閥芯卡滯的研究進展*

羅宇軒,林振浩,母 娟,錢錦遠

(浙江大學 化工機械研究所,浙江 杭州 310027)

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中,閥門廣泛應用于各行各業(yè),其在輸送介質的管路系統(tǒng)中起著調節(jié)介質參數(shù)、控制介質流向、管路開閉等作用[1]。

閥門通常由閥芯、閥體、密封件和緊固件、閥座、閥蓋、驅動機構等部分組成[2]。閥門主要依靠閥芯的旋轉或平移來控制介質的流動方向和流通截面積大小[3]。驅動機構為閥芯在閥體內克服摩擦力和流體作用力進行位移提供推力。

當閥芯受到的阻力過大時,閥門的啟閉反應時間增加,閥芯運動不平順,甚至導致閥芯無法移動,閥門失去動作能力,該現(xiàn)象被稱為閥芯的卡滯現(xiàn)象。

以液壓滑閥為例的閥芯卡滯示意圖如圖1所示[4]。

圖1 以液壓滑閥為例的閥芯卡滯原理示意圖

閥芯卡滯現(xiàn)象往往發(fā)生在實際工程的應用過程中,且在閥門動作若干次后才會被發(fā)現(xiàn),不易被提前察覺,因此其危險性高[5]。

如今,隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,各領域所用閥門復雜程度不斷增加,甚至出現(xiàn)了多個不同閥門組成的閥組,所以閥芯發(fā)生卡滯現(xiàn)象的概率也有所增加。例如,在液壓裝置中,由液壓控制閥卡滯所引起的故障占推土機液壓系統(tǒng)總故障的22%左右[6]。在超低溫液氫液氧火箭發(fā)動機中,閥門卡滯是發(fā)動機的一種常見故障,占國內液體火箭發(fā)動機事故的10%以上[7]。

近年來,國內外由于閥芯卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)的事故或工程問題實例,如表1所示。

表1 由于閥芯卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)的事故或工程問題實例

大量事故經驗表明:閥門一旦出現(xiàn)卡滯,可能會導致生產中斷甚至發(fā)生嚴重事故,造成經濟損失和人員傷亡。閥芯卡滯已經是閥門行業(yè)一個不可忽視的問題,因此,對此進行系統(tǒng)性研究也必不可少。

1 閥芯卡滯產生機理

應用于不同場合的閥門,其結構特征和工作環(huán)境有很大區(qū)別,因此,閥芯卡滯問題產生的機理也不盡相同。引起閥芯卡滯現(xiàn)象的原因有很多,目前許多學者從不同角度對閥芯卡滯進行了分類總結[15],但尚無普遍認同的分類方法。

筆者將閥門發(fā)生閥芯卡滯現(xiàn)象的原因總結為以下幾類:(1)加工精度或裝配誤差等引起的機械原因;(2)流體對閥芯作用的不平衡液力,或過高液力引起的液力原因;(3)高壓工況流體黏性發(fā)熱引起的熱力原因;(4)顆粒滯留在閥門配合間隙引起的污染原因。

閥芯卡滯問題往往由多個不同因素共同作用產生,且各因素之間會相互影響。例如,閥芯裝配誤差導致閥芯傾斜,流體對閥芯作用不平衡力引起卡滯現(xiàn)象;閥芯表面均壓槽加工誤差引起閥芯受不平衡液力作用,且均壓槽形狀、深度對閥芯溫度分布和固體顆粒在間隙內的運動均有一定影響[16]。

1.1 機械原因

閥芯出現(xiàn)卡滯的機械原因是指由閥門裝配或加工誤差,以及閥芯表面損傷等機械結構引起的卡滯。常見的原因可總結為3種,即裝配問題、設計問題和加工問題。

閥門裝配存在較大誤差可能導致閥芯和閥體中心線未重合、閥芯傾斜、卡滯力增大等問題。張文斌等人[17]分析了船舶閘閥配合尺寸、配合面加工情況等與測繪圖紙尺寸的誤差,發(fā)現(xiàn)閥芯實際關閉力與閘閥大活塞面積有關。

劉國文等人[18]應用縫隙流動原理,得到了2D電液比例換向閥卡滯力與閥芯偏心量之間的關系,如圖2所示[18]。

圖2 比例換向閥閥芯卡滯力與閥芯偏心量、高低壓孔半夾角的關系

閥門設計問題主要是指閥芯-閥體配合間隙設計值過小。閥門泄漏和閥芯卡滯往往是相互對立的,若閥芯-閥體配合間隙設計過大,則會導致其泄漏量增大;若配合間隙設計過小,則會增大閥芯卡滯問題出現(xiàn)的概率。

張軍等人[19]發(fā)現(xiàn)伺服閥閥芯-閥套配合間隙僅有數(shù)微米,一旦閥芯受到不平衡力作用,就極易出現(xiàn)閥芯卡滯問題;并且當閥芯傾斜程度過大時,閥芯與斯特封密封結構的接觸也會造成閥芯卡滯。

閥門加工質量和誤差造成閥芯傾斜、倒錐、順錐或表面粗糙度過高,可能引起閥芯卡滯。

何磊等人[20]研究發(fā)現(xiàn),由于針閥噴嘴內粗糙度和硬度未達到設計要求,也會導致閥芯卡滯;閥芯表面在加工或使用過程中受損,閥芯表面存在毛刺、凸起,同樣會引起閥芯卡滯。姜燕等人[21]研究發(fā)現(xiàn),液壓閥閥芯卡滯現(xiàn)象由閥門組件局部凸起及殘留毛刺、零件形狀誤差不合格、零件清洗不徹底等原因造成,且不合理的配合尺寸,也會使得閥芯卡滯力過大,而導致閥芯卡滯。

閥芯表面粗糙度是閥芯加工質量的一種體現(xiàn)形式,粗糙度的大小對流體在間隙中的流動有重要影響,粗糙度未達到要求,則很容易導致閥芯和閥套之間產生較大的卡滯力。

一些學者就材料表面粗糙度對流體的影響進行了研究。KANDLIKAR S G等人[22]觀察了閥孔和閥芯配合副表面,結果發(fā)現(xiàn),材料表面相對粗糙度大小對流體在間隙中的微流動有重要影響。QU W L等人[23]對51 μm～169 μm的梯形截面硅片微流道中流體的流動進行了實驗研究,結果表明,流體流動阻力與微流道的粗糙程度關系很大;并提出了符合實驗結果的粗糙度黏性模型。

綜上可知,國內外研究者對機械原因導致的閥芯卡滯研究深度較淺且數(shù)量少。大多數(shù)研究停留在裝配問題或加工問題本身,針對這些問題的建議較少。

并且只有少數(shù)研究者結合了微觀和宏觀現(xiàn)象研究探討了配合間隙、材料表面粗糙度、閥門結構參數(shù)等對卡滯的作用機理。

1.2 液力原因

閥芯出現(xiàn)卡滯的液力原因可總結為兩類:(1)閥內介質作用力使閥芯端面產生不平衡徑向力矩,導致閥芯偏心,增大閥芯運動阻力;(2)閥內介質或外部流體直接作用阻礙閥芯運動,或導致閥體、閥芯形變量過大。

閥門內部流道作為一種非對稱且會變化的復雜流道,極易引起流體的復雜高強度湍流,形成不均衡的湍流強度分布,使得閥芯端面受不平衡力矩作用,從而在運動時,因卡滯力過大導致閥芯卡滯現(xiàn)象。

不平衡力產生的原因有:流體不均勻流動[24]、閥芯均壓槽結構不對稱[25]、具有錐度的閥芯相對閥體偏向等。

浙江大學特種控制閥研究團隊[26]比較了不同進口流道彎曲半徑、流道管徑、閥芯高度下,閥門工質的流動情況和閥芯受到的不平衡力矩大小變化規(guī)律,并分析探究了各結構參數(shù)對不平衡力矩的作用機制。陸倩倩等人[27]研究了閥芯所受徑向力與閥口開度、入口流量等參數(shù)的關系,采用伯努利效應原理,針對入口中心截面處閥芯周向及軸向,建立了其分段壓力分布方程。

高壓工況下,介質本身對閥芯的作用力會影響閥芯開閉過程受到的阻力,工作在高壓條件下的閥門甚至會因外壓作用,導致閥體、閥芯變形。因此,流體直接作用也是導致閥芯出現(xiàn)卡滯的一類原因。

LIU Y S等人[28]針對應用于深海機械臂的電液伺服閥(EHSV)開閉時間顯著增大的現(xiàn)象,對該閥門的閥芯閥體形變情況進行了分析,發(fā)現(xiàn)由于深海高壓環(huán)境的影響,閥芯和閥體變形,其配合間隙減小導致了閥芯卡滯,且隨著海水深度增加,閥門啟閉時間明顯增加。BEUNE A等人[29]對高壓安全閥的開啟特性進行了流-固耦合分析,提出閥門開啟所需壓力與流體的流動方向有關,開啟閥口需要迅速增大壓力來克服卡滯力。MASSIMO B等人[30]對各種組合閥口的流量、壓力和軸向力進行了分析研究,得到了不同形狀和數(shù)量節(jié)流槽的流體流動情況,對改善閥芯卡滯問題有指導意義。SHI J Y等人[31]研究了液壓組合閥出口處和入口處流體對閥芯的穩(wěn)態(tài)液力隨閥門開度的變化趨勢,由于出口處流體對閥芯的液力大于入口處的液力,閥門開啟動作將會受阻。

EHSV閥套在不同海水深度的形變情況如圖3所示[28]。

圖3 EHSV閥套網格結構示意圖及其在不同海水深度下形變情況

綜上所述,閥芯受到的液體作用力對閥芯卡滯的影響機理較為復雜,主要可分為不平衡液力使閥芯偏心和高壓流體直接阻礙閥芯運動,或外部高壓環(huán)境導致閥門形變。而導致不平衡液力產生的因素有流道的非對稱結構、閥芯加工或裝配存在初始偏心值等,所以液力作用與閥芯卡滯的機械原因、熱力原因相互影響。

但目前對于不平衡液力的產生機制研究未成體系,很少有研究綜合考慮了液力原因和其他因素對閥芯卡滯的影響。

1.3 熱力原因

閥芯出現(xiàn)卡滯的熱力原因是指介質流經閥口發(fā)生黏性溫升,閥芯與閥孔吸收介質熱量產生不同程度熱膨脹,導致配合間隙減小,增大了閥芯受到的摩擦力。對于介質流速較高、黏性較高的閥門,熱力原因是閥芯卡滯問題的一個不可忽略的方面,流體黏性溫升導致的閥芯卡滯問題也是目前的研究熱點。

熱力原因導致的閥芯卡滯問題主要取決于閥芯與閥體受熱膨脹的程度,而流體的流動速度、環(huán)境溫度和閥芯、閥體之間的溫度差是決定熱形變的主要影響因素。

DENG J等人[32]分析了滑閥槽口周圍因高黏度液壓油高速流動引起的升溫現(xiàn)象及其溫度分布。楊旭博[33]分析了不同工況下,液壓U形槽滑閥閥芯的壓力云圖、溫度云圖、應變場分布云圖等,分析結果表明,熱載荷對滑閥閥芯形變的影響遠遠大于應力對閥芯形變的影響。賈濤等人[34]模擬了電液伺服閥滑閥熱形變情況與環(huán)境溫度之間的關系,以及閥芯-閥套的配合間隙隨溫度的變化關系。JI H等人[35]研究了液壓滑閥的熱特性,結果表明,當閥芯和閥體有溫度差,且膨脹程度不同時,會引起閥芯卡滯現(xiàn)象的產生。CHEN X等人[36]研究發(fā)現(xiàn),當液壓閥內油液的溫度每升高10 ℃時,其內部相應的密封件及密封結構的壽命都會減少一半。

可見介質溫度不僅會影響閥門形變導致閥芯卡滯,還會對閥門的密封結構產生影響,從而導致外部顆粒進入閥體，加劇卡滯現(xiàn)象。

此外,部分學者還就閥門材料和介質類型對閥芯熱形變和卡滯產生影響的問題進行了研究。YAN J J等人[37]建立了液壓滑閥的黏性溫升模型,綜合考慮閥門固體和內部流體的材料特性,總結出了閥門材料對閥芯黏性溫升和熱形變的影響規(guī)律。

目前,針對流體黏性溫升導致的閥芯卡滯,許多國內外學者已經展開了調查和研究,對于流體流速、閥芯閥體溫度差對熱形變的作用機制進行了較為全面的探究和總結。但仍然存在一些問題:

(1)介質的黏度、閥芯閥體材料的類型對熱形變的影響研究較少;(2)介質溫度與閥門泄漏密切相關,目前將卡滯和閥門泄漏關聯(lián)在一起的研究較少;(3)閥門的結構設計對流體的流速和溫度分布有一定影響,目前除了在閥芯增加節(jié)流槽外,其他針對黏性溫升的閥門結構優(yōu)化設計較少。

1.4 污染原因

閥芯出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象的污染原因主要是,由于外部污染物或閥體自身腐蝕的磨損產物滯留在閥體-閥芯配合間隙中,導致閥芯所受阻力增大。

據統(tǒng)計,高新武器裝備液壓系統(tǒng)的故障70%是由于液壓系統(tǒng)污染引起的,其中,固體顆粒污染物引起的液壓系統(tǒng)故障占總污染故障的60%～70%[38]。因此,污染顆粒在閥門配合間隙中的運動方式和滯留情況是目前的研究重點。

薛殿倫等人[39]對先導電磁閥進行了理論分析,計算了流體控制單元的切應力、顆粒所受額外的重力和浮力,并提出了流速穩(wěn)定顆粒的運動方程,分析可知,顆粒直徑越大,閥芯所受的摩擦力越大。崔騰霞[15]利用移動網格的動態(tài)拉格朗日-歐拉方法,計算了固體顆粒在配合間隙中的運動過程,分析得出了均壓槽各個參數(shù)和顆粒大小、形狀、數(shù)量對固體顆粒在間隙中流體內運動方式的影響,以及對閥芯卡滯現(xiàn)象的作用機制。冀宏等人[40]對滑閥配合間隙流場-方形固體顆粒進行了耦合建模,對單個方向固體顆粒在滑閥配合間隙中的運動過程進行了直接流-固耦合計算。TERRELL E J等人[41]提出了一種預測材料磨損顆粒運動學軌跡模型,并將計算預測結果與其他研究者進行的實驗數(shù)據進行了比較,驗證了預測模型的正確性。RAJAT M等人[42]提出了一種浸沒邊界法,用以研究敏感顆粒在間隙內的流動情況,解決了浸沒固體邊界的流動問題。范帥等人[43]采用NAS計數(shù)法,得到了某受污染液壓油樣本中各尺寸大小顆粒的數(shù)量分布,其中,尺寸5 μm～15 μm的固體顆粒占總數(shù)的97.3%。

方形顆粒集合中心的速度變化曲線及顆粒幾何中心的軌跡,如圖4所示[40]。

一些學者對因閥門腐蝕顆粒產物導致的閥芯卡滯進行了研究。陳洪[14]研究發(fā)現(xiàn)地鐵廢棄循環(huán)系統(tǒng)(EGR)閥門閥體內積碳嚴重,閥芯發(fā)生卡滯現(xiàn)象幾率較高,適當升高了EGR廢棄冷卻器的冷卻溫度后,EGR管路內壁腐蝕產物減少,解決了EGR閥卡滯故障。YIN Y B等人[44]建立了一個預測液壓滑閥金屬材料磨損率和磨損輪廓演變的數(shù)值模型,并采用基于渦流相互作用的隨機離散模型,對固體顆粒污染物的軌跡進行了計算,然后根據顆粒碰撞特性預測了沖蝕率,并通過時間離散和空間離散方法獲得了閥芯的磨損輪廓。

目前,該方面的相關研究較少,且大部分研究僅停留在積碳導致卡滯本身,沒有深入分析閥門材料腐蝕與閥芯卡滯之間的作用機理。

總體而言,針對顆粒污染對閥芯卡滯影響的相關研究已成體系,且對顆粒在閥體內的流動軌跡、旋轉狀態(tài)以及顆粒流動實驗均有研究,還有不少研究者對工程應用中的閥芯卡滯實例進行了研究分析。

但尚有一些問題亟待解決:(1)測量儀器精度還不夠高,無法研究高精度顆粒運動;(2)缺乏顆粒污染的可視化實驗研究裝置,無法直接觀測顆粒對閥芯運動的影響;(3)目前的研究主要集中于顆粒在閥芯、閥體間隙內的流動方面,未來的研究可以著重探討對顆粒進入閥芯間隙的預防工作。

2 閥芯卡滯問題研究方法

對于同一個研究對象和問題,采用不同的研究方法,其研究過程往往區(qū)別很大,研究結果的精準度和適用范圍也不盡相同。

閥芯卡滯問題常用的研究方法主要有實驗方法、理論模型分析、數(shù)值模擬計算等。

為了研究的正確性和合理性,相關研究者往往會采用兩種甚至多種組合研究方法。

2.1 閥芯卡滯理論模型分析

建立理論模型是分析研究物理量與其他參數(shù)之間關系的重要手段[45-48]。針對閥芯卡滯問題,閥芯卡滯力的數(shù)學模型、污染顆粒的運動模型以及配合間隙的幾何模型是其研究的熱點。

閥芯卡滯力或徑向壓力主要與閥孔閥桿錐度、閥芯-閥體配合間隙、閥孔直徑等參數(shù)有關。原佳陽等人[49]建立了RDDPV非線性數(shù)學模型,總結了切向摩擦力公式,并得出結論,即減小閥芯的偏心距可以在一定程度上解決閥芯卡滯問題。許靜等人[50]建立了氣動調節(jié)閥閥套的摩擦力計算模型,分析了閥套上相貫孔對摩擦力的影響。陸倩倩等人[51]建立了沉割槽處閥芯臺肩上壓力分布的數(shù)學模型,分析了沉割槽尺寸及流量對閥芯徑向壓力分布的影響。

對于污染卡滯,顆粒在配合間隙內的運動模型能夠表示顆粒在閥體內的運動情況,DOMAGALA M等人[52]建立了不同材料顆粒在液壓滑閥內的碰撞角度和速度模型,用于預測顆粒在閥體內的運動情況。配合間隙的幾何模型以及閥門工作原理的數(shù)學模型有助于分析閥芯卡滯產生機理。蔣國進等人[53]采用Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)對閥芯微觀表面輪廓進行了表征,通過結構函數(shù)與尺度之間的冪律關系,說明了液壓閥微觀表面具有分形特征;并建立了配合間隙的幾何模型。褚淵博等人[54]建立了偏導射流式壓力閥工作原理的數(shù)學模型,以及閥芯污染卡滯的摩擦力模型。

綜上所述,使用理論模型來描述閥芯卡滯力、壓力與閥門結構參數(shù)或工況之間的關系,只適合于結構較簡單的閥門。對于復雜情況的閥芯卡滯問題,建立理論模型時往往需要進行大量假設與簡化,并使用經驗公式,所以理論模型的適用條件范圍可能較窄,且只能對問題進行定性分析。

目前,相關的研究主要集中于建立閥芯卡滯力、摩擦力的理論模型,對閥芯所受不平衡力矩、熱形變的理論模型研究較少。

2.2 閥芯卡滯實驗測量方法

實驗方法是指通過測試調查工程現(xiàn)場實際出現(xiàn)的閥芯卡滯現(xiàn)象,或在實驗室設計搭建實驗設備,以此來分析調查閥芯卡滯問題,為理論模型或數(shù)值模擬計算結果提供數(shù)據支撐,并驗證閥門結構改進對改善閥芯卡滯現(xiàn)象的有效性。對閥芯卡滯問題的實驗研究,其核心是通過實驗儀器測量閥芯受到的卡滯力或者溫度分布、形變分布等。

無論是閥芯傾斜、閥芯熱形變還是顆粒滯留在配合間隙中,在這些情況中,導致閥芯卡滯最直接的原因都是閥芯所受卡滯力過大。所以,閥芯受到的卡滯力大小是閥芯是否卡滯的最直接判別指標,是閥芯卡滯實驗研究中的首要關注參數(shù)。

徐瑞等人[55]搭建了滑閥卡滯力沿程測量試驗臺,采用張力傳感器和負壓傳感器,測量了不同直徑顆粒進入配合間隙時閥芯受到的卡滯力。閥芯卡滯也能夠通過閥芯受到的壓力來體現(xiàn)。陸亮等人[56]搭建了壓力伺服閥靜態(tài)特性測試實驗臺,使用固態(tài)壓阻式壓力傳感器測量閥芯啟閉時受到的壓力大小,得到了壓力-電流曲線。

由熱力原因導致的閥芯卡滯、閥芯和閥體的溫度分布以及熱形變情況,也是重要的實驗數(shù)據。CHEN Q P等人[57]使用熱電偶導線采集閥芯表面溫度,使用熱成像儀采集閥體表面溫度,使用高精度數(shù)顯千分尺測量閥芯和閥體發(fā)生熱形變后的直徑,得到了閥門的溫度分布和熱形變情況,由此得出結論,即閥芯卡滯與閥芯、閥體之間的溫度差有關。

閥體的溫度分布情況如圖5所示[57]。

圖5 閥體的溫度分布情況

實驗方法也是復現(xiàn)閥門卡滯現(xiàn)象、驗證改進措施有效性的重要手段。張文斌等人[17]搭建了閘閥卡滯試驗臺架,模擬閘閥實際應用于船舶系統(tǒng)中的工作狀態(tài),成功復現(xiàn)了閘閥理論啟閉特性曲線,并驗證了改進措施對改善卡滯問題的有效性。薛紅軍等人[58]設計了一種測試大通徑滑閥閥芯卡滯及泄漏的實驗裝置,驗證了具有改進均壓槽結構的閥芯的開閉動作靈敏度。

總體來說,通過正確實驗測量方法得到的閥芯卡滯數(shù)據結果最為直觀和可靠。然而,實驗研究成本高,且對實驗設備的精確性、安全性及可靠性要求很高,所以大規(guī)模實驗研究通常較難展開。

除此之外,通過實驗測量獲取閥體內介質的流動情況較為困難,故目前針對液力原因導致閥芯卡滯的實驗研究較為缺乏。

2.3 閥芯卡滯多場耦合分析

目前,閥芯卡滯問題的主流研究方法是以三維建模軟件、有限元分析軟件和計算流體力學(CFD)為基礎[59],對卡滯閥門進行單一流場、熱-固耦合[60,61]或流-固耦合[62,63]分析,得到閥門壓力分布、溫度分布、形變分布以及流速分布等情況[64,65]。不同數(shù)值模擬分析方法的區(qū)別在于是否將流體與溫度場、固體結構等統(tǒng)合在一起,且各分析方法的計算難度以及計算精準度都有差異。因此,對于不同的閥芯卡滯情況,應綜合考慮計算難度和精準度,以選取數(shù)值模擬分析方法。

對于液力卡滯,研究者往往使用單一流場或流-固耦合分析方法。與單一流場分析相比,流-固耦合分析同時考慮閥體內部流場與閥門固體結構之間的相互作用,最貼近閥芯卡滯問題實際情況,但其計算難度高。在外界環(huán)境壓力和流體作用下,LIU Y S等人[28]對電液伺服閥進行了單向流-固耦合分析,根據計算結果得到了閥套、閥芯的形變情況。

對于熱力卡滯,在流體、固體相互作用的基礎上還應該考慮介質、閥芯和閥體的溫度分布,所以使用熱-流-固耦合得到的結果準確性較高。袁王博等人[66]針對節(jié)流溫升及進出口壓差導致滑閥閥芯變形引起卡滯的問題,使用Fluent軟件對具有U形節(jié)流槽的滑閥、全周開口滑閥的液-固溫度場和閥芯熱形變進行了數(shù)值計算。CHEN X M等人[67]針對滑閥黏性發(fā)熱導致卡滯故障的問題,利用COMSOL程序中的共軛傳熱模塊和粒子軌跡模塊,建立了熱集成模型,對滑閥的熱特性進行了數(shù)值研究。在特定工況下,ZHAO J H等人[68]針對雙噴嘴擋板伺服閥流量瞬時增大導致溫度升高,進而引起閥套變形閥芯卡滯的現(xiàn)象,對伺服閥熱-流-固耦合進行了數(shù)值模擬,結果表明,伺服閥的零位泄漏基本受油溫和配合間隙變化的影響,且閥芯與閥套的翹曲變形和配合間隙減小是造成卡滯的主要原因。ANGADI X V等人[69]建立了電磁閥電-熱-固耦合有限元模型,預測了電磁閥閥芯的應力、應變和溫度分布。

滑閥簡化2D模型的網格劃分情況及溫度分布如圖6所示[67]。

圖6 滑閥簡化2D模型的網格劃分情況及溫度分布

污染卡滯的研究重點在于污染顆粒在閥芯-閥體配合間隙內的運動方式和滯留情況,對于離散顆粒在流體中的運動研究,需要利用任意歐拉-拉格朗日(ALE)瞬間移動網格法等處理固體顆粒移動的問題。TIC V等人[70]使用ALE方法,研究了液壓油箱中固體顆粒物在瞬態(tài)條件下的運動軌跡,及其沉降現(xiàn)象。陳大為等人[71]采用Euler多相流模型、擴展k-ε湍流模型和SIMPLE算法對滑閥間隙密封內固液兩相顆粒湍流進行了數(shù)值分析,分析了不同直徑和體積濃度的污染顆粒對滑閥閥芯摩擦力的影響。

閥芯卡滯問題分析方法案例及研究結果如表2所示。

表2 閥芯卡滯問題分析方法案例及研究結果

與實驗方法和理論模型方法相比,數(shù)值模擬方法使用更加廣泛。目前,相關學者利用數(shù)值模擬方法,研究了針對卡滯閥門的形變情況、溫度場、顆粒運動情況;同時,熱、流、固等多物理耦合分析方法的應用,也提高了數(shù)值模擬結果的準確度和可靠度。

而在上述相關的研究中,數(shù)值計算結果通常都會有相應的實驗數(shù)據作為支撐。

3 閥芯卡滯預防措施

除對閥芯卡滯現(xiàn)象產生機理的研究外,國內外研究者針對在實際工程應用中遇到的閥芯卡滯問題,使用實驗、數(shù)值模擬等研究方法,提出了閥芯卡滯問題的預測、診斷以及結構改進技術。預測診斷技術通過關注閥門的工作情況,在閥芯發(fā)生卡滯引發(fā)更嚴重后果之前停止閥門工作;結構改進技術通過直接改進閥門結構設計,降低閥芯發(fā)生卡滯的風險。

3.1 閥芯卡滯預測診斷技術

閥芯卡滯問題往往出現(xiàn)在實際工程應用中,且難以預測,一旦發(fā)生卡滯,可能會造成經濟損失甚至人員傷亡。而對相關閥門進行高頻檢查需要耗費大量人力物力,所以對閥芯卡滯的預測、診斷方法的研究十分重要。

韓斐等人[72]提出了一種使用故障模式影響及危害性分析(FMECA),對閥門卡滯問題進行提前診斷的方案。曹連民等人[73]對某立柱液壓系統(tǒng)進行了建模,通過數(shù)值計算得到了立柱故障前后的位移、速度、壓力、流量曲線,通過對比曲線數(shù)據,可以對液壓系統(tǒng)故障進行快速判斷。蔡偉等人[74]提出了一種通過振動探測的方式,探測液壓電磁閥閥芯發(fā)生卡滯的方法,建立了電磁閥瞬態(tài)特性仿真模型,得到了其仿真曲線,分析了預測閥門故障,并通過實驗驗證了其仿真結果。潘震等人[75]利用參數(shù)優(yōu)化和增強多尺度排列的方式,提取出了單向閥的故障特征,并使用VPMCD分類器對閥芯卡滯故障進行了識別。

神經網絡仿真模型診斷方法具有訓練容易、收斂速度快、適合實時處理等優(yōu)點,因此,金江善等人[76]利用該方法,首先得到了閥芯卡滯的仿真數(shù)據,然后以該仿真數(shù)據對閥芯的卡滯問題進行了診斷。QIAN J Y等人[77]設計了一種測量閥芯所受不平衡力矩的實驗裝置,通過直接測量閥芯受到的拉力,以此來提前判斷閥芯改進結構對改善卡滯問題的有效性。

目前,關于閥芯卡滯診斷檢測方面的研究較多,且研究者提出的方法包括FMECA、振動探測、VPMCD分類器、神經網絡仿真模型等,可以做到準確、及時地做到對閥芯卡滯故障進行診斷。

3.2 閥芯卡滯結構改進技術

針對閥芯卡滯現(xiàn)象,國內外一些學者對其閥門結構進行了參數(shù)化改進,或增設特殊結構,以降低閥芯卡滯風險。目前工業(yè)應用對于常規(guī)工況下機械、液力原因等導致的閥芯卡滯問題已有較為成熟的改進技術,如改變閥門零部件的熱處理工藝、連接方式等[78]。但高壓、高溫和惡劣工況條件下的閥芯卡滯還有很多問題亟待解決。

3.2.1 閥芯-閥體配合間隙設計

由于設計功能的需要,閥門配合間隙可能僅有數(shù)微米,一旦閥門加工質量不達標或裝配誤差過大,無疑就會導致閥芯卡滯。

介質和介質中的污染顆粒在閥芯-閥體配合間隙中的流動情況也與液力卡滯、熱力卡滯以及污染卡滯密切相關。除了配合間隙過小會導致閥芯卡滯以外,配合間隙過大也會導致閥門泄漏量增大。因此,確定最佳閥芯-閥體配合間隙是閥門設計的關鍵問題。

張軍等人[19]綜合考慮了數(shù)字伺服閥閥芯端套接觸情況與泄漏量,得到了閥芯配合間隙的合理取值范圍。劉書胤等人[79]研究了大通徑二位四通液動換向滑閥配合間隙隨壓力、溫度及閥體壁厚變化的規(guī)律,并對配合間隙與閥體壁厚進行了優(yōu)化設計,兼顧了閥門泄漏問題和閥芯卡滯問題。XU L P等人[80]建立了多路閥配合間隙的理論模型以及間隙內最小距離的數(shù)學模型,并對其進行了熱-流-固耦合數(shù)值模擬,得到了最大壓力工況下,各種材料閥芯閥體的熱形變與溫度的特征曲線,準確地確定了多路閥的最佳配合間隙。WU S等人[81]針對直動式海水液壓溢流閥在深海環(huán)境下,會因壓力過高而變形,導致阻尼套筒、阻尼桿配合間隙減小,發(fā)生閥芯卡滯的問題,分析了溢流閥在不同海水深度處的啟閉反應時間,優(yōu)化了配合間隙設計值,使得溢流閥在小于4 000 m深度的海水中能夠正常工作。

多路閥配合間隙的理論模型示意圖與不同閥體、閥芯材料的間隙-溫度曲線如圖7所示[80]。

圖7 多路閥配合間隙的理論模型示意圖與不同閥體、閥芯材料的間隙-溫度曲線

目前,針對閥芯-閥體配合間隙的相關研究主要集中于各種閥門最佳設計值的確定,且各研究都考慮到了不同壓力、溫度的工作環(huán)境,以及不同材料閥門的最佳配合間隙,一些研究者還兼顧了閥門泄漏問題。

3.2.2 閥芯均壓槽的結構改進

在實際工程應用中,液壓機構中的滑閥裝置[82,83]出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象的事例較多,滑閥四周均勻加設的均壓槽,可以緩解閥芯卡滯問題[84-86],節(jié)流槽的數(shù)量、深度、形狀等結構特征也會影響閥芯卡滯狀況。

在閥芯開設均壓槽后,由于上下油路被溝通,均壓槽處的壓力差減小到幾乎為零,可以大大減小徑向不平衡力[58]。ZENG Q L等人[25]分析了閥芯上不同類型均壓槽對卡滯力的影響,通過改變均壓槽數(shù)量、形狀、尺寸以及分布方式,以此來影響介質對閥芯的作用力。陳奎生等人[87]研究了矩形均壓槽和三角形均壓槽對閥芯受力的影響,結果表明,開設矩形均壓槽時,閥芯卡滯力增大,但卻有利于閥芯趨于同心。AMIRANTE R等人[88]在比例閥閥芯節(jié)流口處開設了多種不同結構的節(jié)流槽,以此減小油液在閥內流動時所產生的流動力和液壓沖擊,并將數(shù)值仿真計算結果與實驗數(shù)據進行了比較,驗證了比例閥結構改進的有效性。

開設均壓槽對流體的流速也有一定的程度影響,所以利用均壓槽結構降低流體在閥芯節(jié)流處的流速以減輕閥芯形變量,能夠改善閥芯的熱力卡滯問題。

晏靜江等人[89]分析了具有不同開口度、不同深度、不同寬度開口槽的液壓滑閥閥芯溫度分布情況,總結了各結構參數(shù)對閥芯熱形變的影響規(guī)律。CARMODY C J等人[90]使用CFD軟件和固體有限元分析方法,對U型和V型兩種不同結構開口槽的滑閥閥芯變形情況進行了模擬計算,結果表明,開有V型槽的閥芯在工作過程中形變量較小。

在滑閥閥芯上增設均壓槽結構,流體內的固體顆粒污染物會在均壓槽處聚集,即均壓槽可以截留過濾流體中的固體顆粒污染物,有效地減少流體內固體污染物的濃度,有利于改善閥芯卡滯現(xiàn)象。

趙春玲等人[16]分析了固體顆粒在閥芯均壓槽內的堆積情況,研究了U形槽、矩形槽、三角槽、圓角三角槽對顆粒堆積程度的影響,并得出了結論,即將三角槽底部加工成圓角能夠有效地緩解閥芯的卡滯問題。

綜上所述,通過在閥芯上增設均壓槽是目前降低閥芯卡滯風險的一個重要手段,在液壓機械領域更是得到了廣泛應用。改變均壓槽的數(shù)量、分布方式、深度、形狀和寬度,以此來改善閥芯卡滯問題是目前的研究熱點。但均壓槽結構對閥芯所受不平衡液力、熱形變,以及污染顆粒在間隙內的運動均有影響。目前,能綜合考慮均壓槽對上述多個卡滯原因作用機制的研究尚少。

3.2.3 預防閥芯卡滯的特殊結構

除了研究均壓槽結構和閥芯-閥體配合間隙設計值之外,一些研究者還提出了一些能夠預防或改善閥芯卡滯的特殊結構。

陳和平等人[91]設計了一種能夠防止閥芯卡滯的氣閥結構,通過將氣閥定位套設置于密封腔內,避免了閥蓋對閥芯作用力的偏心,降低了氣閥閥芯的卡滯風險。琚永光等人[92]通過在閥芯與閥體之間設置一個閥芯套,增大了閥芯的配合間隙。QIAN J Y等人[93]通過在閥芯底面添加柔性基面的方法,有效地減小了閥芯所受到的不平衡力矩。蔣國進等人[53]通過在閥芯上增加環(huán)形槽,使流體在閥芯出口處的流速減小,從而減少了流體的黏性溫升和閥芯熱形變,大大降低了閥芯卡滯的風險和概率。FAN S等人[94]提出隨著污染顆粒尺寸增大,順錐閥芯的污染卡滯力逐漸增大,而倒錐閥芯的污染卡滯力先增大后減小。因此,根據實際工況中污染顆粒尺寸,選擇不同形狀的閥芯對解決閥芯卡滯問題有一定意義。

上述研究者提出的特殊改進結構是對解決閥芯卡滯問題的重要補充,這些方法適用于解決一些因特殊原因而導致的閥芯卡滯的問題,比如,閥芯均壓槽不適用、閥門配合間隙設計值要求很小、難以調節(jié)配合間隙,等。

4 總結與展望

近年來,有關閥芯卡滯現(xiàn)象的研究取得了顯著進展。從卡滯機理的層面到工程實際應用中的分析與改進,國內外相關研究者已經進行了較為全面、深入的研究:(1)對于卡滯現(xiàn)象的機理,研究主要集中于液體黏性發(fā)熱導致閥體與閥芯變形、流體中顆粒物的運動方式、閥體與閥芯粗糙度對流體微流動的影響等;(2)對于工程實際應用中出現(xiàn)的卡滯現(xiàn)象,研究者綜合運用了實驗、數(shù)學模型分析、數(shù)值模擬計算這3種方法,分析了閥門工作情況、外界環(huán)境、閥門結構等因素對卡滯的影響;部分研究者還對緩解閥芯卡滯問題提出了有益的建議。

但隨著閥門應用領域越來越廣,閥門工作環(huán)境越來越嚴苛,再加上很多行業(yè)對閥門的工作精度要求極高,閥芯卡滯問題漸漸成為設計高性能閥門的一大阻礙。

為滿足各行業(yè)對高性能閥門的需求,筆者認為未來相關研究應聚焦在以下方面:

(1)綜合考慮多種卡滯因素,例如,運用流-固-熱耦合分析的數(shù)值計算方法研究機械原因、液力原因、熱力原因以及顆粒污染同時作用對閥芯卡滯的影響;

(2)因外界壓力的作用,工作在深海、高壓容器、風洞等高壓環(huán)境下的閥門,容易發(fā)生卡滯現(xiàn)象,解決這一問題對許多高精尖應用領域意義重大;

(3)對于污染原因導致的閥芯卡滯,目前的研究主要集中于顆粒在閥芯、閥體間隙內的流動情況,缺少工業(yè)應用中能夠應用的預防手段,未來研究可以著重于顆粒進入閥芯間隙的預防;

(4)比較分析機械、液力、熱力以及顆粒污染等因素對卡滯的影響效果;

(5)促進閥門智能化,實現(xiàn)對閥芯閥體受力、溫度以及介質流速、溫度、顆粒濃度的實時監(jiān)控,完善閥芯卡滯預測診斷技術;

(6)目前的閥芯卡滯結構改進技術針對性較強,未來可以注重研究并提出一些適用性更廣的閥芯卡滯預防方法。