不同開(kāi)口度下的煤礦水液壓安全閥的氣蝕特性

張文標(biāo)，何 濤，王傳禮，陳明亮 ，李 成

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.安徽理工大學(xué) 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

引言

氣蝕的產(chǎn)生是因?yàn)榻橘|(zhì)中有氣穴出現(xiàn)，研究氣穴的發(fā)展和生長(zhǎng)對(duì)液壓零部件的性能、壽命和穩(wěn)定性等是很重要的[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安全閥的介質(zhì)用水來(lái)代替時(shí)會(huì)取得更好的效果，氣蝕的范圍更小[2-3]。氣穴首先產(chǎn)生于進(jìn)口位置，當(dāng)兩端的壓差逐漸增大時(shí)，就會(huì)漸漸地向出口移動(dòng)，為了減少氣穴現(xiàn)象，通常會(huì)采用增加背壓的方式[4-5]。

鄭文婧[6]對(duì)液壓錐閥在不同半錐角和開(kāi)口度下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣蝕的產(chǎn)生是因?yàn)殚y腔內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)了負(fù)壓，并提出了閥芯錐面與柱面的連接之間采用圓弧過(guò)渡以及二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕結(jié)構(gòu)；李暢[7]利用BioTRIZ理論設(shè)計(jì)、加工和組裝了一種具有仿生特性的新型水液壓先導(dǎo)溢流閥，對(duì)其基本特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析從而降低壓差和減少氣蝕；耿圣陶等[8]以高壓差氣蝕工況控制閥設(shè)計(jì)為例，提出一種介質(zhì)壓力分配方法且有效抑制了氣蝕的產(chǎn)生。本研究通過(guò)對(duì)煤礦水液壓支架安全閥的閥腔氣蝕特性進(jìn)行研究，分析了閥口在不同啟動(dòng)次序下開(kāi)口度對(duì)壓力與氣相分布規(guī)律的影響，并改善了安全閥的性能。

1 煤礦水液壓安全閥結(jié)構(gòu)原理

基于傳統(tǒng)的安全閥閥腔結(jié)構(gòu)，在所研究的安全閥閥芯靠近水介質(zhì)入口端增設(shè)一排出液孔，具體閥腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。水介質(zhì)從閥芯入口流入閥腔，當(dāng)流至2個(gè)閥口附近后，閥口1，2開(kāi)啟，流動(dòng)方向由軸向轉(zhuǎn)為徑向，水介質(zhì)從出口處流出。

圖1 不同啟動(dòng)次序下安全閥閥芯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

2 CFD模型建立

2.1 邊界條件

針對(duì)閥腔內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)的氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究，故采用多相流模型，設(shè)定主相為水，次相為水蒸汽，打開(kāi)Cavitation模塊；由于仿真時(shí)其汽化壓力較高，雷諾數(shù)及流速大，故采用Realizablek-ε模型；根據(jù)煤礦水液壓支架安全閥的工況[9]，將入、出口邊界分別設(shè)置為壓力入口(pressure-inlet)和壓力出口(pressure-outlet)，并設(shè)置入口壓力為32 MPa，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計(jì)算結(jié)果收斂精度為10-6；基于壓力-速度耦合算法[10-11]設(shè)定離散格式為Presto。

2.2 參數(shù)設(shè)置

閥芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)取雙排閥口、出液孔數(shù)為16、孔徑為1.4 mm、孔間距為8 mm，分別取閥口開(kāi)口度x為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 mm，建立不同開(kāi)口度下閥腔幾何模型，運(yùn)用Fluent分別對(duì)閥芯內(nèi)部流場(chǎng)水介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真[12]。

3 仿真計(jì)算與分析

3.1 同步啟動(dòng)

圖2a閥芯上半部分是同步啟動(dòng)下閥口開(kāi)度x為0.2～1.2 mm 時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)中心截面的壓力和流線分布圖。可以看出：閥腔流場(chǎng)壓力在x為0.2～0.8 mm 時(shí)不斷下降，壓力驟降主要發(fā)生在2個(gè)閥口附近處；當(dāng)開(kāi)口度繼續(xù)增大后，2個(gè)閥口前端和后端的壓力基本保持不變，維持在0附近。

圖2a閥芯下半部分則是對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖?？梢钥闯觯洪_(kāi)口度越大，閥口附近空化現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)閥口開(kāi)度x為1.0～1.2 mm后期時(shí)，2個(gè)閥口后端空化面積較大，最大氣相體積分?jǐn)?shù)維持在0.95附近。

圖2 不同開(kāi)口度下閥口的壓力流線與氣相云圖

圖3是閥口1，2不同啟動(dòng)次序下的壓力與氣相分布曲線。可以看出：當(dāng)雙排閥口開(kāi)口度較小時(shí)，由于溢流少、節(jié)流作用較強(qiáng)，且閥口靠近入口處為閉合狀態(tài)可及時(shí)補(bǔ)充壓力損失，故有效抑制了氣穴的產(chǎn)生。隨著開(kāi)口度越大，空化發(fā)生在閥口壓力為3170 Pa的低壓區(qū)，并在x為1.0 mm時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值0.998，溢流量迅速增大，加劇了氣穴的形成。

3.2 閥口1先全開(kāi)

圖2b閥芯上半部分是閥口1先全開(kāi)下閥口2開(kāi)度x為0.2～1.2 mm時(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)中心截面的壓力和流線分布圖。可以看出：閥口1內(nèi)部流場(chǎng)負(fù)壓基本維持在-0.099 MPa左右，靠近入口處的閥口2在x為0.2～0.4 mm時(shí)高壓區(qū)域比較集中，隨著開(kāi)口度的慢慢增加，壓力才逐漸地降低，最后同樣維持在-0.099 MPa左右。

圖2b閥芯下半部分則是對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖。遠(yuǎn)離入口處的閥口1由于一直維持著負(fù)壓不變，氣蝕范圍很大；而閥口2處的最大氣相體積分?jǐn)?shù)在x為1.0 mm時(shí)達(dá)到最大值0.997，氣蝕破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

觀察圖3閥口1先全開(kāi)下2個(gè)閥口的狀態(tài)曲線，可以看出：閥口2在前半段開(kāi)啟過(guò)程中，最低壓力呈階梯式下降能量損失比較低，不易發(fā)生氣蝕；到后半段開(kāi)啟過(guò)程中，由于閥口2與閥口1的過(guò)流面積比增大，其最低壓力直接降為負(fù)壓，因此極易發(fā)生氣蝕。雙排閥口的分壓作用，降低了閥口2附近的壓力梯度，使得閥腔內(nèi)部壓力更均勻，抑制了閥腔內(nèi)的部分氣穴形成。

3.3 閥口2先全開(kāi)

圖2c閥芯上半部分是閥口2先全開(kāi)下閥口1開(kāi)度x為0.2～1.2 mm時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)中心截面的壓力和流線分布圖?？梢钥闯觯洪y口2內(nèi)部流場(chǎng)負(fù)壓基本維持在-0.099 MPa左右，遠(yuǎn)離入口處的閥口1在前半段開(kāi)啟中，壓力隨著開(kāi)口度的增大而降低，當(dāng)x為1.0 mm時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)壓，隨后壓力變化不大。

圖2c閥芯下半部分則是對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖?？梢钥闯觯合啾韧絾?dòng)和閥口1先全開(kāi)啟動(dòng)，閥口2先全開(kāi)時(shí)閥口的氣相體積分?jǐn)?shù)降低很多，整體分布更加均勻，氣蝕范圍減小。

觀察圖3閥口2先全開(kāi)下2個(gè)閥口的狀態(tài)曲線，可以看出：由于閥口1尾椎部分存在范圍較大的高壓區(qū)域，兩端壓差大，較閥口2更容易溢流，因此隨著開(kāi)口度的增加，閥口2的溢流量與最大氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，閥口1的溢流量逐漸增加并成為主流口；直到x為1.0 mm時(shí)，高壓區(qū)域失去補(bǔ)償作用，使得閥口1流量趨于穩(wěn)定，抑制氣蝕程度。

圖3 不同啟動(dòng)次序下閥口1，2壓力與氣相曲線圖

通過(guò)分析閥口在不同啟動(dòng)次序下開(kāi)口度對(duì)閥芯內(nèi)部流場(chǎng)的壓力與氣相分布規(guī)律可知，在安全閥工作時(shí)，雙排閥口不同步啟動(dòng)時(shí)，閥腔出現(xiàn)氣蝕的范圍及時(shí)間均比同步啟動(dòng)時(shí)的??；閥口2先全開(kāi)與閥口1先全開(kāi)相比，閥腔壓力分布更為均勻，抗氣蝕性能更為優(yōu)異。因此，在閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮閥口啟動(dòng)次序的影響，選擇基于閥口2先全開(kāi)的結(jié)構(gòu)可更好地抑制氣蝕。

4 結(jié)論

(1) 雙排閥口同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，閥口處的閉合區(qū)域雖然在開(kāi)口度為0.2～0.6 mm時(shí)可以彌補(bǔ)壓力損失，但在開(kāi)口度為0.8～1.2 mm時(shí)也極易形成渦旋，對(duì)氣蝕現(xiàn)象有擴(kuò)大作用，同時(shí)也延長(zhǎng)了氣蝕發(fā)生時(shí)間，故此結(jié)構(gòu)對(duì)閥芯氣蝕的抑制作用不明顯;

(2) 閥口1先全開(kāi)后閥口2才開(kāi)啟時(shí)，閥腔內(nèi)部的氣穴氣蝕現(xiàn)象比較明顯，并且在閥口2開(kāi)口度為0.8～1.2 mm過(guò)程中氣相體積分?jǐn)?shù)最大值達(dá)到98.3%，氣穴范圍也達(dá)到最大，故此結(jié)構(gòu)對(duì)閥芯氣蝕性能改善效果不佳;

(3) 閥口2先全開(kāi)后閥口1才開(kāi)啟時(shí)，閥口1附近尾椎部分高壓區(qū)域可以補(bǔ)償壓降，降低閥芯內(nèi)部流場(chǎng)的最大氣相體積分?jǐn)?shù)，減緩閥口氣蝕發(fā)生；雖然在閥口1開(kāi)口度為0.8～1.2 mm過(guò)程中存在氣蝕，但其范圍和最大氣相體積分?jǐn)?shù)下降了18.6%和25.7%，故此結(jié)構(gòu)可以有效改善閥芯抗氣蝕性能。