羅宇軒,林振浩,母 娟,錢(qián)錦遠(yuǎn)

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027)

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)中,閥門(mén)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),其在輸送介質(zhì)的管路系統(tǒng)中起著調(diào)節(jié)介質(zhì)參數(shù)、控制介質(zhì)流向、管路開(kāi)閉等作用[1]。

閥門(mén)通常由閥芯、閥體、密封件和緊固件、閥座、閥蓋、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成[2]。閥門(mén)主要依靠閥芯的旋轉(zhuǎn)或平移來(lái)控制介質(zhì)的流動(dòng)方向和流通截面積大小[3]。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為閥芯在閥體內(nèi)克服摩擦力和流體作用力進(jìn)行位移提供推力。

當(dāng)閥芯受到的阻力過(guò)大時(shí),閥門(mén)的啟閉反應(yīng)時(shí)間增加,閥芯運(yùn)動(dòng)不平順,甚至導(dǎo)致閥芯無(wú)法移動(dòng),閥門(mén)失去動(dòng)作能力,該現(xiàn)象被稱(chēng)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(shí)際工程的應(yīng)用過(guò)程中,且在閥門(mén)動(dòng)作若干次后才會(huì)被發(fā)現(xiàn),不易被提前察覺(jué),因此其危險(xiǎn)性高[5]。

如今,隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展,各領(lǐng)域所用閥門(mén)復(fù)雜程度不斷增加,甚至出現(xiàn)了多個(gè)不同閥門(mén)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(jī)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(dòng)機(jī)中,閥門(mén)卡滯是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種常見(jiàn)故障,占國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)事故的10%以上[7]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外由于閥芯卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)的事故或工程問(wèn)題實(shí)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(wèn)題實(shí)例

大量事故經(jīng)驗(yàn)表明:閥門(mén)一旦出現(xiàn)卡滯,可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷甚至發(fā)生嚴(yán)重事故,造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。閥芯卡滯已經(jīng)是閥門(mén)行業(yè)一個(gè)不可忽視的問(wèn)題,因此,對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)性研究也必不可少。

1 閥芯卡滯產(chǎn)生機(jī)理

應(yīng)用于不同場(chǎng)合的閥門(mén),其結(jié)構(gòu)特征和工作環(huán)境有很大區(qū)別,因此,閥芯卡滯問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)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(xué)者從不同角度對(duì)閥芯卡滯進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)[15],但尚無(wú)普遍認(rèn)同的分類(lèi)方法。

筆者將閥門(mén)發(fā)生閥芯卡滯現(xiàn)象的原因總結(jié)為以下幾類(lèi):(1)加工精度或裝配誤差等引起的機(jī)械原因;(2)流體對(duì)閥芯作用的不平衡液力,或過(guò)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(mén)配合間隙引起的污染原因。

閥芯卡滯問(wèn)題往往由多個(gè)不同因素共同作用產(chǎn)生,且各因素之間會(huì)相互影響。例如,閥芯裝配誤差導(dǎo)致閥芯傾斜,流體對(duì)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(duì)閥芯溫度分布和固體顆粒在間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)均有一定影響[16]。

1.1 機(jī)械原因

閥芯出現(xiàn)卡滯的機(jī)械原因是指由閥門(mén)裝配或加工誤差,以及閥芯表面損傷等機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的卡滯。常見(jiàn)的原因可總結(jié)為3種,即裝配問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題和加工問(wèn)題。

閥門(mén)裝配存在較大誤差可能導(dǎo)致閥芯和閥體中心線未重合、閥芯傾斜、卡滯力增大等問(wèn)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(cè)繪圖紙尺寸的誤差,發(fā)現(xiàn)閥芯實(shí)際關(guān)閉力與閘閥大活塞面積有關(guān)。

劉國(guó)文等人[18]應(yīng)用縫隙流動(dòng)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(guān)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(guān)系

閥門(mén)設(shè)計(jì)問(wèn)題主要是指閥芯-閥體配合間隙設(shè)計(jì)值過(guò)小。閥門(mén)泄漏和閥芯卡滯往往是相互對(duì)立的,若閥芯-閥體配合間隙設(shè)計(jì)過(guò)大,則會(huì)導(dǎo)致其泄漏量增大;若配合間隙設(shè)計(jì)過(guò)小,則會(huì)增大閥芯卡滯問(wèn)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(wèn)題;并且當(dāng)閥芯傾斜程度過(guò)大時(shí),閥芯與斯特封密封結(jié)構(gòu)的接觸也會(huì)造成閥芯卡滯。

閥門(mén)加工質(zhì)量和誤差造成閥芯傾斜、倒錐、順錐或表面粗糙度過(guò)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(nèi)粗糙度和硬度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,也會(huì)導(dǎo)致閥芯卡滯;閥芯表面在加工或使用過(guò)程中受損,閥芯表面存在毛刺、凸起,同樣會(huì)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(mén)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(huì)使得閥芯卡滯力過(guò)大,而導(dǎo)致閥芯卡滯。

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

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

綜上可知,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)機(jī)械原因?qū)е碌拈y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(wèn)題或加工問(wèn)題本身,針對(duì)這些問(wèn)題的建議較少。

并且只有少數(shù)研究者結(jié)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(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)卡滯的作用機(jī)理。

1.2 液力原因

閥芯出現(xiàn)卡滯的液力原因可總結(jié)為兩類(lèi):(1)閥內(nèi)介質(zhì)作用力使閥芯端面產(chǎn)生不平衡徑向力矩,導(dǎo)致閥芯偏心,增大閥芯運(yùn)動(dòng)阻力;(2)閥內(nèi)介質(zhì)或外部流體直接作用阻礙閥芯運(yùn)動(dòng),或?qū)е麻y體、閥芯形變量過(guò)大。

閥門(mén)內(nèi)部流道作為一種非對(duì)稱(chēng)且會(huì)變化的復(fù)雜流道,極易引起流體的復(fù)雜高強(qiáng)度湍流,形成不均衡的湍流強(qiáng)度分布,使得閥芯端面受不平衡力矩作用,從而在運(yùn)動(dòng)時(shí),因卡滯力過(guò)大導(dǎo)致閥芯卡滯現(xiàn)象。

不平衡力產(chǎn)生的原因有:流體不均勻流動(dòng)[24]、閥芯均壓槽結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)[25]、具有錐度的閥芯相對(duì)閥體偏向等。

浙江大學(xué)特種控制閥研究團(tuán)隊(duì)[26]比較了不同進(jìn)口流道彎曲半徑、流道管徑、閥芯高度下,閥門(mén)工質(zhì)的流動(dòng)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不平衡力矩的作用機(jī)制。陸倩倩等人[27]研究了閥芯所受徑向力與閥口開(kāi)度、入口流量等參數(shù)的關(guān)系,采用伯努利效應(yīng)原理,針對(duì)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(zhì)本身對(duì)閥芯的作用力會(huì)影響閥芯開(kāi)閉過(guò)程受到的阻力,工作在高壓條件下的閥門(mén)甚至?xí)蛲鈮鹤饔?導(dǎo)致閥體、閥芯變形。因此,流體直接作用也是導(dǎo)致閥芯出現(xiàn)卡滯的一類(lèi)原因。

LIU Y S等人[28]針對(duì)應(yīng)用于深海機(jī)械臂的電液伺服閥(EHSV)開(kāi)閉時(shí)間顯著增大的現(xiàn)象,對(duì)該閥門(mén)的閥芯閥體形變情況進(jìn)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(dǎo)致了閥芯卡滯,且隨著海水深度增加,閥門(mén)啟閉時(shí)間明顯增加。BEUNE A等人[29]對(duì)高壓安全閥的開(kāi)啟特性進(jìn)行了流-固耦合分析,提出閥門(mén)開(kāi)啟所需壓力與流體的流動(dòng)方向有關(guān),開(kāi)啟閥口需要迅速增大壓力來(lái)克服卡滯力。MASSIMO B等人[30]對(duì)各種組合閥口的流量、壓力和軸向力進(jìn)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(dòng)情況,對(duì)改善閥芯卡滯問(wèn)題有指導(dǎo)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(duì)閥芯的穩(wěn)態(tài)液力隨閥門(mén)開(kāi)度的變化趨勢(shì),由于出口處流體對(duì)閥芯的液力大于入口處的液力,閥門(mén)開(kāi)啟動(dòng)作將會(huì)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(duì)閥芯卡滯的影響機(jī)理較為復(fù)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(yùn)動(dòng),或外部高壓環(huán)境導(dǎo)致閥門(mén)形變。而導(dǎo)致不平衡液力產(chǎn)生的因素有流道的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)、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(jī)械原因、熱力原因相互影響。

但目前對(duì)于不平衡液力的產(chǎn)生機(jī)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(duì)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(zhì)流經(jīng)閥口發(fā)生黏性溫升,閥芯與閥孔吸收介質(zhì)熱量產(chǎn)生不同程度熱膨脹,導(dǎo)致配合間隙減小,增大了閥芯受到的摩擦力。對(duì)于介質(zhì)流速較高、黏性較高的閥門(mén),熱力原因是閥芯卡滯問(wèn)題的一個(gè)不可忽略的方面,流體黏性溫升導(dǎo)致的閥芯卡滯問(wèn)題也是目前的研究熱點(diǎn)。

熱力原因?qū)е碌拈y芯卡滯問(wèn)題主要取決于閥芯與閥體受熱膨脹的程度,而流體的流動(dòng)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?chē)蚋唣ざ纫簤河透咚倭鲃?dòng)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(yīng)變場(chǎng)分布云圖等,分析結(jié)果表明,熱載荷對(duì)滑閥閥芯形變的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)力對(duì)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(guān)系,以及閥芯-閥套的配合間隙隨溫度的變化關(guān)系。JI H等人[35]研究了液壓滑閥的熱特性,結(jié)果表明,當(dāng)閥芯和閥體有溫度差,且膨脹程度不同時(shí),會(huì)引起閥芯卡滯現(xiàn)象的產(chǎn)生。CHEN X等人[36]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)液壓閥內(nèi)油液的溫度每升高10 ℃時(shí),其內(nèi)部相應(yīng)的密封件及密封結(jié)構(gòu)的壽命都會(huì)減少一半。

可見(jiàn)介質(zhì)溫度不僅會(huì)影響閥門(mén)形變導(dǎo)致閥芯卡滯,還會(huì)對(duì)閥門(mén)的密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致外部顆粒進(jìn)入閥體，加劇卡滯現(xiàn)象。

此外,部分學(xué)者還就閥門(mén)材料和介質(zhì)類(lèi)型對(duì)閥芯熱形變和卡滯產(chǎn)生影響的問(wèn)題進(jìn)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(mén)固體和內(nèi)部流體的材料特性,總結(jié)出了閥門(mén)材料對(duì)閥芯黏性溫升和熱形變的影響規(guī)律。

目前,針對(duì)流體黏性溫升導(dǎo)致的閥芯卡滯,許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了調(diào)查和研究,對(duì)于流體流速、閥芯閥體溫度差對(duì)熱形變的作用機(jī)制進(jìn)行了較為全面的探究和總結(jié)。但仍然存在一些問(wèn)題:

(1)介質(zhì)的黏度、閥芯閥體材料的類(lèi)型對(duì)熱形變的影響研究較少;(2)介質(zhì)溫度與閥門(mén)泄漏密切相關(guān),目前將卡滯和閥門(mén)泄漏關(guān)聯(lián)在一起的研究較少;(3)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)黏性溫升的閥門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎn)物滯留在閥體-閥芯配合間隙中,導(dǎo)致閥芯所受阻力增大。

據(jù)統(tǒng)計(jì),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(mén)配合間隙中的運(yùn)動(dòng)方式和滯留情況是目前的研究重點(diǎn)。

薛殿倫等人[39]對(duì)先導(dǎo)電磁閥進(jìn)行了理論分析,計(jì)算了流體控制單元的切應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)拉格朗日-歐拉方法,計(jì)算了固體顆粒在配合間隙中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,分析得出了均壓槽各個(gè)參數(shù)和顆粒大小、形狀、數(shù)量對(duì)固體顆粒在間隙中流體內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的影響,以及對(duì)閥芯卡滯現(xiàn)象的作用機(jī)制。冀宏等人[40]對(duì)滑閥配合間隙流場(chǎng)-方形固體顆粒進(jìn)行了耦合建模,對(duì)單個(gè)方向固體顆粒在滑閥配合間隙中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了直接流-固耦合計(jì)算。TERRELL E J等人[41]提出了一種預(yù)測(cè)材料磨損顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡模型,并將計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與其他研究者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的正確性。RAJAT M等人[42]提出了一種浸沒(méi)邊界法,用以研究敏感顆粒在間隙內(nèi)的流動(dòng)情況,解決了浸沒(méi)固體邊界的流動(dòng)問(wèn)題。范帥等人[43]采用NAS計(jì)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(xué)者對(duì)因閥門(mén)腐蝕顆粒產(chǎn)物導(dǎo)致的閥芯卡滯進(jìn)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(mén)閥體內(nèi)積碳嚴(yán)重,閥芯發(fā)生卡滯現(xiàn)象幾率較高,適當(dāng)升高了EGR廢棄冷卻器的冷卻溫度后,EGR管路內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物減少,解決了EGR閥卡滯故障。YIN Y B等人[44]建立了一個(gè)預(yù)測(cè)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(jī)離散模型,對(duì)固體顆粒污染物的軌跡進(jìn)行了計(jì)算,然后根據(jù)顆粒碰撞特性預(yù)測(cè)了沖蝕率,并通過(guò)時(shí)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(guān)研究較少,且大部分研究?jī)H停留在積碳導(dǎo)致卡滯本身,沒(méi)有深入分析閥門(mén)材料腐蝕與閥芯卡滯之間的作用機(jī)理。

總體而言,針對(duì)顆粒污染對(duì)閥芯卡滯影響的相關(guān)研究已成體系,且對(duì)顆粒在閥體內(nèi)的流動(dòng)軌跡、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)以及顆粒流動(dòng)實(shí)驗(yàn)均有研究,還有不少研究者對(duì)工程應(yīng)用中的閥芯卡滯實(shí)例進(jìn)行了研究分析。

但尚有一些問(wèn)題亟待解決:(1)測(cè)量?jī)x器精度還不夠高,無(wú)法研究高精度顆粒運(yùn)動(dòng);(2)缺乏顆粒污染的可視化實(shí)驗(yàn)研究裝置,無(wú)法直接觀測(cè)顆粒對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)的影響;(3)目前的研究主要集中于顆粒在閥芯、閥體間隙內(nèi)的流動(dòng)方面,未來(lái)的研究可以著重探討對(duì)顆粒進(jìn)入閥芯間隙的預(yù)防工作。

2 閥芯卡滯問(wèn)題研究方法

對(duì)于同一個(gè)研究對(duì)象和問(wèn)題,采用不同的研究方法,其研究過(guò)程往往區(qū)別很大,研究結(jié)果的精準(zhǔn)度和適用范圍也不盡相同。

閥芯卡滯問(wèn)題常用的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)方法、理論模型分析、數(shù)值模擬計(jì)算等。

為了研究的正確性和合理性,相關(guān)研究者往往會(huì)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(guān)系的重要手段[45-48]。針對(duì)閥芯卡滯問(wèn)題,閥芯卡滯力的數(shù)學(xué)模型、污染顆粒的運(yùn)動(dòng)模型以及配合間隙的幾何模型是其研究的熱點(diǎn)。

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(guān)。原佳陽(yáng)等人[49]建立了RDDPV非線性數(shù)學(xué)模型,總結(jié)了切向摩擦力公式,并得出結(jié)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(wèn)題。許靜等人[50]建立了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥套的摩擦力計(jì)算模型,分析了閥套上相貫孔對(duì)摩擦力的影響。陸倩倩等人[51]建立了沉割槽處閥芯臺(tái)肩上壓力分布的數(shù)學(xué)模型,分析了沉割槽尺寸及流量對(duì)閥芯徑向壓力分布的影響。

對(duì)于污染卡滯,顆粒在配合間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型能夠表示顆粒在閥體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況,DOMAGALA M等人[52]建立了不同材料顆粒在液壓滑閥內(nèi)的碰撞角度和速度模型,用于預(yù)測(cè)顆粒在閥體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。配合間隙的幾何模型以及閥門(mén)工作原理的數(shù)學(xué)模型有助于分析閥芯卡滯產(chǎn)生機(jī)理。蔣國(guó)進(jìn)等人[53]采用Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)對(duì)閥芯微觀表面輪廓進(jìn)行了表征,通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)與尺度之間的冪律關(guān)系,說(shuō)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(dǎo)射流式壓力閥工作原理的數(shù)學(xué)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(lái)描述閥芯卡滯力、壓力與閥門(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)或工況之間的關(guān)系,只適合于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的閥門(mén)。對(duì)于復(fù)雜情況的閥芯卡滯問(wèn)題,建立理論模型時(shí)往往需要進(jìn)行大量假設(shè)與簡(jiǎn)化,并使用經(jīng)驗(yàn)公式,所以理論模型的適用條件范圍可能較窄,且只能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定性分析。

目前,相關(guān)的研究主要集中于建立閥芯卡滯力、摩擦力的理論模型,對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)方法是指通過(guò)測(cè)試調(diào)查工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出現(xiàn)的閥芯卡滯現(xiàn)象,或在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備,以此來(lái)分析調(diào)查閥芯卡滯問(wèn)題,為理論模型或數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提供數(shù)據(jù)支撐,并驗(yàn)證閥門(mén)結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)改善閥芯卡滯現(xiàn)象的有效性。對(duì)閥芯卡滯問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究,其核心是通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量閥芯受到的卡滯力或者溫度分布、形變分布等。

無(wú)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(dǎo)致閥芯卡滯最直接的原因都是閥芯所受卡滯力過(guò)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(biāo),是閥芯卡滯實(shí)驗(yàn)研究中的首要關(guān)注參數(shù)。

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

由熱力原因?qū)е碌拈y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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CHEN Q P等人[57]使用熱電偶導(dǎo)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(cè)量閥芯和閥體發(fā)生熱形變后的直徑,得到了閥門(mén)的溫度分布和熱形變情況,由此得出結(jié)論,即閥芯卡滯與閥芯、閥體之間的溫度差有關(guān)。

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(shí)驗(yàn)方法也是復(fù)現(xiàn)閥門(mén)卡滯現(xiàn)象、驗(yàn)證改進(jìn)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(yàn)臺(tái)架,模擬閘閥實(shí)際應(yīng)用于船舶系統(tǒng)中的工作狀態(tài),成功復(fù)現(xiàn)了閘閥理論啟閉特性曲線,并驗(yàn)證了改進(jìn)措施對(duì)改善卡滯問(wèn)題的有效性。薛紅軍等人[58]設(shè)計(jì)了一種測(cè)試大通徑滑閥閥芯卡滯及泄漏的實(shí)驗(yàn)裝置,驗(yàn)證了具有改進(jìn)均壓槽結(jié)構(gòu)的閥芯的開(kāi)閉動(dòng)作靈敏度。

總體來(lái)說(shuō),通過(guò)正確實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法得到的閥芯卡滯數(shù)據(jù)結(jié)果最為直觀和可靠。然而,實(shí)驗(yàn)研究成本高,且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精確性、安全性及可靠性要求很高,所以大規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究通常較難展開(kāi)。

除此之外,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取閥體內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)情況較為困難,故目前針對(duì)液力原因?qū)е麻y芯卡滯的實(shí)驗(yàn)研究較為缺乏。

2.3 閥芯卡滯多場(chǎng)耦合分析

目前,閥芯卡滯問(wèn)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(jì)算流體力學(xué)(CFD)為基礎(chǔ)[59],對(duì)卡滯閥門(mén)進(jìn)行單一流場(chǎng)、熱-固耦合[60,61]或流-固耦合[62,63]分析,得到閥門(mén)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(chǎng)、固體結(jié)構(gòu)等統(tǒng)合在一起,且各分析方法的計(jì)算難度以及計(jì)算精準(zhǔn)度都有差異。因此,對(duì)于不同的閥芯卡滯情況,應(yīng)綜合考慮計(jì)算難度和精準(zhǔn)度,以選取數(shù)值模擬分析方法。

對(duì)于液力卡滯,研究者往往使用單一流場(chǎng)或流-固耦合分析方法。與單一流場(chǎng)分析相比,流-固耦合分析同時(shí)考慮閥體內(nèi)部流場(chǎng)與閥門(mén)固體結(jié)構(gòu)之間的相互作用,最貼近閥芯卡滯問(wèn)題實(shí)際情況,但其計(jì)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(duì)電液伺服閥進(jìn)行了單向流-固耦合分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了閥套、閥芯的形變情況。

對(duì)于熱力卡滯,在流體、固體相互作用的基礎(chǔ)上還應(yīng)該考慮介質(zhì)、閥芯和閥體的溫度分布,所以使用熱-流-固耦合得到的結(jié)果準(zhǔn)確性較高。袁王博等人[66]針對(duì)節(jié)流溫升及進(jìn)出口壓差導(dǎo)致滑閥閥芯變形引起卡滯的問(wèn)題,使用Fluent軟件對(duì)具有U形節(jié)流槽的滑閥、全周開(kāi)口滑閥的液-固溫度場(chǎng)和閥芯熱形變進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。CHEN X M等人[67]針對(duì)滑閥黏性發(fā)熱導(dǎo)致卡滯故障的問(wèn)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(duì)滑閥的熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究。在特定工況下,ZHAO J H等人[68]針對(duì)雙噴嘴擋板伺服閥流量瞬時(shí)增大導(dǎo)致溫度升高,進(jìn)而引起閥套變形閥芯卡滯的現(xiàn)象,對(duì)伺服閥熱-流-固耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)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(yù)測(cè)了電磁閥閥芯的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布。

滑閥簡(jiǎn)化2D模型的網(wǎng)格劃分情況及溫度分布如圖6所示[67]。

圖6 滑閥簡(jiǎn)化2D模型的網(wǎng)格劃分情況及溫度分布

污染卡滯的研究重點(diǎn)在于污染顆粒在閥芯-閥體配合間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式和滯留情況,對(duì)于離散顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)研究,需要利用任意歐拉-拉格朗日(ALE)瞬間移動(dòng)網(wǎng)格法等處理固體顆粒移動(dòng)的問(wèn)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(yùn)動(dòng)軌跡,及其沉降現(xiàn)象。陳大為等人[71]采用Euler多相流模型、擴(kuò)展k-ε湍流模型和SIMPLE算法對(duì)滑閥間隙密封內(nèi)固液兩相顆粒湍流進(jìn)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(duì)滑閥閥芯摩擦力的影響。

閥芯卡滯問(wèn)題分析方法案例及研究結(jié)果如表2所示。

表2 閥芯卡滯問(wèn)題分析方法案例及研究結(jié)果

與實(shí)驗(yàn)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(guān)學(xué)者利用數(shù)值模擬方法,研究了針對(duì)卡滯閥門(mén)的形變情況、溫度場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)情況;同時(shí),熱、流、固等多物理耦合分析方法的應(yīng)用,也提高了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠度。

而在上述相關(guān)的研究中,數(shù)值計(jì)算結(jié)果通常都會(huì)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。

3 閥芯卡滯預(yù)防措施

除對(duì)閥芯卡滯現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的研究外,國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)在實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的閥芯卡滯問(wèn)題,使用實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法,提出了閥芯卡滯問(wèn)題的預(yù)測(cè)、診斷以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)。預(yù)測(cè)診斷技術(shù)通過(guò)關(guān)注閥門(mén)的工作情況,在閥芯發(fā)生卡滯引發(fā)更嚴(yán)重后果之前停止閥門(mén)工作;結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)通過(guò)直接改進(jìn)閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),降低閥芯發(fā)生卡滯的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 閥芯卡滯預(yù)測(cè)診斷技術(shù)

閥芯卡滯問(wèn)題往往出現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中,且難以預(yù)測(cè),一旦發(fā)生卡滯,可能會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。而對(duì)相關(guān)閥門(mén)進(jìn)行高頻檢查需要耗費(fèi)大量人力物力,所以對(duì)閥芯卡滯的預(yù)測(cè)、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(duì)閥門(mén)卡滯問(wèn)題進(jìn)行提前診斷的方案。曹連民等人[73]對(duì)某立柱液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了立柱故障前后的位移、速度、壓力、流量曲線,通過(guò)對(duì)比曲線數(shù)據(jù),可以對(duì)液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行快速判斷。蔡偉等人[74]提出了一種通過(guò)振動(dòng)探測(cè)的方式,探測(cè)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(yù)測(cè)閥門(mén)故障,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真結(jié)果。潘震等人[75]利用參數(shù)優(yōu)化和增強(qiáng)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(lèi)器對(duì)閥芯卡滯故障進(jìn)行了識(shí)別。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型診斷方法具有訓(xùn)練容易、收斂速度快、適合實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn),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(jù),然后以該仿真數(shù)據(jù)對(duì)閥芯的卡滯問(wèn)題進(jìn)行了診斷。QIAN J Y等人[77]設(shè)計(jì)了一種測(cè)量閥芯所受不平衡力矩的實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)直接測(cè)量閥芯受到的拉力,以此來(lái)提前判斷閥芯改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)改善卡滯問(wèn)題的有效性。

目前,關(guān)于閥芯卡滯診斷檢測(cè)方面的研究較多,且研究者提出的方法包括FMECA、振動(dòng)探測(cè)、VPMCD分類(lèi)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型等,可以做到準(zhǔn)確、及時(shí)地做到對(duì)閥芯卡滯故障進(jìn)行診斷。

3.2 閥芯卡滯結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)

針對(duì)閥芯卡滯現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)其閥門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化改進(jìn),或增設(shè)特殊結(jié)構(gòu),以降低閥芯卡滯風(fēng)險(xiǎn)。目前工業(yè)應(yīng)用對(duì)于常規(guī)工況下機(jī)械、液力原因等導(dǎo)致的閥芯卡滯問(wèn)題已有較為成熟的改進(jìn)技術(shù),如改變閥門(mén)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(wèn)題亟待解決。

3.2.1 閥芯-閥體配合間隙設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)功能的需要,閥門(mén)配合間隙可能僅有數(shù)微米,一旦閥門(mén)加工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或裝配誤差過(guò)大,無(wú)疑就會(huì)導(dǎo)致閥芯卡滯。

介質(zhì)和介質(zhì)中的污染顆粒在閥芯-閥體配合間隙中的流動(dòng)情況也與液力卡滯、熱力卡滯以及污染卡滯密切相關(guān)。除了配合間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致閥芯卡滯以外,配合間隙過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)泄漏量增大。因此,確定最佳閥芯-閥體配合間隙是閥門(mén)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)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(shū)胤等人[79]研究了大通徑二位四通液動(dòng)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(duì)配合間隙與閥體壁厚進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),兼顧了閥門(mén)泄漏問(wèn)題和閥芯卡滯問(wèn)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(nèi)最小距離的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)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(zhǔn)確地確定了多路閥的最佳配合間隙。WU S等人[81]針對(duì)直動(dòng)式海水液壓溢流閥在深海環(huán)境下,會(huì)因壓力過(guò)高而變形,導(dǎo)致阻尼套筒、阻尼桿配合間隙減小,發(fā)生閥芯卡滯的問(wèn)題,分析了溢流閥在不同海水深度處的啟閉反應(yīng)時(shí)間,優(yōu)化了配合間隙設(shè)計(jì)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(duì)閥芯-閥體配合間隙的相關(guān)研究主要集中于各種閥門(mén)最佳設(shè)計(jì)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(mén)的最佳配合間隙,一些研究者還兼顧了閥門(mén)泄漏問(wèn)題。

3.2.2 閥芯均壓槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在實(shí)際工程應(yīng)用中,液壓機(jī)構(gòu)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(shè)的均壓槽,可以緩解閥芯卡滯問(wèn)題[84-86],節(jié)流槽的數(shù)量、深度、形狀等結(jié)構(gòu)特征也會(huì)影響閥芯卡滯狀況。

在閥芯開(kāi)設(shè)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(lèi)型均壓槽對(duì)卡滯力的影響,通過(guò)改變均壓槽數(shù)量、形狀、尺寸以及分布方式,以此來(lái)影響介質(zhì)對(duì)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(duì)閥芯受力的影響,結(jié)果表明,開(kāi)設(shè)矩形均壓槽時(shí),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(kāi)設(shè)了多種不同結(jié)構(gòu)的節(jié)流槽,以此減小油液在閥內(nèi)流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的流動(dòng)力和液壓沖擊,并將數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了比例閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。

開(kāi)設(shè)均壓槽對(duì)流體的流速也有一定的程度影響,所以利用均壓槽結(jié)構(gòu)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(wèn)題。

晏靜江等人[89]分析了具有不同開(kāi)口度、不同深度、不同寬度開(kāi)口槽的液壓滑閥閥芯溫度分布情況,總結(jié)了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)U型和V型兩種不同結(jié)構(gòu)開(kāi)口槽的滑閥閥芯變形情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,開(kāi)有V型槽的閥芯在工作過(guò)程中形變量較小。

在滑閥閥芯上增設(shè)均壓槽結(jié)構(gòu),流體內(nèi)的固體顆粒污染物會(huì)在均壓槽處聚集,即均壓槽可以截留過(guò)濾流體中的固體顆粒污染物,有效地減少流體內(nèi)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(nèi)的堆積情況,研究了U形槽、矩形槽、三角槽、圓角三角槽對(duì)顆粒堆積程度的影響,并得出了結(jié)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(wèn)題。

綜上所述,通過(guò)在閥芯上增設(shè)均壓槽是目前降低閥芯卡滯風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要手段,在液壓機(jī)械領(lǐng)域更是得到了廣泛應(yīng)用。改變均壓槽的數(shù)量、分布方式、深度、形狀和寬度,以此來(lái)改善閥芯卡滯問(wèn)題是目前的研究熱點(diǎn)。但均壓槽結(jié)構(gòu)對(duì)閥芯所受不平衡液力、熱形變,以及污染顆粒在間隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)均有影響。目前,能綜合考慮均壓槽對(duì)上述多個(gè)卡滯原因作用機(jī)制的研究尚少。

3.2.3 預(yù)防閥芯卡滯的特殊結(jié)構(gòu)

除了研究均壓槽結(jié)構(gòu)和閥芯-閥體配合間隙設(shè)計(jì)值之外,一些研究者還提出了一些能夠預(yù)防或改善閥芯卡滯的特殊結(jié)構(gòu)。

陳和平等人[91]設(shè)計(jì)了一種能夠防止閥芯卡滯的氣閥結(jié)構(gòu),通過(guò)將氣閥定位套設(shè)置于密封腔內(nèi),避免了閥蓋對(duì)閥芯作用力的偏心,降低了氣閥閥芯的卡滯風(fēng)險(xiǎn)。琚永光等人[92]通過(guò)在閥芯與閥體之間設(shè)置一個(gè)閥芯套,增大了閥芯的配合間隙。QIAN J Y等人[93]通過(guò)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(guó)進(jìn)等人[53]通過(guò)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(fēng)險(xiǎn)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(jù)實(shí)際工況中污染顆粒尺寸,選擇不同形狀的閥芯對(duì)解決閥芯卡滯問(wèn)題有一定意義。

上述研究者提出的特殊改進(jìn)結(jié)構(gòu)是對(duì)解決閥芯卡滯問(wèn)題的重要補(bǔ)充,這些方法適用于解決一些因特殊原因而導(dǎo)致的閥芯卡滯的問(wèn)題,比如,閥芯均壓槽不適用、閥門(mén)配合間隙設(shè)計(jì)值要求很小、難以調(diào)節(jié)配合間隙,等。

4 總結(jié)與展望

近年來(lái),有關(guān)閥芯卡滯現(xiàn)象的研究取得了顯著進(jìn)展。從卡滯機(jī)理的層面到工程實(shí)際應(yīng)用中的分析與改進(jìn),國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者已經(jīng)進(jìn)行了較為全面、深入的研究:(1)對(duì)于卡滯現(xiàn)象的機(jī)理,研究主要集中于液體黏性發(fā)熱導(dǎo)致閥體與閥芯變形、流體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)方式、閥體與閥芯粗糙度對(duì)流體微流動(dòng)的影響等;(2)對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的卡滯現(xiàn)象,研究者綜合運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型分析、數(shù)值模擬計(jì)算這3種方法,分析了閥門(mén)工作情況、外界環(huán)境、閥門(mén)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)卡滯的影響;部分研究者還對(duì)緩解閥芯卡滯問(wèn)題提出了有益的建議。

但隨著閥門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣,閥門(mén)工作環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛,再加上很多行業(yè)對(duì)閥門(mén)的工作精度要求極高,閥芯卡滯問(wèn)題漸漸成為設(shè)計(jì)高性能閥門(mén)的一大阻礙。

為滿足各行業(yè)對(duì)高性能閥門(mén)的需求,筆者認(rèn)為未來(lái)相關(guān)研究應(yīng)聚焦在以下方面:

(1)綜合考慮多種卡滯因素,例如,運(yùn)用流-固-熱耦合分析的數(shù)值計(jì)算方法研究機(jī)械原因、液力原因、熱力原因以及顆粒污染同時(shí)作用對(duì)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(fēng)洞等高壓環(huán)境下的閥門(mén),容易發(fā)生卡滯現(xiàn)象,解決這一問(wèn)題對(duì)許多高精尖應(yīng)用領(lǐng)域意義重大;

(3)對(duì)于污染原因?qū)е碌拈y芯卡滯,目前的研究主要集中于顆粒在閥芯、閥體間隙內(nèi)的流動(dòng)情況,缺少工業(yè)應(yīng)用中能夠應(yīng)用的預(yù)防手段,未來(lái)研究可以著重于顆粒進(jìn)入閥芯間隙的預(yù)防;

(4)比較分析機(jī)械、液力、熱力以及顆粒污染等因素對(duì)卡滯的影響效果;

(5)促進(jìn)閥門(mén)智能化,實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯閥體受力、溫度以及介質(zhì)流速、溫度、顆粒濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控,完善閥芯卡滯預(yù)測(cè)診斷技術(shù);

(6)目前的閥芯卡滯結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)針對(duì)性較強(qiáng),未來(lái)可以注重研究并提出一些適用性更廣的閥芯卡滯預(yù)防方法。