、脉动压差等因素有关，通过各项参数可以调节锥阀的固有频率，使得锥阀在外流特性下处于最佳状态。
参考文献：
[1]曹秉刚，史维祥，中野和夫.内流式锥阀液动力及阀芯锥面压强分布的实验研究[J].西安交通大学学报，1995，29（7）：7-13