錐臺微造型對水液壓安全閥閥芯潤滑的影響研究*

張 宇，陳國瑜，王傳禮,2,3※

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232000；2.江蘇省礦山機電裝備重點實驗室（中國礦業大學），江蘇徐州 221116；3.安徽理工大學礦山智能裝備與技術安徽省重點實驗室，安徽淮南 232000）

0 引言

煤礦水液壓安全閥是液壓支架的重要組件之一，以水為工作介質，具有價格低廉、環境友好、阻燃性強等優點[1]。通過何濤等[2-4]研究發現，基于微造型的水液壓安全閥可產生動壓潤滑效果，有效緩解因水的黏度低導致閥芯摩擦副間難以形成潤滑膜，閥芯潤滑效果差和閥芯摩擦磨損加重的狀況。

微造型是在摩擦副表面加工規律分布的微凹坑，以改善動壓潤滑效果，提升工作效率的表面工程技術新型手段。通過加工規律分布的微凹坑，閥芯產生動壓潤滑，可提升潤滑效果和改善摩擦磨損。大量研究表明，不同參數下的微造型對閥芯承載力、閥芯動壓潤滑效果的影響不同[5]。其中，何濤等[6]發現常見微造型形貌中，球冠形微造型可產生良好的動壓潤滑效果，具有較小的泄漏量；馬丁等[3]表明常見微造型形貌中，球冠形與圓柱形微造型可有效提高閥芯承載力；周大偉等[4]指出：閥芯承載力會隨閥芯移動速度與微造型間隙的改變而改變。本文將研究一種新型錐臺微造型，分析了解微凹坑深度與錐臺角度對閥芯動壓潤滑和承載力影響較大。因此，通過改變微凹坑深度與錐臺角度參數，分析仿真結果，研究影響因素對錐臺微造型閥芯動壓潤滑效果和承載力的影響。

1 建立模型

1.1 微造型模型

圖1所示為擬構建的錐臺微造型結構，圖2所示為錐臺微造型的閥芯結構。閥芯進出口壓力分別為p0和pn。閥套固定，閥芯作往復運動，兩者形成摩擦副，往復運動中，摩擦副間產生潤滑油膜，從而改善動壓潤滑效果[7-9]。

圖1 錐臺微造型結構

1.2 仿真模型

摩擦副間運動具有周期循環性，故忽略微凹坑間相互影響，將摩擦副簡化為l×l的微凹坑單元[10]，如圖3（a）所示。沿著微凹坑中心線剖開，得到微凹坑單元二維幾何模型，如圖3（b）所示。

圖2 錐臺微造型閥芯結構形態

圖3 錐臺微造型簡化流程和微凹坑單元流場幾何模型

2 數學模型

2.1 微造型間隙高度方程

通過圖3 分析可知，閥芯、閥套組成的摩擦副間任意兩點在二維流場下的高度公式如下：

式中：Ω1、Ω2為錐臺微造型內不同區域；θ為微造型形貌設定角度。

2.2 流場N-S方程的建立

為方便計算，做如下簡化：（1）視微凹坑中油膜厚度相同；（2）忽略溫度影響[3]；（3）閥芯始終處于水中；（4）除微凹坑單元區域外，其他區域均為光滑表面。得到簡化后的流場N-S方程如下[11]。

沿x方向：

沿z方向：

流體連續性方程：

2.3 承載力方程的建立

流體在錐臺微造型閥芯外表面的承載力方程[12]為：

2.4 微造型單元邊界條件的設置

視閥芯閥套壁面無位移，前后壁面視為帶壓降的周期邊界[13]，故邊界條件下的壓力梯度為：

式中：p0為微造型單元低壓端壓力；pn為高壓端壓力；L0為閥芯軸向長度。

3 參數設置

據煤礦水液壓安全閥實際工況和技術要求，設定微造型區域外摩擦副間隙h0＝3 μm，動力黏度η＝1.003×10-3N·s/m2；壓力梯度為0.8 kPa/μm；微凹坑單元尺寸l＝60 μm；微造型半徑rp＝20 μm；閥芯速度U＝2.5 m/s[5]。本文研究深度與錐臺角度對基于錐臺微造型閥芯動態潤滑性能和承載力的影響，具體參數設置如表1所示。

表1 影響參數設置

4 仿真與分析

利用Fluent 軟件仿真計算，得到微造型單元表面壓力分布云圖，不同參數下微造型單元動壓力和承載力變化情況。

4.1 微凹坑單元壓力分布

圖4 錐臺微造型壓力云圖

圖4 所示為不同參數下微造型單元表面壓力云圖，圖4（a）、圖4 （b）為相同角度下不同深度的壓力云圖，圖4（a）、圖4 （c）為相同深度下不同角度的壓力云圖。由圖可知：（1）不同參數條件下，壓力分布趨勢大體相同；（2）高壓與低壓主要分布于收斂楔和發散楔區域，且正壓形成于收斂楔，負壓形成于發散楔；（3）最高絕對正壓力較最低絕對負壓力大，且正壓分布區域較負壓分布區域大，故形成正向承載力。

4.2 微凹坑單元壓力分析

圖5 所示為不同深度下閥芯表面壓力分布。圖中正負壓力峰值的x坐標均位于發散楔與收斂楔區域，正壓與負壓分界點處位置x坐標大于0，進一步論證正壓區域較負壓區域大，可產生動壓潤滑。此外，由圖可知深度的變化影響錐臺微造型作用下閥芯表面壓力的幅值，深度越大，閥芯表面壓力幅值越大。

圖5 不同深度下閥芯表面壓力分布

圖6 不同角度下閥芯表面壓力分布

圖6 所示為不同角度下閥芯表面壓力分布。由圖可知，錐臺角度的變化影響錐臺微造型作用下閥芯表面壓力的幅值。當20°≤θ≤40°時，閥芯表面壓力幅值隨角度的增大而增大；當50°≤θ≤80°時，壓力幅值隨角度的增大而減小；θ＝40°、50°時，壓力幅值最大。因此，閥芯表面壓力幅值隨角度的增加先增大再減小，在40°≤θ≤50°間，存在一個最大壓力幅值，這有待進一步研究確定。

4.3 承載力分析

微凹坑單元閥芯承載力如圖7 所示，基于錐臺微造型的閥芯承載力大于0，有效減少摩擦副間的摩擦磨損；深度與角度均影響閥芯承載力變化，在不同深度下閥芯承載力隨深度的增大而增大，而不同角度下閥芯承載力隨角度的增大先增大再減小。

圖7 微凹坑單元閥芯承載力

5 結束語

（1）基于錐臺微造型的煤礦水液壓安全閥閥芯表面可產生動壓力，有效提升動壓潤滑性能，減少摩擦磨損。

（2）基于錐臺微造型的閥芯表面壓力分布受深度和角度變化影響，壓力幅值隨深度的增大而增大，隨角度的增大，先增大后減小。

（3）閥芯表面承載力受深度和角度變化影響，承載力大小隨深度的增大而增大，隨角度的增大，先增大后減小。因此，深度的增加與合適的錐臺角度可提高閥芯動壓潤滑性能。