三用閥閥芯微造型的動壓潤滑性能

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(安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南　232001)

引言

可靠、安全、環(huán)保的水壓傳動技術是21世紀的新型綠色傳動技術，也是國際上流體傳動與控制領域的最新發(fā)展方向之一[1,2]。三用閥是煤礦生產中控制單體液壓支柱升柱、承載和回柱過程的核心部件，傳統(tǒng)三用閥采用乳化液為工作介質， 乳化液外排將對水資源造成嚴重污染，同時乳化液需預先配制，工人勞動強度大，使用成本高[3]。水壓三用閥是以水為工作介質的新型三用閥。水具有環(huán)境友好、價格低廉、阻燃性好等諸多優(yōu)點，因而研制水壓三用閥對降低煤礦支護成本，保護礦區(qū)環(huán)境，減輕工人勞動強度具有重要意義。但同時水也具有黏度低、潤滑性能差等特性，導致三用閥閥芯潤滑性能差，摩擦磨損嚴重[4,5]。特別是三用閥中的安全閥閥芯運動最頻繁的，其潤滑及磨損問題尤為嚴重。

微造型是表面工程技術領域改善摩擦副表面特性的新型技術手段，具有二次潤滑，儲存顆粒雜物、微流體動壓潤滑等功能[6,7]。目前廣泛應用于機械密封、缸套及硬盤減摩、推力軸承潤滑等技術領域[8-10]。為解決三用閥中安全閥閥芯的潤滑及磨損問題，本研究將微造型引入閥芯結構設計中，利用微造型的微坑儲存磨粒和潤滑液體以改善磨損狀況，同時利用微造型的動壓潤滑特性以提高閥芯的潤滑性能，并著重研究不同微造型參數對其動壓潤滑性能的影響規(guī)律。

1　CFD模型的建立

1.1　三用閥安全閥閥芯的幾何模型

三用閥的安全閥閥芯微造型結構如圖1所示，閥套為靜止部件，閥芯為運動部件，閥芯和閥套構成一對摩擦副。摩擦副的密封帶可將進液口和出液孔的高壓液體(壓力為pn)與低壓液體(壓力為p0)隔開，起到密封作用；同時進液口和出液孔的高壓液體進入密封帶間歇及微凹坑，形成潤滑油膜，微凹坑不僅可以存儲磨屑及潤滑液體，還可以起到動壓潤滑的效果。

1.閥芯　2.進液口　3.出液孔　4.閥套　5.微造型　6.密封帶圖1　安全閥閥芯微造型結構示意圖

由于閥芯沿周向的微造型具有周期循環(huán)與對稱性，軸向微造型單元前后具有連續(xù)性，為方便研究可將閥芯圓柱面沿周向展開成平面，并取其中一個微造型單元進行研究。如圖2所示，最終將整個柱面微造型簡化為單個尺寸為l×l的微造型單元進行分析[11,12]。為進一步簡化計算模型，將單個微造型單元從中心沿軸向剖開，得到微造型單元二維流場的計算模型，具體如圖3所示，圖3中的上壁面為閥套，下壁面為閥芯。

圖2　安全閥閥芯微造型結構

1.閥芯　2.進液口　3.出液孔　4.閥套5.微造型　6.密封帶圖3　單個微造型二維流場模型

1.2　微造型模型CFD方程建立[13]

為便于計算，得到適用于微造型的簡化N-S方程，并作以下假設：

(1) 僅考慮穩(wěn)態(tài)情況；

(2) 忽略體積力的作用；

(3) 忽略粗糙度的影響；

(4) 忽略高壓下水的密度變化；

(5) 考慮二維表面織構情況。

簡化的沿x方向的N-S方程：

(1)

簡化的沿y方向的N-S方程：

(2)

流體連續(xù)性方程：

(3)

式中：u、v為沿x、y方向的速度；ρ為介質密度；η為介質動力黏度；p為油膜壓力。

閥芯表面線長度上承受的y方向(垂直閥芯表面)的流體壓力方程：

(4)

1.3　邊界條件設置[14]

設閥芯運動過程中始終與閥套同軸，壓力沿y方向的梯度相等。如圖3所示，微造型單元的左右兩壁面采用帶壓差的周期邊界條件；上壁面和下壁面均采用壁面無滑移邊界條件，且上壁面靜止不動，下壁面速度為閥芯滑移速度U。其中周期邊界的壓力梯度由下式確定：

(5)

式中：l為微造型單元尺寸；pi為第i個微造型單元高壓端壓力；pi-1為第i個微造型單元低壓端壓力；pn為高壓腔壓力；p0為低壓腔壓力(取1個標準大氣壓)；n為一排軸向微造型單元中處于密封帶的數目；L0為密封帶軸向密封長度。

2　基本參數設置及計算模型建立

2.1　基本參數設置

根據水壓三用閥的機械結構，確定密封帶軸向密封長度L0等于微造型區(qū)域軸向長度L，即取L0=L=5 mm，工作壓力pn取三用閥的初撐壓力20 MPa，環(huán)境壓力取101325 Pa。微造型下壁面移動速度取閥芯的瞬時滑移速度，水介質的動力黏度取1000 N·s/m2，密度取1000 kg/m3。并根據式(5)確定周期邊界的壓力梯度為4.98 kPa/μm。

根據鄧海順[6]、符永宏[11]、馬晨波[13]、張文謙[14]等人的研究結論，同時結合水壓閥的結構特點[1-4]，確定微造型的主要結構及速度參數如下：微造型單元尺寸l取100 μm，微造型半徑rp取15～45 μm，壁面間隙h0取2～5 μm，微造型深度hp取2～8 μm，壁面速度U取1.5～5.5 m/s。并約定一串數組“l(fā)-rp-hp-h0-U”表示一組參數設置，例如“100-25-4-3-2.5”表示“l(fā)=100 μm，rp=25 μm，hp=4 μm，h0=3 μm，U=2.5 m/s”的一組參數設置。

2.2　計算模型建立

根據幾何參數，運用CAD軟件繪制不同參數下的微造型幾何模型，再將幾何模型分別導入GAMBIT前處理軟件進行網格劃分、定義邊界類型，并生成mesh網格文件；然后通過Workbench平臺將mesh文件導入CFD中進行模型參數、邊界參數及仿真參數設置；最后運行計算并通過CFD后處理軟件對計算結果進行處理。

3　結果與分析

不同參數影響下的閥芯表面壓力分布曲線如圖4至圖7所示。由圖可知壓力p從微造型單元起始處開始下降，在微凹坑起始處附近下降至最低，然后又上升，直至微凹坑結束處附近達到最大值，接著又下降，在微造型單元結束處壓力又回歸至起始值?？梢妷毫ρ亻y芯的分布近似于正余弦曲線，且正壓區(qū)面積明顯大于負壓區(qū)面積，說明閥芯微造型的動壓潤滑效果明顯，為更直觀判斷不同參數對動壓的影響效果，根據式(4)將壓力分布曲線關于x求積分，得到不同參數下閥芯承載力情況，如圖4至圖7中對應的附圖所示。

如圖4所示，壁面間隙h0對正壓區(qū)影響較負壓區(qū)要大，不同參數下負壓區(qū)曲線相對聚攏，而正壓區(qū)相對分散，由附圖可見隨著壁面間隙h0的增大，閥芯承載力先略微減小然后逐步增大，且在h0=2.5 μm時承載力最低。因水介質的黏度較低，隨著壁面間隙h0的增大，泄漏量也會增大，而壁面間隙h0過小則加工難度大，成本高，因此水壓三用閥微造型間隙h0取3～4 μm比較合適。

圖4　壁面間隙h0的影響

如圖5所示，隨著微造型深度hp的增加，閥芯承載力先增大然后再逐漸減小，存在最優(yōu)的取值范圍，即在3 μm

如圖6所示，微造型半徑rp越大則閥芯承載力越大，動壓潤滑效果越好。由壓力分布曲線可知，微造型半徑rp對正負壓區(qū)影響均較大，正負壓區(qū)呈近似反對稱變化，但正壓區(qū)增長比負壓區(qū)增長稍大，因而雖然隨微造型半徑rp的增加，閥芯承載力有所增大，但其數值相對較小。

圖6　微造型半徑rp的影響

如圖7所示，隨壁面速度U的增加，正壓區(qū)逐漸增大負壓區(qū)逐漸減小，故疊加后閥芯承載力不斷增大。可見高移動速度才能產生好的動壓潤滑效果。而煤礦水壓三用閥工作壓力波動大，頂板來壓時閥芯瞬時速度高，因而煤礦水壓三用閥的閥芯能很好滿足動壓潤滑的速度要求。

圖7　壁面速度U的影響

4　結論

(1) 閥芯表面壓力分布近似于正余弦曲線，且正壓區(qū)面積明顯大于負壓區(qū)的面積，說明合適的閥芯微造型能夠產生良好的動壓潤滑效果。

(2) 油膜對閥芯承載力，隨微造型半徑及移動速度的增大而增大，隨微造型深度的加深而先升后降，隨壁面間隙的增大而先降后升，較佳的微造型深度和壁面間隙均為3～4 μm。

(3) 三用閥閥芯運動頻繁且速度快，滿足動壓潤滑的速度要求，故通過閥芯微造型設計以改善其潤滑及抗磨損性能，具有可實現(xiàn)的前提條件。

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