挖掘機多路閥閥口沖蝕磨損研究

高澤坤， 潘 鑫， 羅一牛， 李世振

(山東大學(xué)海洋研究院， 山東青島 266237)

引言

多路閥是挖掘機液壓系統(tǒng)中最重要的元件之一，作業(yè)過程中的所有動作都由多路閥進(jìn)行控制，其性能與可靠性直接決定了整個挖掘機的性能與可靠性[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，多路閥主閥結(jié)構(gòu)失效的主要原因就是由于油液的污染， 其引起的主要失效形式為沖蝕失效。當(dāng)多路閥的閥口在小開度(小于20%)下工作時，油液和固體顆粒的流速可達(dá)20 m/s，高速流動的液壓油裹挾著固體顆粒猛烈撞擊閥體和閥芯表面，帶走閥芯和閥體表面大量的材料造成不可逆轉(zhuǎn)的沖蝕磨損，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果[5-6]。

研究沖蝕磨損的傳統(tǒng)方法是進(jìn)行顆粒撞擊試驗，通過高速攝像機和光纖探頭[7-8]確定顆粒的速度、大小和流動模式并推導(dǎo)質(zhì)量損失定律。但是這些技術(shù)也有一些缺點，比如會耗費大量的金錢和時間。在最近20年來計算流體力學(xué)(CFD)得到了飛速的發(fā)展，可以利用計算機的快速計算能力得到流體控制方程的近似解[5,9]。許多學(xué)者已經(jīng)通過實驗和CFD的方法進(jìn)行了沖蝕磨損案例的研究。王佳琪等[10]采用Fluent軟件模擬得到V形球閥內(nèi)液固兩相流場特性，得到顆粒的運動軌跡圖和沖蝕磨損分布規(guī)律。李雙路等[11]以閥控對稱缸為例，針對高端液壓元件因滑閥沖蝕磨損引起閥口輪廓變動與性能不確定性問題，取得了四邊滑閥各閥口沖蝕后的輪廓并發(fā)現(xiàn)了閥特性的演化規(guī)律。郭衍茹等[12]針對油田上應(yīng)用效果較好的某型節(jié)流閥進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，分析不同開度下含砂氣體對節(jié)流閥的沖蝕規(guī)律以及砂粒在閥內(nèi)的滯留分布現(xiàn)象。鐘林等[13]針對排污閥的沖蝕失效問題，以CFD仿真模擬的方法對閥套排污閥的沖蝕磨損進(jìn)行研究。劉玲莉等[14]利用Fluent建立針型節(jié)流閥數(shù)值模型并進(jìn)行了模擬計算，結(jié)合沖蝕離散模型，得到針型閥沖蝕速率分布規(guī)律。李樹勛等[15]針對盾構(gòu)機接管系統(tǒng)中換向閥的沖蝕磨損問題，應(yīng)用計算流體動力學(xué)中離散相(DPM)模型對閥芯縮徑彎管與等徑彎管進(jìn)行對比分析。

本研究對挖掘機多路閥在不同流量、閥口開度及顆粒屬性下的沖蝕磨損進(jìn)行了有限元仿真，得到閥口部分沖蝕磨損的分布情況以及重要部位的沖蝕磨損率情況，分析并建立流量、閥口開度及顆粒屬性對沖蝕磨損的變化規(guī)律。

1 多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)

多路閥是一種由2個或2個以上的換向滑閥為主體集成一系列輔助閥的多功能集成閥，多路閥各聯(lián)形狀結(jié)構(gòu)相似，都為滑閥結(jié)構(gòu)。本研究選擇多路閥中的回轉(zhuǎn)聯(lián)作為研究對象，圖1為多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，圖中可以看到回轉(zhuǎn)聯(lián)與備用聯(lián)相連，共用1個回油口，但備用聯(lián)使用率較低，只有當(dāng)工作裝置更換為破碎錘等裝置時才會被啟用，因此可以不用考慮備用聯(lián)的影響。

1.回轉(zhuǎn)控制閥殼體 2.回轉(zhuǎn)閥芯 3.回轉(zhuǎn)聯(lián)閥蓋 4.備用聯(lián)閥芯5.備用聯(lián)殼體 6.過載補油閥 7.備用閥殼體 8.單向閥9.彈簧限位塊 10.彈簧定位環(huán) 11.彈簧 12.單向閥圖1 回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Swing structure diagram

2 CFD模型

多路閥內(nèi)流體的流動以流道為基礎(chǔ)，與閥的機械物理結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，所以先建立如圖2a所示的回轉(zhuǎn)聯(lián)機械結(jié)構(gòu)，其中忽略了閥芯與閥體之間的縫隙以及電彈簧、定位柱、螺栓螺釘、輔助閥等部件，再進(jìn)行布爾運算得到了如圖2b所示的流體流道模型。在實際工作環(huán)境下，挖掘機左右回轉(zhuǎn)時的負(fù)載相同，并且P-A流道和P-B流道的形狀相同，閥口節(jié)流槽也一致，都容易發(fā)生沖蝕、氣蝕和磨損，所以可以任取一閥口作為研究對象,如圖2c所示?？紤]到閥口部位節(jié)流口的形狀復(fù)雜，所以采用四面體對流體區(qū)域進(jìn)行劃分。并且由于流體在近壁區(qū)受到摩擦和液體黏性的影響會使流動復(fù)雜得多，所以為了提高求解精度，在近壁面的邊界層加入了5層網(wǎng)格(增長率為1.2)，多路閥閥口網(wǎng)格模型如圖2e、圖2f。

為了兼顧求解精度和求解速度，需要對圖2中的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，本次模擬關(guān)注的是沖蝕磨損現(xiàn)象，而沖蝕磨損現(xiàn)象與流體的流速和速度分布密切相關(guān)，所以在3 MPa的壓差下取流道中一個截面的平均速度來進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。由表1可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從15萬變到50萬時，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，監(jiān)測面速度的變化不超過1%，可以認(rèn)為已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)，所以取15萬網(wǎng)格作為計算網(wǎng)格。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)下檢測面的參數(shù)表Tab.1 Table of parameters of detection surface with different number of meshes

圖2 多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口的建模和網(wǎng)格劃分Fig.2 Modeling and computing grid of multi way valve port

3 CFD控制方程

多路閥內(nèi)油液的流動是包含少量固體顆粒的粒子流，在進(jìn)行有限元數(shù)值計算時需要將流動介質(zhì)分為主相和次相，分別建立控制方程。根據(jù)沖蝕磨損的工況——固體相體積分?jǐn)?shù)小于10%，本研究選擇DPM模型對固-液兩相流動進(jìn)行求解。

DPM模型是以歐拉方法對油液進(jìn)行計算，將其看作是連續(xù)的相介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系下，通過計算網(wǎng)格尺度的流體微團(tuán)的連續(xù)性方程、動量方程和湍流模型來監(jiān)控空間坐標(biāo)的參數(shù)變化來反映流體的運動工況。連續(xù)相的連續(xù)性方程和動量方程分別由式(1)和式(2)給出[16]：

▽×(ρu)=0

(1)

▽×(ρuu-τf)=ff

(2)

其中：

(3)

(4)

式中,u—— 流體速度

ρ—— 流體密度

ff—— 流體的體積力

τf—— 流體的應(yīng)力

p—— 壓力

μ—— 動力黏度

I—— 二階張量

g—— 重力加速度

對于混合在油液中的固體顆粒采用拉格朗日方法進(jìn)行計算，該方法忽略了固體顆粒的真實體積，將其看作不連續(xù)的離散相介質(zhì)，通過積分拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力的微分方程來求解固體粒子或粒子群的軌道。粒子的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下為：

(5)

式中,up—— 固體顆粒速度

t—— 時間

F—— 顆粒上所受的力

顆粒上所受的力具體包括：

(1) 拖曳力 當(dāng)固體顆粒和液體之間有相對運動時，會有一個力來阻擋或拉動顆粒，這個力的方向與相對運動的方向相反，表達(dá)式為：

(6)

式中,ρp—— 固體顆粒的密度

dp—— 固體顆粒直徑

up—— 固體顆粒速度

CD—— 阻力系數(shù)

(2) 虛擬質(zhì)量力 當(dāng)固體顆粒在一個理想的不可壓縮的靜止流體中以相同的加速度運動時，將帶動周圍流體加速。由周圍流體的相同加速度計算出來的流體質(zhì)量被稱為顆粒的虛擬質(zhì)量，可以寫為:

(7)

式中,t—— 時間

(3) 重力 所有靠近地球的物體都會受到重力場的影響，本研究假設(shè)顆粒為圓形，表達(dá)式為：

(8)

式中,dp—— 固體顆粒直徑

(4) 浮力 由于固體顆粒始終被流體攜帶著運動，因此顆粒始終會受浮力作用，表達(dá)式為：

FB=ρgVp

(9)

式中,Vp—— 固體顆粒體積

(5) 壓力梯度力 液壓閥中的流場一般有很大的壓力梯度，當(dāng)固體顆粒在其中運動時，由于兩邊的壓力不同，總會有從高壓區(qū)指向低壓區(qū)的壓強合力作用在顆粒上，表達(dá)式為:

(10)

式中, ?p/?l—— 壓力梯度

顆粒碰撞閥壁會改變顆粒的運動狀態(tài)，使得顆粒碰撞反彈后的運動特性發(fā)生變化。在Fluent中以法向恢復(fù)系數(shù)en和切向恢復(fù)系數(shù)et來描述碰撞后的顆粒速度變化，本研究在對顆粒軌跡進(jìn)行計算時選擇了應(yīng)用較為廣泛的Grant和Tabakoff經(jīng)驗公式，關(guān)系曲線如圖3所示，表達(dá)式為：

圖3 彈性恢復(fù)系數(shù)曲線Fig.3 Elastic coefficient of restitution curve

(11)

(12)

式中,up1,up2—— 固體顆粒碰撞前后的切向速度

vp1,vp2—— 固體顆粒碰撞前后的法向速度

θ—— 固體顆粒碰撞的弧度

對于沖蝕磨損的計算選擇Edwards模型[17-19]，由于其被廣泛應(yīng)用于氣-固、液-固和氣-液-固流動及對沖蝕磨損的預(yù)測精度較高，所以在Fluent中作為默認(rèn)模型使用。沖蝕磨損率表示為：

(13)

式中,E—— 沖蝕磨損率

NP—— 固體顆粒的數(shù)量

mP—— 質(zhì)量流量，指在單位時間內(nèi)通過封閉管道有效段的流體質(zhì)量

C(dp) —— 顆粒直徑函數(shù)，取1.8e-9

α—— 顆粒對閥壁面的沖擊角

u—— 顆粒撞擊閥壁面的速度

n—— 速度指數(shù)函數(shù)，取2.4

f(α) —— 沖擊角函數(shù)

這里只考慮微切削磨損，并以分段線性方式給出沖擊角函數(shù)，數(shù)據(jù)點為(0,0)，(20,0.8)，(30,1)，(45,0.5)，(90,0.4) ，如圖4所示[20-23]。

圖4 沖擊角函數(shù)Fig.4 Impact angle function

4 仿真設(shè)置及物理模型驗證

4.1 仿真參數(shù)及求解器設(shè)定

本研究采用壓力基求解，速度公式為絕對方法，并考慮重力影響。湍流模型選用Realizable k-epsilon模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。對于懸浮顆粒，需要考慮液-固兩相作用，并且使用Discrete Random Walk模型來描述湍流對顆粒的作用。在計算資源足夠的情況下選用Coulped方法縮短計算時間，并選用二階隨風(fēng)格式的差分格式提高計算精度。連續(xù)相、離散相的屬性、進(jìn)出口的邊界條件根據(jù)國內(nèi)某機械企業(yè)多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)可靠性實驗的參數(shù)計算得到入口邊界、出口邊界的速度和負(fù)載壓力范圍，水力直徑(特征長度)依據(jù)式(14)計算，得到入口腔的水力直徑為0.0148 m，出口腔的水力直徑為0.0228 m：

(14)

式中，A—— 過流面積，入口腔為320 mm2，出口腔為570 mm2

lw—— 周長，入口腔為86.5 mm，出口腔為100 mm

湍流強度T根據(jù)式(15)計算，得到入口腔的湍流強度范圍為5.5%～5.6%，因為出口腔沒有回流則不考慮湍流強度取Fluent默認(rèn)值為5%：

(15)

式中，v—— 流體速度

μ—— 流體黏度系數(shù)

依據(jù)如上公式及實際工況得到的參數(shù)如表2所示。其中，入口為速度入口類型，出口為壓力出口類型，油液選擇L-HM46號。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

4.2 物理模型驗證

為了得到正確的結(jié)論，必須保證仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映實際沖蝕磨損情況。因此，在進(jìn)行仿真和結(jié)果分析之前必須對模型的有效性進(jìn)行評估，來為下文的沖蝕磨損研究提供保證。本研究在負(fù)載20 MPa，壓差約為1 MPa的條件下對多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)進(jìn)行試驗，測量得到回轉(zhuǎn)聯(lián)的流量-閥芯位移-先導(dǎo)壓力如圖5所示。因為閥內(nèi)存在結(jié)構(gòu)死區(qū)，先導(dǎo)閥壓力在0.8 MPa之前進(jìn)油口和工作口并不連通， 所以在圖的左側(cè)建立了以閥口開度為刻度的小坐標(biāo)軸，從10%開度開始，以20%開度為增量進(jìn)行仿真，得到5組閥內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，仿真數(shù)據(jù)與試驗測得的主閥工作口流量數(shù)據(jù)符合良好，可以驗證物理模型的準(zhǔn)確性。

圖5 實驗與仿真數(shù)據(jù)對比圖Fig.5 Comparison between simulation and experimental

5 仿真模擬和結(jié)果分析

本部分主要研究閥口部位的沖蝕磨損，包括閥口開度和入口速度(在模型入口截面積不變的情況下流量可以用入口處的速度表示)對磨損位置和磨損率的影響，以及顆粒直徑和顆粒質(zhì)量流量對閥芯沖蝕磨損率的影響。

5.1 閥口的整體侵蝕磨損分布

在閥口全開狀態(tài)、入口速度10.5 m/s和顆粒直徑20 μm的參數(shù)條件下的沖蝕磨損情況如圖6所示。從圖中可以看到，在A區(qū)域存在大片的沖蝕磨損，該部分與閥芯閥體之間的開口相鄰，從入口流入的油液有一部分在經(jīng)過開口的節(jié)流作用后以較大的速度直接撞擊到閥芯，造成嚴(yán)重的破壞，因此該區(qū)域是閥芯沖蝕磨損的主要發(fā)生區(qū)域，其平均沖蝕磨損率為1.24×10-6kg/(m2·s)，其中有一部分是整個閥口沖蝕磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，沖蝕磨損率大約為2.16×10-6kg/(m2·s)。也有一部分油液會通過兩個傾斜的節(jié)流槽撞擊到閥芯上，在B-1區(qū)域和B-2區(qū)域造成了磨損，B-1區(qū)域的平均磨損率為1.45×10-6kg/(m2·s)，B-2區(qū)域為1.14×10-6kg/(m2·s)，兩側(cè)的區(qū)域形狀、損傷率不同的原因是兩個節(jié)流口的形狀不同，因此在B-1處才會有一小部分較為明顯的磨損，而B-2處則不明顯。除了閥芯的磨損，顆粒對閥體也會造成沖蝕磨損，如圖中C區(qū)域所示，區(qū)域平均磨損率大約為6.1×10-7kg/(m2·s)。D區(qū)域也會有小面積的磨損，其磨損率大于為1.03×10-6kg/(m2·s)。

圖6 閥口處的侵蝕磨損分布Fig.6 Distribution of erosion wear at valve port

5.2 閥芯沖蝕磨損

A區(qū)域所在的表面為閥口沖蝕磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，被固體顆粒切削下來的大塊表面材料會進(jìn)入閥芯與閥體的間隙，造成閥芯表面的劃傷或者閥芯卡滯，帶來十分嚴(yán)重的后果。并且該區(qū)域的沖蝕磨損與節(jié)流槽的形狀有密切的關(guān)系，因此研究這部分的沖蝕分布和沖蝕磨損率對改進(jìn)節(jié)流槽的形狀和減小沖蝕磨損的發(fā)生具有重大意義。

1) 閥芯的沖蝕磨損分布

圖7為閥口全開(100%開度)、閥口半開(50%開度)和閥口微開(10%開度)狀態(tài)下入口速度為10.5， 13.0， 15.5 m/s時閥芯的半剖沖蝕磨損云圖，可以看到圖中形成了3個明顯的磨損區(qū)，且3個區(qū)域互不干涉，都隨著閥口開度和入口速度的變化而規(guī)律變化，因此將閥芯的沖蝕磨損區(qū)域分為E，F(xiàn)，G 3個區(qū)域，分別進(jìn)行研究。同時選擇一條將沖蝕區(qū)域分為兩半且長度為研究閥芯表面長度的直線Lp作為該磨損區(qū)域的特征線，將特征線上的磨損率以圖8的方式呈現(xiàn)，圖8中的每個折線圖都與圖7中的沖蝕磨損云圖一一對應(yīng)。本節(jié)通過磨損云圖和特征線上的沖蝕磨損率來研究閥芯的沖蝕磨損隨閥口開度及入口速度的變化規(guī)律。

首先分析閥口開度的影響，因為閥芯上開有節(jié)流槽，所以液體可以通過節(jié)流槽及閥體閥芯間的間隙流向中間腔，在閥口大開度下間隙面積遠(yuǎn)大于節(jié)流槽的面積，所以大部分油液通過間隙流向中間腔，從圖中可以看到此時的沖蝕磨損面積最大。當(dāng)閥口的開度減小時流道的流通面積減小，根據(jù)節(jié)流孔原理，流速與流通面積成反比，油液從入口腔進(jìn)入中間腔后流速會激增造成的沖蝕磨損也會增大。從圖8中可以看到，閥口全開情況下沖蝕磨損率為10-6量級，閥口半開為10-5量級，而在閥口微開下則變?yōu)?0-4，所以閥口開度的減小會使閥芯與閥芯間的間隙減小，流通面積的減小使油液聚集造成閥芯的沖蝕磨損面積收縮，從圖7與圖8中可以看到微開狀態(tài)下的磨損面積變?yōu)槿_狀態(tài)下的50%。同時閥口開度也會影響最大沖蝕磨損處的位置，從圖8中可以看到，在閥口全開下F區(qū)域的最大沖蝕磨損處與E區(qū)域的最大沖蝕磨損處在同一豎直線上；隨著開度的減小，兩者的峰值不再共線，F(xiàn)區(qū)域的峰值逐漸向出口腔轉(zhuǎn)移。對于G區(qū)域的沖蝕磨損，在大開口下磨損很小，在云圖上基本不可見，只有在小開度下磨損才清晰可見。從圖7和圖8中可以看到，在大開口下入口速度對沖蝕磨損面積影響較為明顯，從10.5 m/s增加到13.0 m/s時，磨損區(qū)域的長度增大一倍，但從13.0 m/s增大到15.5 m/s后磨損面積不變。隨著閥口開度的減小，入口速度對沖蝕磨損分布的影響逐漸減弱，可以看到在閥口半開狀態(tài)和閥口微開狀態(tài)下，入口速度的變化對磨損區(qū)域的影響很小。在同一開度下，入口速度對E，F(xiàn)兩區(qū)域影響較大，沖蝕磨損率隨其增大而規(guī)律性增大，但對于G區(qū)域則影響較小。因此可以知道入口速度對閥芯沖蝕磨損率的影響較為顯著，與沖蝕磨損率呈正相關(guān)，但是對沖蝕磨損分布的影響較弱。

圖7 閥口處的侵蝕磨損分布變化圖Fig.7 Erosion wear position of valve core varies with valve port and speed

圖8 特征線上沖蝕磨損磨損率圖Fig.8 Erosion wear rate of characteristic line of erosion wear area

2) 閥口開度和入口速度對閥芯沖蝕磨損率的影響

閥口的開度和入口邊界條件中的速度參數(shù)是影響閥芯最重要的兩個因素，在分析了閥芯沖蝕磨損的位置分布隨閥口開度和入口壓力的變化規(guī)律之后，本小節(jié)分別從閥口開度和入口速度兩個維度研究沖蝕磨損率的變化情況。

首先研究入口速度的變化對研究表面沖蝕磨損率的影響，圖9是在閥口全開、閥口半開、閥口微開的狀態(tài)下以入口速度為變量參數(shù)，通過Fluent有限元仿真得到的研究表面沖蝕磨損率與入口速度關(guān)系曲線，這33組數(shù)據(jù)基本可以表示閥內(nèi)不同開度下的液固兩相的穩(wěn)態(tài)流動特性，因此可以用來研究閥芯的沖蝕磨損隨入口速度變化的規(guī)律。從圖中可以看到，隨著入口速度的增大，3個閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率都穩(wěn)步增大，并且閥口的開度越小，入口速度從谷值增大到峰值，對應(yīng)閥芯的沖蝕磨損率的增量越大。將不同閥口開度下的入口流速-閥芯沖蝕磨損率變化曲線分開展示，可以看到不同閥口開度下，閥芯的沖蝕磨損率隨入口速度是較為均勻變化的，雖然磨損率增量不同但曲線形狀基本一致，可以得出在忽略閥口開度因素時，入口流速對閥芯的沖蝕磨損率的影響是具有一致性的。

圖9 不同閥口開度下沖蝕磨損率隨入口速度的變化圖Fig.9 Variation curve of wear rate with inlet velocity under different valve opening

接下來研究閥口開度-閥芯沖蝕磨損率的變化規(guī)律，通過有限元仿真得到入口速度為10.5， 13.0， 15.5 m/s，閥口從全開到微開每個開度狀態(tài)下的閥芯沖蝕磨損率，共30組數(shù)據(jù)。選用的10.5， 13.0， 15.5 m/s 3個典型速度值，基本可以反應(yīng)低速、中速、高速入口速度的閥內(nèi)流動狀態(tài)。圖10為不同入口流速下磨損率隨閥口開度變化曲線，從圖中可以看到3個速度入口下閥芯的沖蝕磨損率都是隨閥口開度的變小而增大的，并且在30%開度以上磨損率變化都比較平緩，在30%～10%開度之間，沖蝕磨損率會隨閥口的變小而產(chǎn)生大梯度的急劇增大。并且從10.5， 13.0， 15.5 m/s 3條曲線上看，入口速度的變化對閥芯沖蝕磨損率的影響比閥口開度要小。同理將不同入口速度下的磨損率隨閥口開度變化曲線分開呈現(xiàn)，可以看到3條曲線的形狀基本一致，在以10%為開度增量下，3個速度入口下的沖蝕磨損率增量也是規(guī)律變化的，由此可以得出結(jié)論，在不同的入口速度下，閥口開度對閥芯沖蝕磨損率的影響也是具有一致性的。

圖10 不同入口速度下沖蝕磨損率隨閥口開度的變化圖Fig.10 Variation curve of wear rate with valve opening under different inlet flow velocity

3) 定質(zhì)量流量下顆粒直徑對沖蝕磨損率的影響

顆粒的直徑是影響沖蝕磨損的一個重要因素，顆粒的直徑代表了顆粒的質(zhì)量的大小，在相同流速的流體中，顆粒的直徑越大其動能越大，對壁面的破壞也就越大，因此國內(nèi)外研究沖蝕磨損問題時基本都會考慮顆粒直徑的影響。在實際的工程機械當(dāng)中，存在于液壓油中的顆粒根據(jù)液壓油的清潔等級不同其粒徑分布也是不同的。在企業(yè)的實際測試過程中液壓油的固體顆粒污染度不應(yīng)高于GB/T 14039—2002中規(guī)定的等級“-/19/16”，一般此清潔度等級大約相當(dāng)于NAS 10級，其固體顆粒大小范圍如表3所示?？梢酝ㄟ^表3來推算固體顆粒在油液中的質(zhì)量占比范圍，取顆粒直徑的上下限計算可得，固體顆粒在油液中的質(zhì)量占比為0.0001%～0.001%，此部分的仿真設(shè)置質(zhì)量占比為0.001%。油液中的固體顆粒物超過清潔度許多時就會嚴(yán)重危害液壓系統(tǒng)，因此在液壓系統(tǒng)中常會安裝清潔過濾裝置，在挖掘機的液壓系統(tǒng)中一般為20 μm的過濾網(wǎng)，所以在正常工作的工程機械油液的固相顆粒的直徑范圍處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。本研究先研究在質(zhì)量流量相同的情況下不同顆粒直徑對研究表面沖蝕磨損的影響， 通過Fluent仿真研究在定質(zhì)量流量下不同閥口開度、不同入口速度下的顆粒直徑對研究表面沖蝕磨損率的影響。根據(jù)上文，油液中超過20 μm的顆粒較少，所以在5～20 μm范圍內(nèi)間隔 2 μm 設(shè)置節(jié)點，大于30 μm的間隔30 μm設(shè)置節(jié)點，粒徑分布選定如下：5,7,9,10,12,13,15,17,19,20,30,60,90,120,150,180,210,240,270,300 μm。

表3 液壓油中顆粒直徑分布

圖11為不同閥口開度和入口速度下的顆粒直徑與沖蝕磨損率的變化曲線，可以看到閥口開度在5～30 μm的顆粒直徑區(qū)間內(nèi)，顆粒直徑變大導(dǎo)致沖蝕磨損率急劇下降。在挖掘機液壓系統(tǒng)油液顆粒常處于的5～20 μm范圍之間，在定質(zhì)量流量的情況下，顆粒直徑的整體變大會急劇降低磨損率，因此挖掘機的液壓油應(yīng)避免大量細(xì)小顆粒的存在，有助于提高挖掘的多路閥的壽命。造成這種現(xiàn)象的原因是因為顆粒直徑從5 μm增大到30 μm，對應(yīng)的顆粒數(shù)量也減少為原來的1/216，導(dǎo)致沖蝕磨損率急劇降低，之后以30 μm為顆粒直徑增量設(shè)置仿真節(jié)點，顆粒數(shù)量變化率不斷減小，從而使后續(xù)沖蝕磨損率的變化趨于平緩。60 μm之后3個開度下的沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化趨勢有明顯的不同，在閥口半開和微開狀態(tài)下隨著顆粒直徑的增大沖蝕磨損率規(guī)律而緩慢的減小，而在閥口全開狀態(tài)下沖蝕磨損率會隨顆粒直徑增大先增大后減小。

圖11 在100%、50%和10%閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化圖Fig.11 Plot of spool erosion wear rate with particle diameter at 100%, 50% and 10% valve opening

為了進(jìn)一步研究這種現(xiàn)象，在90%，80%，70%，60%開度下以粒徑為5，15，20，30，60，90，120，150，180，210，240，270，300 μm的參數(shù)條件下進(jìn)行仿真，將得到的結(jié)果與圖11中100%，50%開度的數(shù)據(jù)相結(jié)合，如圖12所示，可以看到當(dāng)閥口在100%～50%開度之間時，閥芯表面的沖蝕磨損率會隨著顆粒直徑的增大出現(xiàn)起伏波動，顆粒直徑在15～60 μm區(qū)間內(nèi)時，閥芯表面的沖蝕磨損率都隨顆粒直徑增大而減小，但是在60 μm之后，沖蝕磨損率會隨著顆粒直徑的增大先增加后減小，并且起伏的程度隨著閥口開度的減小而減小，在50%閥口開度時已經(jīng)幾乎不可見。這是因為顆粒的斯托克斯數(shù)發(fā)生了變化，公式為：

圖12 在100%～50%閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化圖Fig.12 Variation of spool erosion wear rate with particle diameter at 100%～50% valve opening

(16)

式中，ρp—— 固體顆粒密度

dp—— 固體顆粒直徑

u—— 流體速度

μ—— 流體黏度

Dn—— 水力直徑

斯托克斯數(shù)表示懸浮顆粒隨流體流場的變化的流動行為，其值越小顆粒慣性越小，越容易跟隨流體運動；反之，其值越大顆粒慣性越大，顆粒運動的跟隨性越不明顯。如圖13的固體顆粒軌跡圖所示，當(dāng)閥口處于大開度時，一部分油液通過閥口流入中間腔，此時一

圖13 不同閥口開度下的固體顆粒軌跡圖Fig.13 Particle trajectory diagram under different opening degrees

些顆粒不撞擊閥芯或以較小的角度(15°左右)撞擊閥芯，當(dāng)顆粒的直徑增大其慣性對應(yīng)增大，固體顆粒的軌跡改變，撞擊閥芯的顆粒增多且角度增大，對應(yīng)的沖蝕磨損率會增大，如圖4所示。所以顆粒直徑增大會導(dǎo)致撞擊閥芯的數(shù)目增多沖蝕磨損率增加，也會導(dǎo)致顆粒數(shù)量減少而沖蝕磨損率減小，因此兩相競爭下導(dǎo)致了沖蝕磨損率隨顆粒直徑變大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在閥口開度變小時，閥口流場速度的普遍增大導(dǎo)致顆粒的斯托克斯數(shù)也變大，因此顆粒直徑變大后顆粒的隨動性變化不明顯，并且閥口較小時，顆粒進(jìn)入中間腔的數(shù)目越來越少，其結(jié)果導(dǎo)致閥口變小后沖蝕磨損率再增加的幅度越來越小。

4) 固體顆粒在油液中的不同質(zhì)量占比對沖蝕磨損率的影響

液壓油中固體顆粒的質(zhì)量占比也是影響沖蝕磨損的重要因素， 若油液中的固相顆粒物的質(zhì)量超過油液質(zhì)量的0.5%就會嚴(yán)重危害液壓系統(tǒng)，因此需要研究隨著顆粒占比的增大沖蝕磨損率的變化情況。根據(jù)上文，在NAS 10級的油液清潔度下，顆粒在油液中的質(zhì)量占比為0.0001%～0.001%，因此分別在閥口全開、閥口半開、閥口微開3個開度下設(shè)置不同的入口速度并以0.0001%為跨度設(shè)置節(jié)點進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看到在3個閥口開度下，顆粒質(zhì)量占比對沖蝕磨損率的影響基本相同。在不同的速度入口下沖蝕磨損率都隨顆粒質(zhì)量占比的增加而穩(wěn)步增加，并呈線性關(guān)系，這也與式(13)中質(zhì)量流量與沖蝕磨損率的關(guān)系一致。因此應(yīng)加強對液壓系統(tǒng)中油液的清潔，會顯著降低沖蝕磨損的損傷程度。

圖14 油液中顆粒質(zhì)量占比ηm對沖蝕磨損率的影響圖Fig.14 Influence of percentage ηm of particle mass in oil on erosion and wear rate

6 結(jié)論

本研究采用CFD數(shù)值模擬的方法，分析了挖掘機多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口在不同入口速度、閥口開度和顆粒直徑下的沖蝕磨損情況，取得的研究成果如下：

(1) 得到了回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口部位沖蝕磨損的主要發(fā)生部位；

(2) 閥芯部位的磨損面積會隨著閥口開度的變小而變小，并且沖蝕磨損率會激增。入口速度的變化會使沖蝕磨損率變化較為平緩，對磨損面積的影響則與閥口開度有關(guān)，在大開度情況下影響明顯，小開度情況下則不顯著；

(3) 在固體顆粒質(zhì)量在油液中所占百分比一定時，顆粒直徑的增大會對閥芯的沖蝕磨損率有較大的影響，并且在不同閥口開度下影響也不同，整體來說顆粒直徑的增大會使沖蝕磨損率減小；

(4) 沖蝕磨損率會隨油液中顆粒質(zhì)量占比增加而穩(wěn)步增大，并呈線性關(guān)系；

(5) 為減弱閥芯的沖蝕磨損，多路閥應(yīng)避免長時間在小開度情況下工作，并且提高油液過濾水平，減少大固體顆粒的數(shù)量也會減弱沖蝕磨損程度。