潘廣香，夏 秋，馬齊江

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)綠色環(huán)保、安全高效、節(jié)能減排等生產(chǎn)理念的大力提倡，水液壓技術(shù)已逐步替代傳統(tǒng)的油壓技術(shù)成為液壓傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。由于水介質(zhì)的黏度低，難以形成潤(rùn)滑膜，使摩擦副之間易形成干摩擦，導(dǎo)致水壓元件潤(rùn)滑性能不佳，同時(shí)由于水介質(zhì)抗腐蝕性能差，加劇水壓元件的腐蝕磨損，嚴(yán)重影響使用壽命[2]。

表面微造型是通過(guò)激光微加工技術(shù)在摩擦副表面加工出納米級(jí)微小凹坑，以改善摩擦副表面摩擦磨損狀態(tài)。表面微造型因具有存儲(chǔ)潤(rùn)滑油和微小磨粒，提高油膜厚度和承載能力，降低磨損，提高摩擦副使用壽命等優(yōu)點(diǎn)[3]，目前已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)已在機(jī)械密封、軸承、活塞環(huán)、噪聲抑制等領(lǐng)域取得一定的研究成果[4-6]。但是將表面微造型引入水壓傳動(dòng)領(lǐng)域，研究表面微造型對(duì)水壓閥閥芯潤(rùn)滑性能影響的相關(guān)研究還較少。文章以水壓錐閥為研究對(duì)象，研究加工有表面微造型的水壓錐閥閥腔內(nèi)的潤(rùn)滑狀態(tài)，并重點(diǎn)研究表面微造型的形貌、幾何尺寸及分布密度對(duì)其潤(rùn)滑性能的影響。

1 CFD幾何模型

運(yùn)動(dòng)的錐閥閥芯與靜止的閥套構(gòu)成一對(duì)摩擦副，由于在內(nèi)徑較小的內(nèi)圓柱面上加工表面微造型較為困難，故微造型選擇加工在錐閥閥芯表面上，圖1所示為帶有表面微造型的水壓錐閥模型，開設(shè)的微小凹坑規(guī)律分布在錐閥芯外表面上。

圖1 帶有表面微造型的水壓錐閥閥芯模型

如圖2所示為簡(jiǎn)化后的水壓錐閥二維流場(chǎng)仿真模型。由于表面微造型沿著閥芯呈周期性對(duì)稱分布，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取通過(guò)錐閥軸線和微造型中心對(duì)稱線的一個(gè)流體薄片進(jìn)行流場(chǎng)分析，將較為復(fù)雜的三維流場(chǎng)模型簡(jiǎn)化成二維流場(chǎng)模型。

圖2 水壓錐閥二維流場(chǎng)仿真模型

圖3為常見四種表面微造型的幾何形貌，分別為圓柱形、圓錐形、半球形和圓臺(tái)形。圖中D表示微造型直徑，H表示微造型深度。

圖3 常見微造型幾何形貌

為進(jìn)一步研究表面微造型幾何尺寸對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，忽略閥芯-閥套摩擦副間液膜曲率半徑和其他次要因素的影響，截取a×a圓柱形表面微造型單元為研究對(duì)象[7]，如圖4所示，圖中r為微造型半徑，h為液膜厚度，h0為微造型深度。

圖4 圓柱形微造型單元

2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)所建立的CFD仿真模型做如下假設(shè)：1)閥芯和閥套所構(gòu)成的摩擦副為同軸；

2)不計(jì)體積力的作用；

3)忽略溫度的影響，即水介質(zhì)的黏度和密度不變，且不可壓縮。

建立數(shù)學(xué)模型[8]：

連續(xù)性方程：

學(xué)校在進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)，并沒有根據(jù)校園內(nèi)行車的需要對(duì)道路盡心規(guī)劃，使得道路較窄。比如，多數(shù)校園道路的設(shè)計(jì)局限于疏散人流的單一功能，并且人為地限制了車輛的同行。這使得學(xué)校內(nèi)雖然有大量的道路，但是多為狹窄的銷路，并且拐彎很多，一旦有大量的車輛進(jìn)入校園，就很難有足夠的空間行車，再加上路窄無(wú)法掉頭，因此很容易造成交通擁堵。

動(dòng)量方程：

式中：u、ν、ω——沿x、y、z方向的速度；p——液膜壓力；ρ——水介質(zhì)密度；μ——水的動(dòng)力黏度。

3 參數(shù)設(shè)定

為避免微凹坑形貌的變化，可通過(guò)改變單元微造型的邊長(zhǎng)a來(lái)改變面積占有率，取微造型半徑r為30μm不變，微造型單元邊長(zhǎng)a分別為170μm、120μm、100μm、85μm、75μm，計(jì)算并取整得面積占有率Sp約為10%、20%、30%、40%、50%。根據(jù)水壓閥配合間隙要求，選取單元微造型液膜厚度h=3.0μm，微造型深度h0分別選取1.8μm、2.4μm、3.0μm、3.6μm、4.2μm，計(jì)算可得高度比δ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。各參數(shù)選取如表1所示。

表1 各參數(shù)取值

4 計(jì)算與分析

根據(jù)簡(jiǎn)化后的二維流場(chǎng)模型，運(yùn)用CAD繪制并導(dǎo)入到GAMBIT前處理器中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，因表面微造型尺寸較小，為提高計(jì)算精度，需對(duì)微小凹坑進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理。將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到FLUENT中，運(yùn)行仿真得到計(jì)算結(jié)果。

4.1 表面微造型形貌對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，選取圖3所示的四種形貌的表面微造型進(jìn)行仿真分析，得到如圖5所示的水壓錐閥閥芯表面靜壓力分布圖。閥芯表面的靜壓力值間接反應(yīng)閥腔內(nèi)的潤(rùn)滑效果，壓力值大說(shuō)明閥芯表面的承載能力大，可有效避免閥芯和閥套的直接接觸，減小摩擦副之間的摩擦磨損。結(jié)果表明，帶有不同形貌微造型的水壓錐閥其表面靜壓力分布狀態(tài)基本相同，但各處?kù)o壓力值大小不同，其中圓臺(tái)形微造型相比于其他三種形貌的微造型可獲得較大的表面靜壓力，說(shuō)明帶有圓臺(tái)形微造型的水壓錐閥閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能較好。

圖5 閥芯表面靜壓力分布圖

4.2 表面微造型幾何尺寸對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

1.面積占有率Sp對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。針對(duì)同一表面微造型幾何尺寸(r=30μm，h=3μm，h0=3μm)，通過(guò)改變單元微造型邊長(zhǎng)得到不同面積占有率Sp，運(yùn)行仿真得到不同Sp下的閥芯表面靜壓力分布圖，如圖5所示。分析可知：閥芯表面靜壓力值隨著面積占有率Sp的增大先增大后減小，當(dāng)面積占有率Sp=40%時(shí)，靜壓力值相對(duì)最大。說(shuō)明表面微造型面積占有率Sp對(duì)閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能有影響，當(dāng)面積占有率Sp取40%左右時(shí)，潤(rùn)滑性能較好。

圖6 不同面積占有率Sp下閥芯表面靜壓力分布圖

2.高度比δ對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。當(dāng)不改變表面微造型的面積占有率Sp(r=30μm，a=85μm，h=3μm)，通過(guò)改變微造型深度得到不同高度比δ，運(yùn)行仿真得到不同δ下的閥芯表面靜壓力分布圖，如圖6所示。由圖可知，隨著表面微造型的高度比δ的增大，閥芯表面靜壓力值呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)高度比δ=1.2時(shí)，靜壓力值相對(duì)最大。由此說(shuō)明，表面微造型的高度比對(duì)閥腔內(nèi)的潤(rùn)滑性能有較大影響，當(dāng)高度比為1.2左右時(shí)，潤(rùn)滑性能較好。

圖7 不同高度比δ下閥芯表面靜壓力分布圖

4.3 表面微造型分布密度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

在不改變單一微造型形貌及幾何尺寸的前提下，選取不同數(shù)量的微造型，研究表面微造型分布密度對(duì)閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能的影響。因閥芯微造型規(guī)律分布，當(dāng)閥芯軸向微造型數(shù)目不變時(shí)，沿閥芯周向微造型的排列數(shù)N越多，即說(shuō)明微造型的分布密度越大。排列數(shù)N分別取11、14、17、21、24、28，仿真分析得到如圖8所示的不同微造型分布密度下的閥芯表面靜壓力分布圖。

由圖可知，隨著表面微造型的分布密度增大，閥芯表面靜壓力值增大，閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能變好。但是表面微造型分布過(guò)密會(huì)增加閥芯的名義膜厚，造成整個(gè)液膜壓力下降，同時(shí)也會(huì)削弱閥芯的承載能力。

圖8 不同分布密度下閥芯表面靜壓力分布圖

5 結(jié)論

1.當(dāng)水壓錐閥閥芯上加工有表面微造型時(shí)，其閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能得到改善，且不同形貌的微造型所產(chǎn)生的潤(rùn)滑效果不同，其中圓臺(tái)形微造型所產(chǎn)生的潤(rùn)滑性能較好。

2.單元微造型的面積占有率Sp和高度比δ對(duì)閥腔內(nèi)容潤(rùn)滑性能影響明顯，當(dāng)Sp選擇在40%左右，δ選擇在1.2左右時(shí)，潤(rùn)滑性能較好。

3.表面微造型分布密度越大，閥腔內(nèi)潤(rùn)滑性能越好，但是過(guò)多的加工微造型會(huì)降低閥芯的承載能力。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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