Определение гидродинамической силы, действующей на золотник электрогидравлического усилителя мощности с применением средств вычислительной гидродинамики
Автор: Хабарова Дарья Федоровна, Битюцких Сергей Юрьевич, Исмагилов Александр Рашидович, Ардашев Дмитрий Валерьевич
Рубрика: Расчет и конструирование
Статья в выпуске: 2 т.23, 2023 года.
Бесплатный доступ
Разработка и проектирование золотниковых электрогидравлических усилителей мощности с высокими требованиями к динамическим характеристикам сопряжены с необходимостью точного расчета силовых воздействий на золотник. При работе усилителя наибольшее воздействие на золотник оказывает гидродинамическая сила, которая определяется расходом жидкости и углом отклонения струи. Вместе с тем существующие методики расчета величины гидродинамической силы не учитывают действительную форму гильзы и буртов золотника, что негативно сказывается на точности расчета. Статья посвящена разработке методики расчета величины результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник электрогидравлического усилителя мощности с применением средств вычислительной гидродинамики, учитывающей действительную форму гильзы и буртов золотника. В статье представлены параметры и результаты моделирования течения жидкости через золотниковую пару электрогидравлического усилителя мощности в различных положениях золотника при перепаде давлений на усилителе 7МПа в условиях отсутствия нагрузки. По результатам моделирования для каждого из рассматриваемых положений золотника определен фактический расход жидкости через гидроусилитель, а также углы отклонения струй с учетом действительной геометрии пары золотник - гильза. По данным о фактических расходах определены коэффициенты расхода усилителя и построена его расходная характеристика. С применением данных об углах отклонения струй и полученной расходной характеристики рассчитана зависимость результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник электрогидравлического усилителя мощности от положения золотника. По результатам исследования сформулирована пошаговая методика расчета результирующего воздействия гидродинамической силы на золотник, которая применима для различных режимов работы гидроусилителя, определяющихся давлением питания и величиной нагрузки.
Электрогидравлический усилитель мощности, золотник, гидродинамическая сила, вычислительная гидродинамика
Короткий адрес: https://sciup.org/147240896
IDR: 147240896 | УДК: 621.22-226 | DOI: 10.14529/engin230201
Measuring the impact of flow force on the spool of a servo valve by means of computational fluid dynamics
The development and design of servo valve spools with high performance requirements require accurately calculating the impacts on the spool. During the operation of the servo valve, the most significant impact on the spool is exerted by the flow force, which is determined by the flow rate of the liquid and the angle of deflection of the jet. Existing methods for calculating the magnitude of the flow force do not take into account the actual shape of the sleeve and spool collars, which negatively affects the accuracy of the calculations. This article develops a method for calculating the impact of the flow force on a servo valve spool using computational fluid dynamics, taking into account the shape of the sleeve and spool collars. The article presents a simulation of the fluid flow through the spool sleeve of a servo valve in various positions of the spool at a pressure drop across the valve of 7 MPa under no load conditions. Based on the simulation results, for each of the spool position under consideration, the actual flow rate through the servo valve and the jet deflection angles are determined, taking into account the actual structure of the spool sleeve. Based on the actual flow rates, the flow rate coefficients of the servo valve are defined and the flow characteristics are built. Using the data on the jet deflection angles and the obtained flow characteristic, the dependence of the resulting impact of the flow force on the spool of the servo valve on the spool position is calculated. As the result of the study, a step-by-step method for calculating the resulting impact of the flow force on the spool is developed, which is applicable for various operating modes of the servo valve, determined by the supply pressure and the load values.
Список литературы Определение гидродинамической силы, действующей на золотник электрогидравлического усилителя мощности с применением средств вычислительной гидродинамики
- Лернер Д.Л., Спиридонов Е.К., Форенталь В.И. Комплексный подход к исследованию дросселирующего распределителя // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 1-2. С. 459-462.
- Свойкин А.О. Уменьшение гидродинамической силы в гидрораспределителе путем модернизации деталей золотниковой пары // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2021. № 4. С. 356-368. DOI: 10.22281/2413-9920-2021-07-04-356-368
- Определение гидродинамической силы, действующей на золотник в статике / Я.А. Гусенцова, В.В. Бугаенко, А.Т. Павленко, И.К. Максюк //Вестник Луганского государственного университета имени Владимира Даля. 2021. № 11(53). С. 40-43.
- Салман М.И., Попов Д.Н. Уравновешивание гидродинамических сил путем профилирования поверхности золотника // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 11. С. 33-54. DOI: 10.7463/1112.0491497.
- Lisowski E., Czyzycki W., Rajda J. Three Dimensional CFD Analysis and Experimental Test of Flow Force Acting on the Spool of Solenoid Operated Directional Control Valve // Energy Conversion and Management. 2013. Vol. 70. P. 220-229. DOI: 10.1016/j.enconman.2013.02.016
- Reduced Order Model for Estimation of Fluid Flow and Flow Forces in Hydraulic Proportional Valves / J.R.Valdes, M.J. Miana, J.L. Nunez, T. Putz // Energy Conversion and Management. 2008. Vol. 49, Iss. 6. P. 1517-1529. DOI: 10.1016/j.enconman.2007.12.010.
- Amirante R., Vescovo G.D., Lippolis A. Flow Forces Analysis of an Open Center Hydraulic Directional Control Valve Sliding Spool // Energy Conversion and Management. 2006. Vol. 47, Iss. 1. P. 114-131. DOI: 10.1016/j.enconman.2005.03.010.
- Amirante R., Moscatelli P., Catalano L. Evaluation of the Flow Forces on a Direct (Single Stage) Proportional Valve by Means of a Computational Fluid Dynamic Analysis // Energy Conversion and Management. 2007. Volume 48, Issue 3. P. 942-953. DOI: 10.1016/j.enconman.2006.08.024.
- Amirante R., Moscatelli P., Catalano L. Evaluation of the Flow Forces on an Open Centre Directional Control Valve by Means of a Computational Fluid Dynamic Analysis // Energy Conversion and Management. 2006. Volume 47, Issue 13-14. P. 1748-1760. DOI: 10.1016/j.enconman.2005.10.005.
- Frosina E., Senatore A., Buono D. 3D CFD Transient Analysis of the Forces Acting on the Spool of a Directional Valve // Energy Procedia. 2015. Volume 81. P. 1090-1101. DOI: 10.1016/j. egypro.2015.12.131
- Improving the position control performance of a Proportional spool valve, using a 3D CFD modeling / A. Senatore, D. Buono, E. Frosina, M. Pavanetto, I.J. Costin, M. Olivetti // Proceedings IFPE Technical Conference. 2014. Paper no. 29.2.
- Flow Analysis of a Novel, Three-Way Cartridge Flow Control Valve / E. Lisowski, G. Filo, P. Pluskowski, J. Rajda // Applied Science. 2023. Volume 13, Issue 6. P. 3719-3735. DOI: 10.3390/app13063719.
- Flow force research and structure improvement of cartridge valve core based on CFD method / J. Liu, R. Li, X. Ding, Q. Liu // Heliyon. 2022 Volume 11, Issue 8. e11700. DOI: 10.1016/j.heliyon. 2022.e11700.
- Салман М.И., Попов Д.Н. Компьютерное исследование и расчёт гидродинамических нагрузок на золотник / М.И. Салман, // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 10. С. 79-92. DOI: 10.7463/1112.0491484.
- Vescovo G.D., Lippolis A. Three-Dimensional Analysis of Flow Forces on Directional Control Valves, // International Journal of Fluid Power. 2003. Volume 4, Issue 2. P. 15-24. DOI: 10.1080/14399776.2003.10781162
- Structure Optimization of Conical Spool and Flow Force Compensation in a Diverged Flow Cartridge Proportional Valve / L. Tan, H. Xie, H. Chen, H. Yang // Flow Measurement and Instrumentation. 2019. Volume 66. P. 170-181. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2019.03.006.
- Analysis of flow structure inside a spool type pressure regulating valve / H. Chattopadhyay, A. Kundu, B.K. Saha, T. Gangopadhyay // Energy Convers Manage. 2012. Volume 35, Issue 1. P. 196-204. DOI: 10.1016/j.enconman.2011.08.021.
- A New k-£ Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows / T.H. Shih, W.W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu // Computers & Fluids. 1995. Volume 24, Issue 3. P. 227-238. DOI: 10.1016/0045- 7930(94)00032-T.
- ANSYS FLUENT Theory Guide. Realise 19. Ansys Inc., 2019. 826p.
- ANSYS FLUENT User Guide V. 19.2. Ansys Inc., 2019. 2334p.
- Форенталь В.И. Гидравлические усилители мощности: учебное пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2005. 103 с.
