液壓閥沖蝕磨損特性分析與結構探討

魏世鵬

（太重集團榆次液壓工業有限公司，晉中030600）

隨著液壓技術的不斷發展，人們對液壓閥的質量要求更為嚴苛。但是，在實際的應用過程中，由于結構比較復雜，液壓閥常會出現突縮、突擴或者彎曲流道等情況。流體流經這些比較復雜、特殊的流道時，則會產生流體回流、漩渦，出現脫壁、重新附壁等復雜的流動現。如果液壓閥的結構設計不當，則會使得液壓閥的震動、噪聲以及腐蝕等情況不斷加劇，影響液壓閥的正常工作，縮短其使用壽命，進而導致整個液壓系統的工作性能受到影響。基于此，必須對液壓閥的沖蝕磨損特性進行仔細分析，進而了解其受損原因，對液壓閥的結構進行優化設計，最終實現減輕磨損的效果，保證液壓閥的質量，進而保證整個系統能夠正常運作。

1 液壓閥的概述

液壓閥是整個液壓系統的重要元件之一，其也是整個液壓技術研究的重中之重。液壓閥主要的設計參考為油介質，傳統油介質液壓閥在運行過程中會出現較多的不良現象，如氣蝕、沖蝕、泄露等，這就會影響整個液壓系統的正常運行。因此，研究人員必須要對液壓閥和內部流體介質的物理、化學特性進行充分考量，研究其磨損、氣蝕、沖蝕的關鍵影響因素，進而從新工藝、新材料以及新結構等方面來對液壓閥進行改進，進一步推動整個液壓技術的進步[1]。

液壓支架高水基液壓閥為一種比較常見的液壓閥類型，其內部工作的流體介質主要包括乳化油（5%）以及水（95%），形成了一種水包油型的乳化液（O/W型）。該類型的流體介質黏度比較低，具有較高的工作壓力，通常情況下，能夠在32MPa左右的壓力環境下工作。該種液壓閥要求在關閉位置時沒有任何漏損。其密封副包括閥座、閥芯兩大部分，根據不同的結構，其又分為球閥、錐閥以及平面閥三種類型[2]。

2 液壓閥的沖蝕磨損特性

在液壓閥的使用過程中，其使用壽命的影響因素主要有以下兩個方面，其一為閥芯受到高速液流的沖蝕、磨損，其二為節流口處受到的氣蝕磨損，本文主要探討沖蝕磨損。沖蝕磨損也被稱為浸蝕磨損，主要是指材料表面受到大量小形態、大松散的流動粒子的撞擊，最終導致其表面受到破壞的磨損現象。在液壓閥使用的過程中，長期使用導致其內部的流體攜帶了較多的顆粒物質，當這些攜帶顆粒物質的流體通過液壓系統的各個流道、閥口等時，它們就會對其產生一定的沖蝕效果，導致表面凹凸不平，液壓系統會受到嚴重的磨損[3]。

流體的流動是一個比較復雜的多相流動過程，其間會產生多種類型的力，當液壓閥中的流體長期處在變流量、大壓差的工況時，流體中攜帶的固體顆粒會在高速流體的驅動下以一定的速度對閥壁、閥芯等進行沖擊。沖擊時間達到一定程度，導致閥壁、閥芯中的部分受力面遭到嚴重磨損，進而產生較為微小的裂紋，降低液壓閥的密封性，致使其產生滲漏，將會對液壓閥的正常使用造成影響。這就要求人們必須對液壓閥的結構進行改進，提高整個液壓閥裝置的科學性，降低生產成本。

3 液壓閥的結構改造

目前，研究人員通過兩個方面來降低控制閥閥芯和密封面的沖蝕磨損，以提高控制閥的使用壽命。一是優化材料選擇，即選擇抗沖蝕性能比較高的材料。二是優化液壓閥的機械結構，以降低減少沖蝕磨損帶來的影響。

3.1 材料方面

要想提高液壓閥的抗沖蝕磨損性能，則需要采用韌性材料，采用堆焊、激光熔覆、熱噴涂以及氣相沉積等技術在材料表面增加硬質涂層。此外，可以使用符合材料來進行液壓閥的制造，以纖維增強、陶瓷強度高、膨脹系數低、耐磨性好、尺寸穩定的材料為最佳[4]。

3.2 結構方面

在對液壓閥進行改進的過程中，以下生物實例符合局部質量原則：荷葉表面的非光滑結構能夠實現其自潔功能；鳥類翅膀局部結構的不同會對其飛行性能產生不同的影響；深海魚類的骨骼較薄，容易彎曲，肌肉組織細密，能夠適應海底的超高水壓；紅柳由于其樹皮呈現溝槽狀裂紋，能夠很好地抵御風沙的沖蝕。本文以紅柳樹皮的溝槽狀裂紋作為液壓閥結構改進的參考。

紅柳樹皮上分布大量縱向的溝槽，形態各異，具有不同的寬度、深度，這些不平行的溝槽表面結構對流體的流動速度、方向等都具有一定的干擾作用，能夠改變風沙的運動狀態，進而提升紅柳的抗沖蝕性能。在液壓閥的結構設計中，可以根據紅柳樹皮特性對閥口結構進行仿生設計。由于紅柳樹皮表面的溝槽、裂紋等均為縱向分布，垂直于沙粒沖擊材料的方向，因此，人們在設計閥芯的過程中也可以設計出非光滑面，要求其溝槽的方向必須要垂直于流體的方向，從整體上呈現出環狀的凹槽，流體遇到凹槽后在槽內旋轉、流動，形成一層墊層，使得流體的湍流化程度顯著增加，對近壁的流場進行破壞，改變流體的流向，降低沖擊速度，從而改變流體內顆粒的運動軌跡，使得流體中的一部分沙粒沒有直接接觸閥芯表面而被流體帶走，進而減少流體中顆粒對于閥芯表面的撞擊次數，實現對沖蝕磨損的減輕[5]。

4 結語

液壓閥的沖蝕磨損會受到本身材質、流體沖蝕速度、流體沖蝕時間等多種因素的影響，當流介質體內存在較多的顆粒狀物質時，這會對液壓閥的密封面造成沖蝕磨損，對于節流口附近的閥芯沖蝕程度最為嚴重。此外，由于閥芯受到慣性等力的作用，其表面產生微動磨損，沖蝕磨損和微動磨損的共同作用導致閥芯的磨損加劇。這就要求人們必須對其結構、材質等進行改進，以紅柳樹皮為基準，設計仿生抗沖蝕液壓閥，其閥芯的表面仿照紅柳樹皮的溝槽結構，以降低流經閥口的流體速度，減弱其對于液壓閥的沖蝕磨損，延長其使用期限。