葛忠棟，劉 飛，劉新強(qiáng)，李坤義

(1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730030； 2.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著畜牧業(yè)的蓬勃發(fā)展，飼草精制高密度壓制成型裝備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫，其中草捆成型液壓系統(tǒng)是該裝備的核心單元，系統(tǒng)中作為控制元件二通插裝閥的控制性能決定了設(shè)備工作的穩(wěn)定性。在樣機(jī)研制過程中發(fā)現(xiàn)動作油缸伸出后，啟動相應(yīng)的控制插裝閥，油缸不能退回，檢查發(fā)現(xiàn)液壓油未通過閥進(jìn)入油缸有桿腔。打開兩通插裝閥蓋板后，對蓋板阻尼孔采用壓縮空氣進(jìn)行了清理，后可正常動作，因此，判定阻尼孔被阻塞。如果阻尼孔發(fā)生阻塞，插裝閥控制腔油液無法通過阻尼孔回到油箱，進(jìn)而導(dǎo)致主閥無法正常開啟，油液不能進(jìn)入負(fù)載油缸。

阻尼孔是液壓系統(tǒng)重要的液阻結(jié)構(gòu)，主要通過減小過流面積形成進(jìn)出口壓差從而起到節(jié)流、調(diào)壓，緩沖和減振等作用。據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)70%左右的故障均與油液污染有關(guān)[1]。在實(shí)際生產(chǎn)生活中液壓設(shè)備在工作時會被雜質(zhì)污染，阻塞液壓系統(tǒng)中的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，使其不能正常穩(wěn)定的工作[2-3]。目前相關(guān)研究主要集中在孔徑大小對阻尼孔堵塞程度、堵塞時機(jī)不同所表現(xiàn)出來的異?，F(xiàn)象[4]及其對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[5-6]。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為油液中的固體顆粒在阻尼孔入口區(qū)域處的淤積是阻尼孔阻塞的主要原因。本文把阻尼孔將要阻塞但還未完全堵塞的狀態(tài)稱作近阻塞狀態(tài)，而對于近阻塞狀態(tài)下液壓阻尼孔的內(nèi)部流動狀態(tài)及壓差-流量特性退化的相關(guān)研究還較少見到。

筆者提出一種近阻塞狀態(tài)時液壓阻尼孔的數(shù)值計算模型，對近阻塞狀態(tài)時液壓阻孔進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流場數(shù)值計算，分析近阻塞狀態(tài)下阻尼孔的壓力、速度及流動狀態(tài)與未阻塞時的不同，獲得了近阻塞狀態(tài)下的液壓阻尼孔的壓力-流量特性，為阻尼孔性能退化的預(yù)測和評估提供了重要參考。

1 近阻塞狀態(tài)阻尼孔計算模型

1.1 計算模型

現(xiàn)以草捆成型液壓系統(tǒng)中的二通插裝閥的蓋板上的細(xì)長孔型阻尼孔(如圖1所示)為研究對象，建立流場數(shù)值計算模型。將阻尼孔流域簡化成收縮段、阻尼孔和擴(kuò)張段三段的串聯(lián)組合，建立如圖2(a)所示的阻尼孔幾何模型。為確保流動的穩(wěn)定和充分性，其中收縮段直徑D1為10 mm，長度L1為15 mm，阻尼孔孔徑D2為1 mm，長度L2為10 mm，擴(kuò)張段直徑D3為10 mm，長度L3為15 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，分析認(rèn)為油液中的固體顆粒物在阻尼孔進(jìn)口中心區(qū)域形成了錐狀淤積，因此本文進(jìn)一步提出在阻尼孔收縮段進(jìn)口處設(shè)置錐狀阻塞物來模擬近阻塞狀態(tài)的液壓阻尼孔。如圖2(b)所示，將阻尼孔內(nèi)圓與阻塞物投影圓構(gòu)成的圓環(huán)寬度L5稱為阻塞裕度Z，用阻塞裕度來衡量阻尼孔的阻塞程度，即阻塞裕度越小，阻尼孔阻塞越嚴(yán)重。

圖1 草捆成型液壓系統(tǒng)帶阻尼孔插裝閥

圖2 阻尼孔幾何模型

圖3為阻尼孔流域模型的網(wǎng)格劃分，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，如圖3(b)在收縮段和擴(kuò)張段利用尺寸函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格大小的光滑過度，以便捕捉流場內(nèi)局部細(xì)微特征。

圖3 阻尼孔網(wǎng)格劃分

1.2 計算條件

選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，油液密度為889 kg/m3，運(yùn)動粘度為0.035 56 kg/m·s。進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口為壓力出口，各項收斂殘差取10-6。

2 近阻塞狀態(tài)阻尼孔內(nèi)部流動

現(xiàn)以阻塞裕度Z=0.2 mm，進(jìn)口壓力12 MPa，出口壓力9 MPa的近阻塞液壓阻尼孔模型為例，分別進(jìn)行近阻塞和未阻塞狀態(tài)下的流場計算，分析其速度、壓力和流動的變化。

由圖4可知近阻塞狀態(tài)時阻尼孔入口液流最高速度達(dá)74.4 m/s，未阻塞時為68.2 m/s。

圖4 阻尼孔入口速度分布

很明顯近阻塞的情況下的流速比無阻塞的流速大，原因在于在阻尼孔收縮段的基礎(chǔ)上，近阻塞狀態(tài)時阻尼孔入口的錐狀阻塞物類似錐閥芯使得阻尼孔入口過流面積，由未阻塞時的圓形過流面變成了“錐閥口”的圓臺側(cè)面形過流面，造成過流面積進(jìn)一步的先減小再增大，進(jìn)而導(dǎo)致液流流過阻塞物前后流速劇烈變化?？梢婂F狀阻塞物加劇了阻尼孔入口處過流面積的收縮變化，形成了“二次節(jié)流”效應(yīng)，造成阻尼孔入口局部流速發(fā)生劇增和劇降，容易誘發(fā)流動的不穩(wěn)定。

圖5為阻尼孔入口壓力分布，受錐狀堵塞物的影響在阻尼孔入口處的區(qū)壓力梯度集中區(qū)向阻尼孔進(jìn)口上游遷移，同時造成節(jié)流后的低壓區(qū)前移擴(kuò)大，造成提前節(jié)流現(xiàn)象，如圖5(b)所示。近阻塞狀態(tài)時阻尼孔入口阻塞物的“二次節(jié)流”效應(yīng)導(dǎo)致有效過流面的退化，使得入口速度增大，局部壓力降增大。

圖5 阻尼孔入口速度分布

圖6為阻尼孔進(jìn)口區(qū)域的流線，兩種狀態(tài)下流線總體分布基本一致，不同的是在近阻塞狀態(tài)時，大部分油液只能繞過阻塞物從阻塞物與阻尼孔入口形成的環(huán)形縫隙流過，阻塞物正面則形成駐點(diǎn)，這也將加劇阻塞物進(jìn)一步靠近阻尼孔入口或進(jìn)入阻尼孔。

圖6 阻尼孔入口流線分布

3 近阻塞狀態(tài)阻尼孔壓差-流量特性

3.1 近阻塞阻尼孔壓差-流量特性

圖7為阻尼孔阻塞裕度Z分別為0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm，在進(jìn)出口壓差0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3 MPa時與未阻塞狀態(tài)下的壓力-流量圖。由圖7可知，在阻塞裕度一定時(即過流面積一定)，隨著壓差增大，阻尼孔的通流流量也增大；而且壓差越大，不同堵塞裕度之間的流量差也越大。由孔口流量公式：

圖7 近阻塞狀態(tài)阻尼孔壓差-流量特性

(1)

式中：Q為流量(L/min)；Cq為流量系數(shù)；A為過流面積(m2)；ΔP為壓差(MPa)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)。

可知在壓降一定時，堵塞裕度越小即阻塞越嚴(yán)重，過流面積越小，阻尼孔通流流量也越小。綜上所述，近阻塞狀態(tài)時阻尼孔入口有效過流面積減小，其通流能力下降，且壓差越大，通流能力越差。液壓阻尼孔阻塞后主要由過流面積的變化而導(dǎo)致阻尼孔通流能力的退化。

由此可知，飼草精制高密度壓制成型裝備草捆液壓成型系統(tǒng)中二通插裝閥的蓋板上阻尼孔堵塞后，其有效過流面積減小，阻尼孔通流能力也隨之下降，導(dǎo)致閥芯控制腔壓力難以釋放，造成主閥開啟速度變慢，甚至不能正常開啟，進(jìn)而油液無法進(jìn)入負(fù)載油缸而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因此，多塵環(huán)境工作中的液壓系統(tǒng)要做好油液質(zhì)量控制以便保證裝備的正常運(yùn)行。

3.2 近阻塞狀態(tài)阻尼孔流量公式

如圖8所示，進(jìn)一步建立近阻塞狀態(tài)阻尼孔流量公式計算模型，阻塞裕度Z=AC，AD=D2/2，∠BCA=∠CED=θ，根據(jù)第2部分流場計算可知，近阻塞狀態(tài)時阻尼孔入口過流面積已退變成由線段AB繞阻尼孔中心線EF所形成的圓臺側(cè)面A1，另記由線段AC繞阻尼孔中心線所形成的面積為A2，則有：

圖8 近阻塞狀態(tài)阻尼孔流量公式計算模型

A1=A2·cosθ=πZ(D2-Z)cosθ

(2)

將公式(2)帶入式(1)可得：

近阻塞狀態(tài)阻尼孔流量計算公式：

(3)

式中：Cq為流量系數(shù)(一般取值0.78～0.82)；Z為阻尼孔阻塞裕度(mm)；D2為阻尼孔孔徑(mm)；θ為阻塞物半錐角(°)；ΔP為阻尼孔進(jìn)出口壓差(MPa)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)。

現(xiàn)取Cq=0.8，D2=1 mm，θ=45°，ρ=889 kg/m3，由公式(3)所計算的流量為圖7中相應(yīng)的虛線，可知所推導(dǎo)的近阻塞狀態(tài)時阻尼孔的理論流量公式在阻塞裕度較小時與數(shù)值計算結(jié)果吻合良好，公式(3)可以用來計算重阻塞狀態(tài)時阻尼孔的流量。在較大阻塞裕度時，存在一定誤差，這與流量系數(shù)有關(guān)，公式計算中流量系數(shù)為恒定常數(shù)，而實(shí)際中流量系數(shù)與阻塞裕度、流動狀態(tài)及雷諾數(shù)等均有關(guān)系，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

針對草捆成型液壓系統(tǒng)中的兩通插裝閥阻尼孔阻塞故障問題，建立一種近阻塞狀態(tài)時液壓阻尼孔數(shù)值計算模型，提出液壓阻尼孔阻塞裕度的概念，分析了近阻塞狀態(tài)時液壓阻尼孔的內(nèi)部流動和壓力-流量特性，獲得以下結(jié)論：

(1) 近阻塞狀態(tài)時，阻塞物在液壓阻尼孔入口形成“二次節(jié)流”效應(yīng)，導(dǎo)致過流面的退化，加劇了流速的變化，造成高壓力梯度區(qū)的前移和低壓區(qū)的擴(kuò)大。

(2) 近阻塞狀態(tài)時，液壓阻尼孔通流能力隨著壓差的增大和堵塞裕度的減小而加劇，所推導(dǎo)的理論流量公式在阻塞裕度較小時與數(shù)值計算結(jié)果吻合良好。建立的近阻塞狀態(tài)時液壓阻尼孔數(shù)值計算模型能夠有效的預(yù)測阻尼孔性能的退化。

此次研究為草捆成型液壓系統(tǒng)中的兩通插裝閥阻尼孔阻塞故障問題提供了理論依據(jù)，對液壓阻尼孔性能退化的預(yù)測和評估具有重要參考價值。