周新建，路永鋒，劉司宇，田妍

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710054)

0 前言

純水作為液壓系統(tǒng)最理想的傳動(dòng)介質(zhì)，與傳統(tǒng)油介質(zhì)相比，它具有成本低、無(wú)污染、阻燃性和安全性好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，它是以天然水(海水或淡水)代替礦物油作為液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的一門(mén)綠色技術(shù)，由于其諸多優(yōu)點(diǎn)和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，近年來(lái)受到了各國(guó)液壓界的廣泛重視[1-2]。

雙向液壓鎖作為液壓系統(tǒng)中最常用的鎖緊閥類之一，常用來(lái)保持液壓系統(tǒng)壓力、液壓缸的“支撐”、鎖緊、大流量排液等，其性能的優(yōu)劣對(duì)于液壓系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響[3]，因此研制純水介質(zhì)雙向液壓鎖對(duì)于推動(dòng)整個(gè)水壓傳動(dòng)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

純水介質(zhì)雖然相較于油介質(zhì)具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但同樣也面臨著比油介質(zhì)更大的技術(shù)難題，其中氣蝕現(xiàn)象是最為突出的難點(diǎn)之一。由于水介質(zhì)和油介質(zhì)理化性質(zhì)的不同，水介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生比油介質(zhì)更為嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象。氣蝕不僅會(huì)影響閥的性能和精度，引起震動(dòng)和噪聲，而且其產(chǎn)生的高壓沖擊波還會(huì)嚴(yán)重破壞閥芯和閥體表面，使流體中的微粒撞擊表面，造成閥表面受損，縮短閥的使用壽命[4-7]。水的汽化壓力高、彈性模量大，使得相同條件下純水液壓元件遭受的氣蝕破壞程度要比油壓元件嚴(yán)重上百倍[8-12]，尤其對(duì)于經(jīng)常處于大壓差、變流量工況下的雙向液壓鎖，其閥口處的氣蝕現(xiàn)象最為突出[12-15]。所以抑制閥口處氣蝕成為提高純水介質(zhì)雙向液壓鎖性能、延長(zhǎng)其壽命的關(guān)鍵。

本文作者以SSF2A型雙向液壓鎖為研究對(duì)象，從流場(chǎng)控制的角度出發(fā)，對(duì)純水介質(zhì)雙向液壓鎖氣蝕現(xiàn)象展開(kāi)研究。

1 雙向液壓鎖組成及其工作原理

圖1所示為該型雙向鎖三維剖視圖，其兩邊由2個(gè)液控單向閥組成，閥芯結(jié)構(gòu)為錐閥結(jié)構(gòu)，中間部分為控制活塞及頂桿。

圖1 雙向液壓鎖三維剖視圖

圖2所示為該型雙向鎖工作原理，當(dāng)A口通高壓油時(shí)，高壓油液頂開(kāi)閥芯4，經(jīng)C口進(jìn)入液壓缸，推動(dòng)液壓缸活塞向右移動(dòng)，而在液壓鎖的右側(cè)，頂桿5由于受左側(cè)高壓油作用向右移動(dòng)，從而推開(kāi)右側(cè)單向閥閥芯，右側(cè)單向閥打開(kāi)，液壓缸右側(cè)油液經(jīng)D口流入B口流出，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞向右移動(dòng)；當(dāng)A口停止供液時(shí)，兩邊單向閥閥芯在彈簧力和油液壓力的作用下關(guān)閉，且液壓缸內(nèi)的液壓力越大密封效果越好，同樣，當(dāng)B口通高壓油時(shí)，工作原理亦相同。

圖2 雙向鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

2 建立幾何模型

2.1 閥道幾何模型

由于閥口處經(jīng)常處于大壓差、變流量的工況下，導(dǎo)致閥口處成為氣蝕現(xiàn)象最集中、最嚴(yán)重的區(qū)域，所以針對(duì)閥口處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)抑制氣蝕的關(guān)鍵。

文中設(shè)計(jì)了3種閥道改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)比研究從中選取最佳設(shè)計(jì)方案，圖3所示為各閥道結(jié)構(gòu)。圖3(a)是改進(jìn)前閥道結(jié)構(gòu)，閥座長(zhǎng)度8 mm，進(jìn)水口直徑為9 mm；圖3(b)是方案1閥道結(jié)構(gòu)，采用二級(jí)節(jié)流，將閥套設(shè)計(jì)為球形，并且開(kāi)設(shè)高壓引流孔，閥芯形式為錐閥結(jié)構(gòu)；圖3(c)是方案2閥道結(jié)構(gòu)，閥芯一級(jí)節(jié)流處采用半球形閥芯并開(kāi)設(shè)高壓引流孔，在閥芯過(guò)渡處設(shè)計(jì)了曲線過(guò)渡形式，二級(jí)節(jié)流閥芯采用錐形閥芯，同樣開(kāi)設(shè)高壓引流孔；圖3(d)是方案3閥道結(jié)構(gòu)，兩級(jí)節(jié)流均采用錐形閥芯，過(guò)渡處采用直線，分別在閥套處和二級(jí)節(jié)流處開(kāi)設(shè)高壓引流孔。以上改進(jìn)方案閥套長(zhǎng)度與進(jìn)水口直徑均保持不變，所開(kāi)設(shè)高壓引流孔直徑均為0.2 mm。

由于上述閥道均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以可以簡(jiǎn)化為圖4所示的二維軸對(duì)稱模型。如圖4(a)為改進(jìn)前閥道計(jì)算區(qū)域，oo1為對(duì)稱軸線，oa為入口，ef為出口，o1ihg為閥芯邊界，abcdef為閥體邊界，gf為假想邊界；圖4(b)為改進(jìn)方案1閥道計(jì)算區(qū)域，oo1為對(duì)稱軸線，oa為入口，fg為出口，o1ih為閥芯邊界，abcdefg為閥體邊界，hg為假想邊界；圖4(c)為改進(jìn)方案2閥道計(jì)算區(qū)域，oo1為對(duì)稱軸線，oa為入口，ef為出口，jo1ihg為閥芯邊界，abcdef為閥體邊界，gf為假想邊界；圖4(d)為改進(jìn)方案3閥道計(jì)算區(qū)域，oo1為對(duì)稱軸線，oa為入口，fg為出口，lo1ih為閥芯邊界，abcdefg為閥體邊界，hg為假想邊界。

圖4 二維軸對(duì)稱模型

2.2 邊界條件

在入口和出口分別處采用壓力入口以及壓力出口，入口壓力設(shè)置為31.5 MPa，出口壓力為大氣壓，壁面采用無(wú)滑移壁面。求解器使用耦合求解算法(Coupled)。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 基本方程

考慮到主閥口結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可將其簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，并假設(shè)流體不可壓縮，其質(zhì)量方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

3.2 氣穴模型

氣體體積分?jǐn)?shù)方程：

(3)

式中：αa為氣相體積分?jǐn)?shù)；ρa(bǔ)為氣相密度；ma1為氣相與液相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換。

ρ=αaρa(bǔ)+(1-αa)ρ1

(4)

(5)

(6)

式中：ρ1為液相密度；ρ為平均密度；(1-αa)為液相體積分?jǐn)?shù)；pV為汽化壓力；R為氣泡半徑；n為單位體積的氣泡數(shù)。

3.3 RNG κ-ε湍流模型

RNGκ-ε模型采用了Boussinesq假設(shè)的雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)式：

(7)

在高雷諾數(shù)時(shí)：

(8)

湍流動(dòng)能κ和湍流動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程為

(9)

其中湍動(dòng)能生成項(xiàng)及平均應(yīng)變率張量分量分別為

Gκ=2utsijsij

(10)

(11)

與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型不同，在ε方程中考慮了非平衡應(yīng)變率影響，引入了附加耗散生成項(xiàng)，即ε方程中是C1ε不再是常數(shù)。其他參數(shù)由理論計(jì)算獲得，其值分別為：Cμ=0.084 5，C2ε=1.68，ακ=αε≈1.393。

(12)

4 仿真結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果采用Fluent完成，網(wǎng)格劃分尺寸、進(jìn)口壓力均設(shè)置相同，得出4種閥道在不同閥口開(kāi)度情況下的氣穴分布云圖，由此分析各個(gè)閥道在抑制氣穴方面的能力。

圖5所示為閥口開(kāi)度在0.2 mm時(shí)的各閥道氣穴云圖?？芍焊倪M(jìn)前閥道氣穴面積占據(jù)了整個(gè)出口的75%左右，氣穴值大部分在0.64以上，最高值為0.8；改進(jìn)方案1在一級(jí)節(jié)流口處與閥口處均有氣穴分布，一級(jí)節(jié)流口處氣穴值大部分不到0.3，氣穴現(xiàn)象較為輕微，不會(huì)造成大的損害，閥口處氣穴面積占整個(gè)出口面積的40%左右，氣穴值大部分在0.4左右，最高值為0.8；改進(jìn)方案2出口處氣穴面積占整個(gè)出口面積的60%左右，中心區(qū)域值在0.67以上，最高0.83；改進(jìn)方案3出口處氣穴面積占整個(gè)出口面積的70%左右，氣穴值在0.09～0.98，最高0.98。

圖5 閥口開(kāi)度0.2 mm流場(chǎng)氣穴分布云圖

圖6所示為閥口開(kāi)度在0.4 mm時(shí)的各閥道氣穴云圖?？芍焊倪M(jìn)前閥道氣穴面積占據(jù)了整個(gè)出口面積的70%左右，氣穴值大部分在0.62以上，最高值為0.78；改進(jìn)方案1在一級(jí)節(jié)流口處與閥口處均有氣穴分布，一級(jí)節(jié)流口處氣穴大部分值在0.39左右，氣穴現(xiàn)象輕微，閥口處氣穴面積占整個(gè)出口面積的35%左右，氣穴值大部分在0.39左右，最高值為0.79；改進(jìn)方案2氣穴面積占整個(gè)出口面積的40%左右，氣穴值大部分在0.55以上，最高值0.78；改進(jìn)方案3氣穴面積占整個(gè)出口面積的45%左右，氣穴值大部分在0.58以上，最高值0.83。

圖7所示是閥口開(kāi)度在0.6 mm時(shí)的各閥道氣穴云圖。改進(jìn)前閥道氣穴面積占整個(gè)出口面積的40%左右，氣穴值大部分在0.63以上，最高0.79；改進(jìn)方案1在一級(jí)節(jié)流口處與閥口處均有氣穴分布，一級(jí)節(jié)流口處只有很小一部分，其值不到0.2，幾乎不會(huì)造成危害，閥口處氣穴面積占整個(gè)出口面積的15%左右，氣穴值大部分在0.34左右，最高值為0.68；改進(jìn)方案2氣穴面積占整個(gè)出口面積的38%左右，氣穴值大部分在0.58以上，最高值0.83；改進(jìn)方案3氣穴面積占整個(gè)出口面積的39%左右，氣穴值大部分在0.65以上，最高值0.82。

圖6 閥口開(kāi)度0.4 mm流場(chǎng)氣穴分布云圖

圖7 閥口開(kāi)度0.6 mm流場(chǎng)氣穴分布云圖

綜上可知，隨著閥口開(kāi)度的增大，各個(gè)閥道產(chǎn)生的氣穴現(xiàn)象不論是在面積上還是程度上都呈下降趨勢(shì)，表明閥口開(kāi)度越大氣穴危害越小，反之亦然；而從仿真結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)方案1不論是氣穴發(fā)生的面積還是程度上都比其他3種閥道要小很多，改進(jìn)方案2相較于改進(jìn)前和改進(jìn)方案3在抑制氣穴方面性能要優(yōu)，尤其是在減小氣穴發(fā)生面積上最為明顯。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上流場(chǎng)仿真結(jié)果，將所設(shè)計(jì)的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物加工，并搭建相應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其防氣蝕性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖8所示為所加工的雙向液壓閥芯和閥座，圖9所示為雙向液壓鎖總裝實(shí)物。臨界氣穴指數(shù)Kc是衡量氣穴水平的重要指標(biāo)，所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出臨界氣穴指數(shù)Kc便可以檢驗(yàn)以上設(shè)計(jì)方案的抗氣穴水平，臨界氣穴指數(shù)越大，氣穴越不容易發(fā)生，反之亦然。其計(jì)算公式如式(13)所示：

(13)

式中：Kc為臨界氣穴指數(shù)；p出為出口壓力；pv為水的汽化壓力；p入為入口壓力。

圖8 雙向液壓鎖閥芯閥座實(shí)物

圖9 雙向液壓鎖實(shí)物裝配

參照GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》及相關(guān)純水介質(zhì)閥特性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出圖10所示純水介質(zhì)雙向液壓鎖實(shí)驗(yàn)臺(tái)。泵站1為系統(tǒng)提供壓力，經(jīng)蓄能器組5積聚能量，實(shí)驗(yàn)時(shí)插裝閥組 7 迅速打開(kāi)，推動(dòng)增壓缸12進(jìn)行增壓，在被試雙向液壓鎖左端形成高壓，使壓力達(dá)到雙向液壓鎖實(shí)驗(yàn)所需壓力值，泵站13用來(lái)為增壓缸12充液和為被試雙向液壓鎖提供控制口供液。

圖10 純水介質(zhì)雙向液壓鎖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，一般認(rèn)為氣穴指數(shù)約在大于0.3時(shí)不會(huì)發(fā)生氣穴，且氣穴指數(shù)越高，發(fā)生氣穴的概率越低。圖11所示為雙向液壓鎖各方案氣穴指數(shù)。

圖11 雙向液壓鎖各方案氣穴指數(shù)

由圖11可知：改進(jìn)前雙向液壓鎖氣穴指數(shù)要低于其他改進(jìn)方案，即最易發(fā)生氣穴；而改進(jìn)方案1的氣穴指數(shù)要高于其他方案，在0.2 s左右氣穴指數(shù)上升到0.3以上，改進(jìn)前閥道在0.4 s左右時(shí)氣穴指數(shù)才上升到0.3，表明改進(jìn)方案1的防氣穴水平相較于傳統(tǒng)閥道結(jié)構(gòu)提高了50%左右，防氣穴能力最佳；方案2的氣穴指數(shù)總體低于方案1但要優(yōu)于方案3，即可得出4種結(jié)構(gòu)的防氣蝕能力：方案1>方案2>方案3>改進(jìn)前。綜上可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明了上述研究的可靠性。

6 結(jié)論

(1)文中對(duì)閥口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以極大地減少雙向液壓鎖的氣穴現(xiàn)象，降低氣蝕對(duì)閥的破壞。所以在純水閥的設(shè)計(jì)中，應(yīng)積極考慮采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)抑制氣穴。

(2)通過(guò)幾種結(jié)構(gòu)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：球形結(jié)構(gòu)相較于其他直面結(jié)構(gòu)具有更好的防氣穴效果，可以在未來(lái)純水閥的設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮使用，這也為之后的設(shè)計(jì)制造提供了重要參考。