水壓錐閥閥芯表面微造型的潤滑性能研究

潘廣香，夏 秋，馬齊江

近年來，隨著國家對綠色環(huán)保、安全高效、節(jié)能減排等生產(chǎn)理念的大力提倡，水液壓技術(shù)已逐步替代傳統(tǒng)的油壓技術(shù)成為液壓傳動技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。由于水介質(zhì)的黏度低，難以形成潤滑膜，使摩擦副之間易形成干摩擦，導(dǎo)致水壓元件潤滑性能不佳，同時由于水介質(zhì)抗腐蝕性能差，加劇水壓元件的腐蝕磨損，嚴(yán)重影響使用壽命[2]。

表面微造型是通過激光微加工技術(shù)在摩擦副表面加工出納米級微小凹坑，以改善摩擦副表面摩擦磨損狀態(tài)。表面微造型因具有存儲潤滑油和微小磨粒，提高油膜厚度和承載能力，降低磨損，提高摩擦副使用壽命等優(yōu)點(diǎn)[3]，目前已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)已在機(jī)械密封、軸承、活塞環(huán)、噪聲抑制等領(lǐng)域取得一定的研究成果[4-6]。但是將表面微造型引入水壓傳動領(lǐng)域，研究表面微造型對水壓閥閥芯潤滑性能影響的相關(guān)研究還較少。文章以水壓錐閥為研究對象，研究加工有表面微造型的水壓錐閥閥腔內(nèi)的潤滑狀態(tài)，并重點(diǎn)研究表面微造型的形貌、幾何尺寸及分布密度對其潤滑性能的影響。

1 CFD幾何模型

運(yùn)動的錐閥閥芯與靜止的閥套構(gòu)成一對摩擦副，由于在內(nèi)徑較小的內(nèi)圓柱面上加工表面微造型較為困難，故微造型選擇加工在錐閥閥芯表面上，圖1所示為帶有表面微造型的水壓錐閥模型，開設(shè)的微小凹坑規(guī)律分布在錐閥芯外表面上。

圖1 帶有表面微造型的水壓錐閥閥芯模型

如圖2所示為簡化后的水壓錐閥二維流場仿真模型。由于表面微造型沿著閥芯呈周期性對稱分布，為簡化計算，取通過錐閥軸線和微造型中心對稱線的一個流體薄片進(jìn)行流場分析，將較為復(fù)雜的三維流場模型簡化成二維流場模型。

圖2 水壓錐閥二維流場仿真模型

圖3為常見四種表面微造型的幾何形貌，分別為圓柱形、圓錐形、半球形和圓臺形。圖中D表示微造型直徑，H表示微造型深度。

圖3 常見微造型幾何形貌

為進(jìn)一步研究表面微造型幾何尺寸對潤滑性能的影響，忽略閥芯-閥套摩擦副間液膜曲率半徑和其他次要因素的影響，截取a×a圓柱形表面微造型單元為研究對象[7]，如圖4所示，圖中r為微造型半徑，h為液膜厚度，h0為微造型深度。

圖4 圓柱形微造型單元

2 數(shù)學(xué)模型

對所建立的CFD仿真模型做如下假設(shè)：1)閥芯和閥套所構(gòu)成的摩擦副為同軸；

2)不計體積力的作用；

3)忽略溫度的影響，即水介質(zhì)的黏度和密度不變，且不可壓縮。

建立數(shù)學(xué)模型[8]：

連續(xù)性方程：

學(xué)校在進(jìn)行設(shè)計和規(guī)劃時，并沒有根據(jù)校園內(nèi)行車的需要對道路盡心規(guī)劃，使得道路較窄。比如，多數(shù)校園道路的設(shè)計局限于疏散人流的單一功能，并且人為地限制了車輛的同行。這使得學(xué)校內(nèi)雖然有大量的道路，但是多為狹窄的銷路，并且拐彎很多，一旦有大量的車輛進(jìn)入校園，就很難有足夠的空間行車，再加上路窄無法掉頭，因此很容易造成交通擁堵。

動量方程：

式中：u、ν、ω——沿x、y、z方向的速度；p——液膜壓力；ρ——水介質(zhì)密度；μ——水的動力黏度。

3 參數(shù)設(shè)定

為避免微凹坑形貌的變化，可通過改變單元微造型的邊長a來改變面積占有率，取微造型半徑r為30μm不變，微造型單元邊長a分別為170μm、120μm、100μm、85μm、75μm，計算并取整得面積占有率Sp約為10%、20%、30%、40%、50%。根據(jù)水壓閥配合間隙要求，選取單元微造型液膜厚度h=3.0μm，微造型深度h0分別選取1.8μm、2.4μm、3.0μm、3.6μm、4.2μm，計算可得高度比δ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。各參數(shù)選取如表1所示。

表1 各參數(shù)取值

4 計算與分析

根據(jù)簡化后的二維流場模型，運(yùn)用CAD繪制并導(dǎo)入到GAMBIT前處理器中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，因表面微造型尺寸較小，為提高計算精度，需對微小凹坑進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理。將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到FLUENT中，運(yùn)行仿真得到計算結(jié)果。

4.1 表面微造型形貌對潤滑性能的影響

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，選取圖3所示的四種形貌的表面微造型進(jìn)行仿真分析，得到如圖5所示的水壓錐閥閥芯表面靜壓力分布圖。閥芯表面的靜壓力值間接反應(yīng)閥腔內(nèi)的潤滑效果，壓力值大說明閥芯表面的承載能力大，可有效避免閥芯和閥套的直接接觸，減小摩擦副之間的摩擦磨損。結(jié)果表明，帶有不同形貌微造型的水壓錐閥其表面靜壓力分布狀態(tài)基本相同，但各處靜壓力值大小不同，其中圓臺形微造型相比于其他三種形貌的微造型可獲得較大的表面靜壓力，說明帶有圓臺形微造型的水壓錐閥閥腔內(nèi)潤滑性能較好。

圖5 閥芯表面靜壓力分布圖

4.2 表面微造型幾何尺寸對潤滑性能的影響

1.面積占有率Sp對潤滑性能的影響。針對同一表面微造型幾何尺寸(r=30μm，h=3μm，h0=3μm)，通過改變單元微造型邊長得到不同面積占有率Sp，運(yùn)行仿真得到不同Sp下的閥芯表面靜壓力分布圖，如圖5所示。分析可知：閥芯表面靜壓力值隨著面積占有率Sp的增大先增大后減小，當(dāng)面積占有率Sp=40%時，靜壓力值相對最大。說明表面微造型面積占有率Sp對閥腔內(nèi)潤滑性能有影響，當(dāng)面積占有率Sp取40%左右時，潤滑性能較好。

圖6 不同面積占有率Sp下閥芯表面靜壓力分布圖

2.高度比δ對潤滑性能的影響。當(dāng)不改變表面微造型的面積占有率Sp(r=30μm，a=85μm，h=3μm)，通過改變微造型深度得到不同高度比δ，運(yùn)行仿真得到不同δ下的閥芯表面靜壓力分布圖，如圖6所示。由圖可知，隨著表面微造型的高度比δ的增大，閥芯表面靜壓力值呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)高度比δ=1.2時，靜壓力值相對最大。由此說明，表面微造型的高度比對閥腔內(nèi)的潤滑性能有較大影響，當(dāng)高度比為1.2左右時，潤滑性能較好。

圖7 不同高度比δ下閥芯表面靜壓力分布圖

4.3 表面微造型分布密度對潤滑性能的影響

在不改變單一微造型形貌及幾何尺寸的前提下，選取不同數(shù)量的微造型，研究表面微造型分布密度對閥腔內(nèi)潤滑性能的影響。因閥芯微造型規(guī)律分布，當(dāng)閥芯軸向微造型數(shù)目不變時，沿閥芯周向微造型的排列數(shù)N越多，即說明微造型的分布密度越大。排列數(shù)N分別取11、14、17、21、24、28，仿真分析得到如圖8所示的不同微造型分布密度下的閥芯表面靜壓力分布圖。

由圖可知，隨著表面微造型的分布密度增大，閥芯表面靜壓力值增大，閥腔內(nèi)潤滑性能變好。但是表面微造型分布過密會增加閥芯的名義膜厚，造成整個液膜壓力下降，同時也會削弱閥芯的承載能力。

圖8 不同分布密度下閥芯表面靜壓力分布圖

5 結(jié)論

1.當(dāng)水壓錐閥閥芯上加工有表面微造型時，其閥腔內(nèi)潤滑性能得到改善，且不同形貌的微造型所產(chǎn)生的潤滑效果不同，其中圓臺形微造型所產(chǎn)生的潤滑性能較好。

2.單元微造型的面積占有率Sp和高度比δ對閥腔內(nèi)容潤滑性能影響明顯，當(dāng)Sp選擇在40%左右，δ選擇在1.2左右時，潤滑性能較好。

3.表面微造型分布密度越大，閥腔內(nèi)潤滑性能越好，但是過多的加工微造型會降低閥芯的承載能力。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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