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液壓與氣動(dòng):基于增材制造的液壓閥塊流道過(guò)渡區(qū)優(yōu)化研究

2022-04-08
摘要:器件小型化和集成化發(fā)展趨勢(shì),對(duì)液壓閥塊設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)工藝加工閥塊體內(nèi)部流道,不但工藝復(fù)雜難加工,而且成形的流道流動(dòng)特性有待提高。

  【作 者】李瑩;張玉瑩;柳寶磊;張晉;隋佳鑫

  【引 言】

  自大飛機(jī)戰(zhàn)略提出以來(lái),涌現(xiàn)出大批新技術(shù)、新材料、新工藝,減重成為飛行器作動(dòng)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向【1】。電動(dòng)靜液作動(dòng)器(Electro一Hydrostatic Actuator , EHA)通過(guò)取消集中式液壓能源系統(tǒng),集機(jī)、電、液于一體以實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)【2】。液壓閥塊是實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)的集中體現(xiàn),其各孔道與外部裝配的各種閥件相連通,以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的流通回路,是集成式液壓系統(tǒng)中不可或缺的一部分【3】。液壓閥塊的設(shè)計(jì)主要以滿(mǎn)足工藝孔數(shù)量最少·流道總長(zhǎng)度最短和體積最小為目標(biāo)【4-5】。

  降低閥塊壓力損失對(duì)于航空液壓系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義,閥塊的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)需要對(duì)壓力損失進(jìn)行評(píng)估。為改善流道的液流特性,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者一直對(duì)流道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行研究。英國(guó)巴斯大學(xué)早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始針對(duì)液壓閥塊內(nèi)部的流道設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。新加坡南洋理工大學(xué)深入研究了液壓閥塊的空間布局,開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)軟件,為流道的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了簡(jiǎn)單方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者也致力于流道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,采用Fluent等仿真軟件對(duì)傳統(tǒng)工藝成形的流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)減小壓損,減振降噪等目的【6-8】。最近,祝毅等【3】在研究流道的輕量化設(shè)計(jì)時(shí)提出了增材制造的新方法成形復(fù)雜曲線(xiàn)流道,解決了傳統(tǒng)工藝成形流道時(shí)存在的諸多問(wèn)題,基于增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了閥塊的輕量化設(shè)計(jì)和流道優(yōu)化。基于增材制造不僅可以?xún)?yōu)化流道橫截面形狀,還可以?xún)?yōu)化流道過(guò)渡區(qū)域連接方式,甚至設(shè)計(jì)變截面變壁厚流道,為流道優(yōu)化提供了新思路。本研究?jī)H考慮典型的平行流道之間的連接流道的可優(yōu)化性,分析流道過(guò)渡區(qū)域不同連接方式對(duì)流動(dòng)特性的影響,比較其壓力損失。

  【摘 要】器件小型化和集成化發(fā)展趨勢(shì),對(duì)液壓閥塊設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)工藝加工閥塊體內(nèi)部流道,不但工藝復(fù)雜難加工,而且成形的流道流動(dòng)特性有待提高。新型制造工藝增材制造一體化成形的特點(diǎn)使其在流道加工方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性。基于增材制造,對(duì)某一液壓集成閥塊的流道過(guò)渡區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),利用Fluent仿真,對(duì)直線(xiàn)過(guò)渡、圓弧過(guò)渡、B樣條曲線(xiàn)3種過(guò)渡方式連接的流道流動(dòng)特性進(jìn)行分析,B樣條曲線(xiàn)過(guò)渡流道較直線(xiàn)過(guò)渡流道壓力損失可降低55%以上,不同圓角半徑的圓弧過(guò)渡流道較直線(xiàn)過(guò)渡流道壓力損失可降低28%~56%,為基于增材制造的流道設(shè)計(jì)提供了必要的支持。

  【結(jié) 語(yǔ)】

  1、流道流體流經(jīng)直角轉(zhuǎn)彎處會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失,在直角內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壓力降低區(qū)域。流道流體流經(jīng)直角轉(zhuǎn)彎處,速度分布發(fā)生劇烈變化,直角內(nèi)側(cè)速度較低,外側(cè)速度較大,會(huì)產(chǎn)生渦流。直線(xiàn)過(guò)渡流道流動(dòng)特性最差,圓弧過(guò)渡曲線(xiàn)和B樣條曲線(xiàn)過(guò)渡流道的流動(dòng)特性均得以改善。且過(guò)渡圓角半徑越大,流道流動(dòng)特性越好;

  2、直線(xiàn)過(guò)渡流道每個(gè)直角處都有一個(gè)渦,隨著過(guò)渡圓角半徑逐漸增大,流道內(nèi)部速度流線(xiàn)逐漸規(guī)整平滑,B樣條曲線(xiàn)過(guò)渡流道的速度流線(xiàn)也十分流暢,基于增材制造,使用圓弧過(guò)渡曲線(xiàn)和B樣條曲線(xiàn)連接兩平行流道過(guò)渡區(qū)域流道流動(dòng)特性較好;

  3、在設(shè)置速度進(jìn)口邊界條件和壓力出口邊界條件的情況下,發(fā)現(xiàn)不同邊界條件下各種類(lèi)型的流道壓力損失均隨進(jìn)口速度增加而增大,隨出口壓力增加基本保持不變;

  4、增材制造工藝按照“鋪粉一激光燒結(jié)一基板下降一再鋪粉”的步驟循環(huán)工作逐層累加成形閥塊,設(shè)計(jì)流道時(shí),無(wú)需受傳統(tǒng)加工工藝約束,流道設(shè)計(jì)自由度大,但應(yīng)盡量避免流道方向突變,綜合運(yùn)用B樣條曲線(xiàn)和大圓角半徑圓弧過(guò)渡曲線(xiàn),結(jié)合空間布局因素合理設(shè)計(jì)流道過(guò)渡區(qū)域,改善流道流動(dòng)特性。

  以下是正文:

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