近阻塞狀態時液壓阻尼孔流動與壓力-流量特性分析

葛忠棟，劉 飛，劉新強，李坤義

(1.甘肅省機械科學研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730030； 2.蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著畜牧業的蓬勃發展，飼草精制高密度壓制成型裝備的研發和產業化迫在眉睫，其中草捆成型液壓系統是該裝備的核心單元，系統中作為控制元件二通插裝閥的控制性能決定了設備工作的穩定性。在樣機研制過程中發現動作油缸伸出后，啟動相應的控制插裝閥，油缸不能退回，檢查發現液壓油未通過閥進入油缸有桿腔。打開兩通插裝閥蓋板后，對蓋板阻尼孔采用壓縮空氣進行了清理，后可正常動作，因此，判定阻尼孔被阻塞。如果阻尼孔發生阻塞，插裝閥控制腔油液無法通過阻尼孔回到油箱，進而導致主閥無法正常開啟，油液不能進入負載油缸。

阻尼孔是液壓系統重要的液阻結構，主要通過減小過流面積形成進出口壓差從而起到節流、調壓，緩沖和減振等作用。據統計，液壓系統70%左右的故障均與油液污染有關[1]。在實際生產生活中液壓設備在工作時會被雜質污染，阻塞液壓系統中的細孔結構，使其不能正常穩定的工作[2-3]。目前相關研究主要集中在孔徑大小對阻尼孔堵塞程度、堵塞時機不同所表現出來的異常現象[4]及其對液壓系統產生的影響[5-6]。文獻[7]認為油液中的固體顆粒在阻尼孔入口區域處的淤積是阻尼孔阻塞的主要原因。本文把阻尼孔將要阻塞但還未完全堵塞的狀態稱作近阻塞狀態，而對于近阻塞狀態下液壓阻尼孔的內部流動狀態及壓差-流量特性退化的相關研究還較少見到。

筆者提出一種近阻塞狀態時液壓阻尼孔的數值計算模型，對近阻塞狀態時液壓阻孔進行了三維穩態流場數值計算，分析近阻塞狀態下阻尼孔的壓力、速度及流動狀態與未阻塞時的不同，獲得了近阻塞狀態下的液壓阻尼孔的壓力-流量特性，為阻尼孔性能退化的預測和評估提供了重要參考。

1 近阻塞狀態阻尼孔計算模型

1.1 計算模型

現以草捆成型液壓系統中的二通插裝閥的蓋板上的細長孔型阻尼孔(如圖1所示)為研究對象，建立流場數值計算模型。將阻尼孔流域簡化成收縮段、阻尼孔和擴張段三段的串聯組合，建立如圖2(a)所示的阻尼孔幾何模型。為確保流動的穩定和充分性，其中收縮段直徑D1為10 mm，長度L1為15 mm，阻尼孔孔徑D2為1 mm，長度L2為10 mm，擴張段直徑D3為10 mm，長度L3為15 mm。根據文獻[7]，分析認為油液中的固體顆粒物在阻尼孔進口中心區域形成了錐狀淤積，因此本文進一步提出在阻尼孔收縮段進口處設置錐狀阻塞物來模擬近阻塞狀態的液壓阻尼孔。如圖2(b)所示，將阻尼孔內圓與阻塞物投影圓構成的圓環寬度L5稱為阻塞裕度Z，用阻塞裕度來衡量阻尼孔的阻塞程度，即阻塞裕度越小，阻尼孔阻塞越嚴重。

圖1 草捆成型液壓系統帶阻尼孔插裝閥

圖2 阻尼孔幾何模型

圖3為阻尼孔流域模型的網格劃分，采用四面體非結構性網格，如圖3(b)在收縮段和擴張段利用尺寸函數進行網格大小的光滑過度，以便捕捉流場內局部細微特征。

圖3 阻尼孔網格劃分

1.2 計算條件

選用標準k-epsilon湍流模型，油液密度為889 kg/m3，運動粘度為0.035 56 kg/m·s。進口邊界條件為壓力進口，出口為壓力出口，各項收斂殘差取10-6。

2 近阻塞狀態阻尼孔內部流動

現以阻塞裕度Z=0.2 mm，進口壓力12 MPa，出口壓力9 MPa的近阻塞液壓阻尼孔模型為例，分別進行近阻塞和未阻塞狀態下的流場計算，分析其速度、壓力和流動的變化。

由圖4可知近阻塞狀態時阻尼孔入口液流最高速度達74.4 m/s，未阻塞時為68.2 m/s。

圖4 阻尼孔入口速度分布

很明顯近阻塞的情況下的流速比無阻塞的流速大，原因在于在阻尼孔收縮段的基礎上，近阻塞狀態時阻尼孔入口的錐狀阻塞物類似錐閥芯使得阻尼孔入口過流面積，由未阻塞時的圓形過流面變成了“錐閥口”的圓臺側面形過流面，造成過流面積進一步的先減小再增大，進而導致液流流過阻塞物前后流速劇烈變化。可見錐狀阻塞物加劇了阻尼孔入口處過流面積的收縮變化，形成了“二次節流”效應，造成阻尼孔入口局部流速發生劇增和劇降，容易誘發流動的不穩定。

圖5為阻尼孔入口壓力分布，受錐狀堵塞物的影響在阻尼孔入口處的區壓力梯度集中區向阻尼孔進口上游遷移，同時造成節流后的低壓區前移擴大，造成提前節流現象，如圖5(b)所示。近阻塞狀態時阻尼孔入口阻塞物的“二次節流”效應導致有效過流面的退化，使得入口速度增大，局部壓力降增大。

圖5 阻尼孔入口速度分布

圖6為阻尼孔進口區域的流線，兩種狀態下流線總體分布基本一致，不同的是在近阻塞狀態時，大部分油液只能繞過阻塞物從阻塞物與阻尼孔入口形成的環形縫隙流過，阻塞物正面則形成駐點，這也將加劇阻塞物進一步靠近阻尼孔入口或進入阻尼孔。

圖6 阻尼孔入口流線分布

3 近阻塞狀態阻尼孔壓差-流量特性

3.1 近阻塞阻尼孔壓差-流量特性

圖7為阻尼孔阻塞裕度Z分別為0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm，在進出口壓差0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3 MPa時與未阻塞狀態下的壓力-流量圖。由圖7可知，在阻塞裕度一定時(即過流面積一定)，隨著壓差增大，阻尼孔的通流流量也增大；而且壓差越大，不同堵塞裕度之間的流量差也越大。由孔口流量公式：

圖7 近阻塞狀態阻尼孔壓差-流量特性

(1)

式中：Q為流量(L/min)；Cq為流量系數；A為過流面積(m2)；ΔP為壓差(MPa)；ρ為介質密度(kg/m3)。

可知在壓降一定時，堵塞裕度越小即阻塞越嚴重，過流面積越小，阻尼孔通流流量也越小。綜上所述，近阻塞狀態時阻尼孔入口有效過流面積減小，其通流能力下降，且壓差越大，通流能力越差。液壓阻尼孔阻塞后主要由過流面積的變化而導致阻尼孔通流能力的退化。

由此可知，飼草精制高密度壓制成型裝備草捆液壓成型系統中二通插裝閥的蓋板上阻尼孔堵塞后，其有效過流面積減小，阻尼孔通流能力也隨之下降，導致閥芯控制腔壓力難以釋放，造成主閥開啟速度變慢，甚至不能正常開啟，進而油液無法進入負載油缸而導致系統不能正常運行。因此，多塵環境工作中的液壓系統要做好油液質量控制以便保證裝備的正常運行。

3.2 近阻塞狀態阻尼孔流量公式

如圖8所示，進一步建立近阻塞狀態阻尼孔流量公式計算模型，阻塞裕度Z=AC，AD=D2/2，∠BCA=∠CED=θ，根據第2部分流場計算可知，近阻塞狀態時阻尼孔入口過流面積已退變成由線段AB繞阻尼孔中心線EF所形成的圓臺側面A1，另記由線段AC繞阻尼孔中心線所形成的面積為A2，則有：

圖8 近阻塞狀態阻尼孔流量公式計算模型

A1=A2·cosθ=πZ(D2-Z)cosθ

(2)

將公式(2)帶入式(1)可得：

近阻塞狀態阻尼孔流量計算公式：

(3)

式中：Cq為流量系數(一般取值0.78～0.82)；Z為阻尼孔阻塞裕度(mm)；D2為阻尼孔孔徑(mm)；θ為阻塞物半錐角(°)；ΔP為阻尼孔進出口壓差(MPa)；ρ為介質密度(kg/m3)。

現取Cq=0.8，D2=1 mm，θ=45°，ρ=889 kg/m3，由公式(3)所計算的流量為圖7中相應的虛線，可知所推導的近阻塞狀態時阻尼孔的理論流量公式在阻塞裕度較小時與數值計算結果吻合良好，公式(3)可以用來計算重阻塞狀態時阻尼孔的流量。在較大阻塞裕度時，存在一定誤差，這與流量系數有關，公式計算中流量系數為恒定常數，而實際中流量系數與阻塞裕度、流動狀態及雷諾數等均有關系，需要進一步研究。

4 結 論

針對草捆成型液壓系統中的兩通插裝閥阻尼孔阻塞故障問題，建立一種近阻塞狀態時液壓阻尼孔數值計算模型，提出液壓阻尼孔阻塞裕度的概念，分析了近阻塞狀態時液壓阻尼孔的內部流動和壓力-流量特性，獲得以下結論：

(1) 近阻塞狀態時，阻塞物在液壓阻尼孔入口形成“二次節流”效應，導致過流面的退化，加劇了流速的變化，造成高壓力梯度區的前移和低壓區的擴大。

(2) 近阻塞狀態時，液壓阻尼孔通流能力隨著壓差的增大和堵塞裕度的減小而加劇，所推導的理論流量公式在阻塞裕度較小時與數值計算結果吻合良好。建立的近阻塞狀態時液壓阻尼孔數值計算模型能夠有效的預測阻尼孔性能的退化。

此次研究為草捆成型液壓系統中的兩通插裝閥阻尼孔阻塞故障問題提供了理論依據，對液壓阻尼孔性能退化的預測和評估具有重要參考價值。