三用阀阀芯微造型的动压润滑性能

2015-04-16 06:27
液压与气动 2015年3期
关键词:动压水压壁面

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(安徽理工大学 机械工程学院, 安徽 淮南 232001)

引言

可靠、安全、环保的水压传动技术是21世纪的新型绿色传动技术,也是国际上流体传动与控制领域的最新发展方向之一[1,2]。三用阀是煤矿生产中控制单体液压支柱升柱、承载和回柱过程的核心部件,传统三用阀采用乳化液为工作介质, 乳化液外排将对水资源造成严重污染,同时乳化液需预先配制,工人劳动强度大,使用成本高[3]。水压三用阀是以水为工作介质的新型三用阀。水具有环境友好、价格低廉、阻燃性好等诸多优点,因而研制水压三用阀对降低煤矿支护成本,保护矿区环境,减轻工人劳动强度具有重要意义。但同时水也具有黏度低、润滑性能差等特性,导致三用阀阀芯润滑性能差,摩擦磨损严重[4,5]。特别是三用阀中的安全阀阀芯运动最频繁的,其润滑及磨损问题尤为严重。

微造型是表面工程技术领域改善摩擦副表面特性的新型技术手段,具有二次润滑,储存颗粒杂物、微流体动压润滑等功能[6,7]。目前广泛应用于机械密封、缸套及硬盘减摩、推力轴承润滑等技术领域[8-10]。为解决三用阀中安全阀阀芯的润滑及磨损问题,本研究将微造型引入阀芯结构设计中,利用微造型的微坑储存磨粒和润滑液体以改善磨损状况,同时利用微造型的动压润滑特性以提高阀芯的润滑性能,并着重研究不同微造型参数对其动压润滑性能的影响规律。

1 CFD模型的建立

1.1 三用阀安全阀阀芯的几何模型

三用阀的安全阀阀芯微造型结构如图1所示,阀套为静止部件,阀芯为运动部件,阀芯和阀套构成一对摩擦副。摩擦副的密封带可将进液口和出液孔的高压液体(压力为pn)与低压液体(压力为p0)隔开,起到密封作用;同时进液口和出液孔的高压液体进入密封带间歇及微凹坑,形成润滑油膜,微凹坑不仅可以存储磨屑及润滑液体,还可以起到动压润滑的效果。

1.阀芯 2.进液口 3.出液孔 4.阀套 5.微造型 6.密封带图1 安全阀阀芯微造型结构示意图

由于阀芯沿周向的微造型具有周期循环与对称性,轴向微造型单元前后具有连续性,为方便研究可将阀芯圆柱面沿周向展开成平面,并取其中一个微造型单元进行研究。如图2所示,最终将整个柱面微造型简化为单个尺寸为l×l的微造型单元进行分析[11,12]。为进一步简化计算模型,将单个微造型单元从中心沿轴向剖开,得到微造型单元二维流场的计算模型,具体如图3所示,图3中的上壁面为阀套,下壁面为阀芯。

图2 安全阀阀芯微造型结构

1.阀芯 2.进液口 3.出液孔 4.阀套5.微造型 6.密封带图3 单个微造型二维流场模型

1.2 微造型模型CFD方程建立[13]

为便于计算,得到适用于微造型的简化N-S方程,并作以下假设:

(1) 仅考虑稳态情况;

(2) 忽略体积力的作用;

(3) 忽略粗糙度的影响;

(4) 忽略高压下水的密度变化;

(5) 考虑二维表面织构情况。

简化的沿x方向的N-S方程:

(1)

简化的沿y方向的N-S方程:

(2)

流体连续性方程:

(3)

式中:u、v为沿x、y方向的速度;ρ为介质密度;η为介质动力黏度;p为油膜压力。

阀芯表面线长度上承受的y方向(垂直阀芯表面)的流体压力方程:

(4)

1.3 边界条件设置[14]

设阀芯运动过程中始终与阀套同轴,压力沿y方向的梯度相等。如图3所示,微造型单元的左右两壁面采用带压差的周期边界条件;上壁面和下壁面均采用壁面无滑移边界条件,且上壁面静止不动,下壁面速度为阀芯滑移速度U。其中周期边界的压力梯度由下式确定:

(5)

式中:l为微造型单元尺寸;pi为第i个微造型单元高压端压力;pi-1为第i个微造型单元低压端压力;pn为高压腔压力;p0为低压腔压力(取1个标准大气压);n为一排轴向微造型单元中处于密封带的数目;L0为密封带轴向密封长度。

2 基本参数设置及计算模型建立

2.1 基本参数设置

根据水压三用阀的机械结构,确定密封带轴向密封长度L0等于微造型区域轴向长度L,即取L0=L=5 mm,工作压力pn取三用阀的初撑压力20 MPa,环境压力取101325 Pa。微造型下壁面移动速度取阀芯的瞬时滑移速度,水介质的动力黏度取1000 N·s/m2,密度取1000 kg/m3。并根据式(5)确定周期边界的压力梯度为4.98 kPa/μm。

根据邓海顺[6]、符永宏[11]、马晨波[13]、张文谦[14]等人的研究结论,同时结合水压阀的结构特点[1-4],确定微造型的主要结构及速度参数如下:微造型单元尺寸l取100 μm,微造型半径rp取15~45 μm,壁面间隙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。并约定一串数组“l-rp-hp-h0-U”表示一组参数设置,例如“100-25-4-3-2.5”表示“l=100 μm,rp=25 μm,hp=4 μm,h0=3 μm,U=2.5 m/s”的一组参数设置。

2.2 计算模型建立

根据几何参数,运用CAD软件绘制不同参数下的微造型几何模型,再将几何模型分别导入GAMBIT前处理软件进行网格划分、定义边界类型,并生成mesh网格文件;然后通过Workbench平台将mesh文件导入CFD中进行模型参数、边界参数及仿真参数设置;最后运行计算并通过CFD后处理软件对计算结果进行处理。

3 结果与分析

不同参数影响下的阀芯表面压力分布曲线如图4至图7所示。由图可知压力p从微造型单元起始处开始下降,在微凹坑起始处附近下降至最低,然后又上升,直至微凹坑结束处附近达到最大值,接着又下降,在微造型单元结束处压力又回归至起始值。可见压力沿阀芯的分布近似于正余弦曲线,且正压区面积明显大于负压区面积,说明阀芯微造型的动压润滑效果明显,为更直观判断不同参数对动压的影响效果,根据式(4)将压力分布曲线关于x求积分,得到不同参数下阀芯承载力情况,如图4至图7中对应的附图所示。

如图4所示,壁面间隙h0对正压区影响较负压区要大,不同参数下负压区曲线相对聚拢,而正压区相对分散,由附图可见随着壁面间隙h0的增大,阀芯承载力先略微减小然后逐步增大,且在h0=2.5 μm时承载力最低。因水介质的黏度较低,随着壁面间隙h0的增大,泄漏量也会增大,而壁面间隙h0过小则加工难度大,成本高,因此水压三用阀微造型间隙h0取3~4 μm比较合适。

图4 壁面间隙h0的影响

如图5所示,随着微造型深度hp的增加,阀芯承载力先增大然后再逐渐减小,存在最优的取值范围,即在3 μm

如图6所示,微造型半径rp越大则阀芯承载力越大,动压润滑效果越好。由压力分布曲线可知,微造型半径rp对正负压区影响均较大,正负压区呈近似反对称变化,但正压区增长比负压区增长稍大,因而虽然随微造型半径rp的增加,阀芯承载力有所增大,但其数值相对较小。

图6 微造型半径rp的影响

如图7所示,随壁面速度U的增加,正压区逐渐增大负压区逐渐减小,故叠加后阀芯承载力不断增大。可见高移动速度才能产生好的动压润滑效果。而煤矿水压三用阀工作压力波动大,顶板来压时阀芯瞬时速度高,因而煤矿水压三用阀的阀芯能很好满足动压润滑的速度要求。

图7 壁面速度U的影响

4 结论

(1) 阀芯表面压力分布近似于正余弦曲线,且正压区面积明显大于负压区的面积,说明合适的阀芯微造型能够产生良好的动压润滑效果。

(2) 油膜对阀芯承载力,随微造型半径及移动速度的增大而增大,随微造型深度的加深而先升后降,随壁面间隙的增大而先降后升,较佳的微造型深度和壁面间隙均为3~4 μm。

(3) 三用阀阀芯运动频繁且速度快,满足动压润滑的速度要求,故通过阀芯微造型设计以改善其润滑及抗磨损性能,具有可实现的前提条件。

参考文献:

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