液压阀冲蚀磨损特性分析与结构探讨

　　液压阀结构较为复杂,常常会遇到突扩、突缩、弯曲流道等.流体流经这些复杂流道处会产生漩涡、回流、脱壁和重新附壁等流动现象.若设计不当,会加剧阀的腐蚀、振动与噪声,降低使用寿命与工作性能,从而直接影响整个系统的工作性能.液压阀中的密封副是其关键部分,由于其结构的特殊性,它很容易遭受流体介质的冲蚀磨损.因此有必要研究该类流动体系的壁面磨损行为.减轻壁面磨损可采用2种方法^{[1, 2]}:1)提高壁面材料的抗磨性,如使用耐磨材料或在壁面上镀覆耐磨材料或对壁面进行改性处理等;2)根据冲蚀理论,通过改变壁面形状来改变近壁流场的条件,从而影响固粒的速度和轨迹,最终减轻固粒对壁面的磨损.本文利用CFD方法,将低Re数k-ε湍流模型与冲蚀理论相结合,对液压阀典型结构的壁面冲蚀损耗进行了计算,找出固粒对壁面的冲蚀位置,并提出一种新的高水基液压阀结构.

　　1 典型液压阀的结构

　　液压支架高水基液压阀工作介质为5%的乳化油与95%的水形成水包油型(O/W型)乳化液,黏度低,工作压力高,通常在32MPa左右;并且要求在关闭位置时没有任何漏损.高水基液压阀的密封副由阀座和阀芯组成,按密封副的结构不同,高水基液压阀分为平面阀、球阀和锥阀.本文重点研究平面阀流动状态.液压阀在非工作状态时,阀芯与阀座处于常闭状态;正常工作时,利用阀芯相对阀座孔的移动来改变液流通路开口的大小,以实现液流压力、流量及方向的控制.传统设计中,顶杆的布置通常设在阀座中心,即顶杆结构.图1为平面密封阀的正顶杆结构简图.图2为平面先导阀的流场计算区域,其中入口直径D=8 mm,d=7 mm,出口直径D₀=0.6 mm,阀口开度为0.2 mm.

　　2 冲蚀数学模型的选择

　　2.1 流场数学计算模型

　　流体的流动是一个非常复杂的多相流动过程.整个流动过程可以用连续性方程、动量守恒方程、湍动能k及湍动能耗散率E的k-E输运方程来描述.对于定常流动,流体运动的连续性方程和动量守恒方程^[3]分别为其中ρ为液体密度, kg/m³;u_i为速度矢量在x_i方向的分量, m/s;p为流体微元体上的压力, Pa;τ_ij为应力张量,ρ_gi和F_i分别为i方向的重力体积力和外部体积力;μ为液体动力黏度, Pa.s;δ_ij为脉冲函数.

　　目前广泛使用的湍流模型有launder和spalding^[4]提出的标准k-ε湍流模型, Yakhot和Orzag^[5]提出的RNGk-E模型,文献^[6]提出的Realizablek-E湍流模型.这3种k-E湍流模型均对充分发展的湍流才有效,这些模型均是高Re数的湍流模型.它们只能用于求解处于湍流核心区的流动.而在壁面区,流动情况变化很大,特别是在黏性底层,流动几乎是层流,湍流应力几乎不起作用.因此,不能用上述k-E模型来求解这个区域内的流动.解决这一问题的途径^[7]:1)壁面函数法;2)低Re数k-E模型.本文采用Jones和Launder提出的低Re数k-E模型^[8].湍动能k,湍动能耗散率E的输运方程分别为