三用阀阀芯微造型的动压润滑性能

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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。

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