液压阀冲蚀磨损特性分析与结构探讨

魏世鹏

（太重集团榆次液压工业有限公司，晋中030600）

随着液压技术的不断发展，人们对液压阀的质量要求更为严苛。但是，在实际的应用过程中，由于结构比较复杂，液压阀常会出现突缩、突扩或者弯曲流道等情况。流体流经这些比较复杂、特殊的流道时，则会产生流体回流、漩涡，出现脱壁、重新附壁等复杂的流动现。如果液压阀的结构设计不当，则会使得液压阀的震动、噪声以及腐蚀等情况不断加剧，影响液压阀的正常工作，缩短其使用寿命，进而导致整个液压系统的工作性能受到影响。基于此，必须对液压阀的冲蚀磨损特性进行仔细分析，进而了解其受损原因，对液压阀的结构进行优化设计，最终实现减轻磨损的效果，保证液压阀的质量，进而保证整个系统能够正常运作。

1 液压阀的概述

液压阀是整个液压系统的重要元件之一，其也是整个液压技术研究的重中之重。液压阀主要的设计参考为油介质，传统油介质液压阀在运行过程中会出现较多的不良现象，如气蚀、冲蚀、泄露等，这就会影响整个液压系统的正常运行。因此，研究人员必须要对液压阀和内部流体介质的物理、化学特性进行充分考量，研究其磨损、气蚀、冲蚀的关键影响因素，进而从新工艺、新材料以及新结构等方面来对液压阀进行改进，进一步推动整个液压技术的进步[1]。

液压支架高水基液压阀为一种比较常见的液压阀类型，其内部工作的流体介质主要包括乳化油（5%）以及水（95%），形成了一种水包油型的乳化液（O/W型）。该类型的流体介质黏度比较低，具有较高的工作压力，通常情况下，能够在32MPa左右的压力环境下工作。该种液压阀要求在关闭位置时没有任何漏损。其密封副包括阀座、阀芯两大部分，根据不同的结构，其又分为球阀、锥阀以及平面阀三种类型[2]。

2 液压阀的冲蚀磨损特性

在液压阀的使用过程中，其使用寿命的影响因素主要有以下两个方面，其一为阀芯受到高速液流的冲蚀、磨损，其二为节流口处受到的气蚀磨损，本文主要探讨冲蚀磨损。冲蚀磨损也被称为浸蚀磨损，主要是指材料表面受到大量小形态、大松散的流动粒子的撞击，最终导致其表面受到破坏的磨损现象。在液压阀使用的过程中，长期使用导致其内部的流体携带了较多的颗粒物质，当这些携带颗粒物质的流体通过液压系统的各个流道、阀口等时，它们就会对其产生一定的冲蚀效果，导致表面凹凸不平，液压系统会受到严重的磨损[3]。

流体的流动是一个比较复杂的多相流动过程，其间会产生多种类型的力，当液压阀中的流体长期处在变流量、大压差的工况时，流体中携带的固体颗粒会在高速流体的驱动下以一定的速度对阀壁、阀芯等进行冲击。冲击时间达到一定程度，导致阀壁、阀芯中的部分受力面遭到严重磨损，进而产生较为微小的裂纹，降低液压阀的密封性，致使其产生渗漏，将会对液压阀的正常使用造成影响。这就要求人们必须对液压阀的结构进行改进，提高整个液压阀装置的科学性，降低生产成本。

3 液压阀的结构改造

目前，研究人员通过两个方面来降低控制阀阀芯和密封面的冲蚀磨损，以提高控制阀的使用寿命。一是优化材料选择，即选择抗冲蚀性能比较高的材料。二是优化液压阀的机械结构，以降低减少冲蚀磨损带来的影响。

3.1 材料方面

要想提高液压阀的抗冲蚀磨损性能，则需要采用韧性材料，采用堆焊、激光熔覆、热喷涂以及气相沉积等技术在材料表面增加硬质涂层。此外，可以使用符合材料来进行液压阀的制造，以纤维增强、陶瓷强度高、膨胀系数低、耐磨性好、尺寸稳定的材料为最佳[4]。

3.2 结构方面

在对液压阀进行改进的过程中，以下生物实例符合局部质量原则：荷叶表面的非光滑结构能够实现其自洁功能；鸟类翅膀局部结构的不同会对其飞行性能产生不同的影响；深海鱼类的骨骼较薄，容易弯曲，肌肉组织细密，能够适应海底的超高水压；红柳由于其树皮呈现沟槽状裂纹，能够很好地抵御风沙的冲蚀。本文以红柳树皮的沟槽状裂纹作为液压阀结构改进的参考。

红柳树皮上分布大量纵向的沟槽，形态各异，具有不同的宽度、深度，这些不平行的沟槽表面结构对流体的流动速度、方向等都具有一定的干扰作用，能够改变风沙的运动状态，进而提升红柳的抗冲蚀性能。在液压阀的结构设计中，可以根据红柳树皮特性对阀口结构进行仿生设计。由于红柳树皮表面的沟槽、裂纹等均为纵向分布，垂直于沙粒冲击材料的方向，因此，人们在设计阀芯的过程中也可以设计出非光滑面，要求其沟槽的方向必须要垂直于流体的方向，从整体上呈现出环状的凹槽，流体遇到凹槽后在槽内旋转、流动，形成一层垫层，使得流体的湍流化程度显著增加，对近壁的流场进行破坏，改变流体的流向，降低冲击速度，从而改变流体内颗粒的运动轨迹，使得流体中的一部分沙粒没有直接接触阀芯表面而被流体带走，进而减少流体中颗粒对于阀芯表面的撞击次数，实现对冲蚀磨损的减轻[5]。

4 结语

液压阀的冲蚀磨损会受到本身材质、流体冲蚀速度、流体冲蚀时间等多种因素的影响，当流介质体内存在较多的颗粒状物质时，这会对液压阀的密封面造成冲蚀磨损，对于节流口附近的阀芯冲蚀程度最为严重。此外，由于阀芯受到惯性等力的作用，其表面产生微动磨损，冲蚀磨损和微动磨损的共同作用导致阀芯的磨损加剧。这就要求人们必须对其结构、材质等进行改进，以红柳树皮为基准，设计仿生抗冲蚀液压阀，其阀芯的表面仿照红柳树皮的沟槽结构，以降低流经阀口的流体速度，减弱其对于液压阀的冲蚀磨损，延长其使用期限。