負載敏感閥閥芯卡死現(xiàn)象的分析與研究

李粉霞

(山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治 046011)

在變量液壓泵中，控制閥部件起著關(guān)鍵的作用，閥芯在閥體中要進行頻繁的往復(fù)運動，同時由于液壓油的流動產(chǎn)生的液壓沖擊、氣蝕等現(xiàn)象，因此，閥體的鑄造材料就必須具備能承受復(fù)雜的載荷，強度、韌性、耐磨性高等條件。球墨鑄鐵作為20世紀50年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料，基本具備了一系列的綜合性能要求，迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料，也成為在液壓傳動領(lǐng)域鑄造閥體的首選材料，作為摩擦副與閥芯配對。

然而，這種材料在閥體中運用一段時間后，在不間斷的維修實踐中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會出現(xiàn)閥芯卡死不工作的現(xiàn)象，嚴重的會導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)不能正常工作。針對以上現(xiàn)象，經(jīng)過對DFR閥體機制以及鑄造材料的進一步分析，提出了在不改變原有材料基礎(chǔ)上的球墨鑄鐵閥體軟氮化處理的有效措施，解決了由于材料問題所引起的閥芯卡死這一難題。DFR閥機構(gòu)如圖1所示。

1 閥芯卡死機制分析

在液壓泵具體工作過程中，根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境以及不同人員的操作，造成閥芯卡死的原因很多，例如:閥體孔與閥芯間隙過小，油溫升高后，閥芯膨脹卡入閥孔內(nèi);閥芯幾何尺寸與形位公差超差，閥芯與閥體裝配軸線不重合;閥芯表面有毛刺，或閥芯被碰傷等。對于這些由于外界環(huán)境或人為操作等原因造成的卡死現(xiàn)象，可以采取去除閥芯上的毛刺、用100目油石清理、用相應(yīng)的研磨膏研磨、過濾油液雜質(zhì)等方式來解決。然而對于由于長時間閥體與閥芯材料磨損等原因造成的閥芯卡死就不是那么輕易可以解決的了。

要從根本上解決力士系列A10泵上的DFR閥閥芯卡死現(xiàn)象，就要針對產(chǎn)生的原因，首先從原理上來進行分析。

(1)液壓沖擊

在液壓系統(tǒng)工作過程中，閥路中流動的液壓油往往會因閥芯的換向或者關(guān)閉而停止運動，由于流動液體和運動部件慣性的作用，使系統(tǒng)內(nèi)瞬時形成很高的峰值壓力，這種現(xiàn)象就稱之為液壓沖擊。液壓沖擊的出現(xiàn)可能對液壓系統(tǒng)造成較大的損傷，在高壓、高速及大流量的系統(tǒng)中其后果更嚴重。

(2)氣穴現(xiàn)象

在液壓傳動中，液壓油總是含有一定量的空氣，空氣可溶解在液壓油中，也可以氣泡的形式混合在液壓油中。對于礦物型液壓油，常溫時在一個大氣壓下約有9%的溶解空氣。如果某一處的壓力低于空氣分離壓力時，溶解于油液中的空氣就會從液壓油中分離出來形成氣泡，當壓力降至液壓油的飽和蒸汽壓力以下時，油液就會沸騰而產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡混雜在油液中，使得原來充滿管道和元件容腔中的油液成為不連續(xù)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。

在碰到高壓區(qū)域時，氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡在高壓油的作用下迅速破裂，并凝結(jié)成液體使體積突然減小而形成真空，周圍高壓油高速流過來補充。由于這一過程是在瞬間發(fā)生的，因而引起局部液壓沖擊，壓力和溫度都急劇上升。在氣泡凝結(jié)區(qū)域的管壁及其他液壓元件的表面，因長期受沖擊壓力和高溫作用，以及從油液中游離出來的空氣的腐蝕作用，管道內(nèi)壁及其他液壓元件受損，凹凸不平。

閥體與閥芯的配合，中間為環(huán)形縫隙，如圖2所示。

圖2 閥體與閥芯的配合

環(huán)形縫隙流量可以用以下公式表示:

式中:μ為流體的動力黏度系數(shù);

l為縫隙的長度;

Δp為環(huán)形縫隙兩端的壓差。

當閥芯有偏心時，流量計算公式則為:

式中:ε=，其中e為兩個圓筒形壁面的偏心距。

當閥芯不動作時，液壓油按照環(huán)形縫隙正常的泄漏量流動，由于環(huán)形縫隙兩端壓力差較大，因此，環(huán)形縫隙上不斷發(fā)生著氣穴現(xiàn)象，當壓力達到一定程度時，閥芯開始運動，當閥芯運動到位，就會突然停止運動，這樣就會導(dǎo)致閥路中液壓油壓力驟然升高，壓力升高的最大值可按下面公式計算:

式中:ρ為流體密度 (kg/m3);

v為管中原來的流速 (m/s);c為沖擊波的傳播速度 (m/s)。c與管路的彈性、管徑、壁厚等有關(guān)，可按下面公式計算:

式中:K為流體的體積彈性系數(shù);

E為管材的彈性模量。

在實際工作過程中，閥芯始終在按照“運動—停止—運動”的程序往復(fù)地工作，那么液壓泵體中的液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象就會隨之而發(fā)生著。由式(3)可知，有時瞬間壓力可高達正常工作壓力的3～4倍。

大量的實踐證明:在球鐵閥體上，由于液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生，球鐵閥體內(nèi)壁就會出現(xiàn)腐蝕，腐蝕現(xiàn)象導(dǎo)致液壓閥在經(jīng)過一段時間的工作后，閥體內(nèi)壁粗糙度增加，而閥體與閥芯間隙又很小(一般在0.05 mm左右)，造成閥芯動作不靈活，繼而卡死。

2 閥芯卡死現(xiàn)象的解決措施

如果為了解決閥芯卡死的現(xiàn)象而不斷地更換閥體閥芯，勢必會造成成本上的極大浪費，而且也會給公司信譽造成一定的影響。如何能在不改變材料的情況下，提高球鐵閥體內(nèi)壁的硬度和耐磨性成為解決問題的最好辦法。下面以對QT500-7的軟氮化處理為例進行闡述，表1為QT500-7力學(xué)性能表。

表1 QT500-7力學(xué)性能表

在正常情況下，QT500-7的硬度較低，通過普通的熱處理方式并不能夠大幅提高球鐵的表面硬度。通過不斷的試驗與研究，對CFR閥體采用“氮碳共滲”的熱處理方式，使液壓閥由于氣穴的液壓沖擊而造成的閥芯卡死現(xiàn)象得到了有效的緩解。

氮碳共滲，也稱軟氮化，是指在零件表面同時滲入氮和碳，并且以氮元素為主的一種熱處理工藝。球墨鑄鐵軟氮化處理可以大大提高零件的表面硬度、耐磨性和疲勞抗力，并且具有一定的耐蝕性能等，主要適用于承受小能量沖擊載荷、磨損嚴重和需要高接觸疲勞強度的情況。其應(yīng)用范圍很廣，一般以碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和鑄鐵等制作的零件均可進行軟氮化。

3 具體處理實例

在此，以QT500-7軟氮化處理具體措施為例來進行說明。QT500-7在RJJ-105-9T型井式氣體滲碳爐中，利用尿素進行氣體氮碳共滲。裝爐后，利用甲醇以150～180滴/min的供給量進行強排氣0.5～1 h，以除凈爐內(nèi)空氣;在570℃高溫下進行共滲，保持4～5 h，共滲階段爐內(nèi)壓力為600～800 Pa，尿素供給量為700～900/h;零件共滲后出爐油冷。經(jīng)上述處理后，零件的共滲層深度達到0.05～0.08 mm，表面硬度可達到HV680(維氏硬度)，比處理前的硬度提高了3倍以上，大大提高了閥體的使用壽命。

4 小結(jié)

針對CFR閥芯卡死現(xiàn)象進行反復(fù)試驗，最終采用專門的軟氮化爐對液壓閥體內(nèi)壁進行局部軟氮化處理，使閥體內(nèi)壁表面的硬度、耐磨性、沖擊抗力以及耐腐蝕性能等各方面指標均有了很大改善，為用戶節(jié)約成本的同時，也為公司贏得了榮譽。

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