高澤坤， 潘 鑫， 羅一牛， 李世振

(山東大學(xué)海洋研究院， 山東青島 266237)

引言

多路閥是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中最重要的元件之一，作業(yè)過(guò)程中的所有動(dòng)作都由多路閥進(jìn)行控制，其性能與可靠性直接決定了整個(gè)挖掘機(jī)的性能與可靠性[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多路閥主閥結(jié)構(gòu)失效的主要原因就是由于油液的污染， 其引起的主要失效形式為沖蝕失效。當(dāng)多路閥的閥口在小開度(小于20%)下工作時(shí)，油液和固體顆粒的流速可達(dá)20 m/s，高速流動(dòng)的液壓油裹挾著固體顆粒猛烈撞擊閥體和閥芯表面，帶走閥芯和閥體表面大量的材料造成不可逆轉(zhuǎn)的沖蝕磨損，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果[5-6]。

研究沖蝕磨損的傳統(tǒng)方法是進(jìn)行顆粒撞擊試驗(yàn)，通過(guò)高速攝像機(jī)和光纖探頭[7-8]確定顆粒的速度、大小和流動(dòng)模式并推導(dǎo)質(zhì)量損失定律。但是這些技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，比如會(huì)耗費(fèi)大量的金錢和時(shí)間。在最近20年來(lái)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)得到了飛速的發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算能力得到流體控制方程的近似解[5,9]。許多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD的方法進(jìn)行了沖蝕磨損案例的研究。王佳琪等[10]采用Fluent軟件模擬得到V形球閥內(nèi)液固兩相流場(chǎng)特性，得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖和沖蝕磨損分布規(guī)律。李雙路等[11]以閥控對(duì)稱缸為例，針對(duì)高端液壓元件因滑閥沖蝕磨損引起閥口輪廓變動(dòng)與性能不確定性問(wèn)題，取得了四邊滑閥各閥口沖蝕后的輪廓并發(fā)現(xiàn)了閥特性的演化規(guī)律。郭衍茹等[12]針對(duì)油田上應(yīng)用效果較好的某型節(jié)流閥進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，分析不同開度下含砂氣體對(duì)節(jié)流閥的沖蝕規(guī)律以及砂粒在閥內(nèi)的滯留分布現(xiàn)象。鐘林等[13]針對(duì)排污閥的沖蝕失效問(wèn)題，以CFD仿真模擬的方法對(duì)閥套排污閥的沖蝕磨損進(jìn)行研究。劉玲莉等[14]利用Fluent建立針型節(jié)流閥數(shù)值模型并進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)合沖蝕離散模型，得到針型閥沖蝕速率分布規(guī)律。李樹勛等[15]針對(duì)盾構(gòu)機(jī)接管系統(tǒng)中換向閥的沖蝕磨損問(wèn)題，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中離散相(DPM)模型對(duì)閥芯縮徑彎管與等徑彎管進(jìn)行對(duì)比分析。

本研究對(duì)挖掘機(jī)多路閥在不同流量、閥口開度及顆粒屬性下的沖蝕磨損進(jìn)行了有限元仿真，得到閥口部分沖蝕磨損的分布情況以及重要部位的沖蝕磨損率情況，分析并建立流量、閥口開度及顆粒屬性對(duì)沖蝕磨損的變化規(guī)律。

1 多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)

多路閥是一種由2個(gè)或2個(gè)以上的換向滑閥為主體集成一系列輔助閥的多功能集成閥，多路閥各聯(lián)形狀結(jié)構(gòu)相似，都為滑閥結(jié)構(gòu)。本研究選擇多路閥中的回轉(zhuǎn)聯(lián)作為研究對(duì)象，圖1為多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，圖中可以看到回轉(zhuǎn)聯(lián)與備用聯(lián)相連，共用1個(gè)回油口，但備用聯(lián)使用率較低，只有當(dāng)工作裝置更換為破碎錘等裝置時(shí)才會(huì)被啟用，因此可以不用考慮備用聯(lián)的影響。

1.回轉(zhuǎn)控制閥殼體 2.回轉(zhuǎn)閥芯 3.回轉(zhuǎn)聯(lián)閥蓋 4.備用聯(lián)閥芯5.備用聯(lián)殼體 6.過(guò)載補(bǔ)油閥 7.備用閥殼體 8.單向閥9.彈簧限位塊 10.彈簧定位環(huán) 11.彈簧 12.單向閥圖1 回轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Swing structure diagram

2 CFD模型

多路閥內(nèi)流體的流動(dòng)以流道為基礎(chǔ)，與閥的機(jī)械物理結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，所以先建立如圖2a所示的回轉(zhuǎn)聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中忽略了閥芯與閥體之間的縫隙以及電彈簧、定位柱、螺栓螺釘、輔助閥等部件，再進(jìn)行布爾運(yùn)算得到了如圖2b所示的流體流道模型。在實(shí)際工作環(huán)境下，挖掘機(jī)左右回轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載相同，并且P-A流道和P-B流道的形狀相同，閥口節(jié)流槽也一致，都容易發(fā)生沖蝕、氣蝕和磨損，所以可以任取一閥口作為研究對(duì)象,如圖2c所示?？紤]到閥口部位節(jié)流口的形狀復(fù)雜，所以采用四面體對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行劃分。并且由于流體在近壁區(qū)受到摩擦和液體黏性的影響會(huì)使流動(dòng)復(fù)雜得多，所以為了提高求解精度，在近壁面的邊界層加入了5層網(wǎng)格(增長(zhǎng)率為1.2)，多路閥閥口網(wǎng)格模型如圖2e、圖2f。

為了兼顧求解精度和求解速度，需要對(duì)圖2中的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，本次模擬關(guān)注的是沖蝕磨損現(xiàn)象，而沖蝕磨損現(xiàn)象與流體的流速和速度分布密切相關(guān)，所以在3 MPa的壓差下取流道中一個(gè)截面的平均速度來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。由表1可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從15萬(wàn)變到50萬(wàn)時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，監(jiān)測(cè)面速度的變化不超過(guò)1%，可以認(rèn)為已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，所以取15萬(wàn)網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)下檢測(cè)面的參數(shù)表Tab.1 Table of parameters of detection surface with different number of meshes

圖2 多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口的建模和網(wǎng)格劃分Fig.2 Modeling and computing grid of multi way valve port

3 CFD控制方程

多路閥內(nèi)油液的流動(dòng)是包含少量固體顆粒的粒子流，在進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算時(shí)需要將流動(dòng)介質(zhì)分為主相和次相，分別建立控制方程。根據(jù)沖蝕磨損的工況——固體相體積分?jǐn)?shù)小于10%，本研究選擇DPM模型對(duì)固-液兩相流動(dòng)進(jìn)行求解。

DPM模型是以歐拉方法對(duì)油液進(jìn)行計(jì)算，將其看作是連續(xù)的相介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系下，通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格尺度的流體微團(tuán)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流模型來(lái)監(jiān)控空間坐標(biāo)的參數(shù)變化來(lái)反映流體的運(yùn)動(dòng)工況。連續(xù)相的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別由式(1)和式(2)給出[16]：

▽×(ρu)=0

(1)

▽×(ρuu-τf)=ff

(2)

其中：

(3)

(4)

式中,u—— 流體速度

ρ—— 流體密度

ff—— 流體的體積力

τf—— 流體的應(yīng)力

p—— 壓力

μ—— 動(dòng)力黏度

I—— 二階張量

g—— 重力加速度

對(duì)于混合在油液中的固體顆粒采用拉格朗日方法進(jìn)行計(jì)算，該方法忽略了固體顆粒的真實(shí)體積，將其看作不連續(xù)的離散相介質(zhì)，通過(guò)積分拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力的微分方程來(lái)求解固體粒子或粒子群的軌道。粒子的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下為：

(5)

式中,up—— 固體顆粒速度

t—— 時(shí)間

F—— 顆粒上所受的力

顆粒上所受的力具體包括：

(1) 拖曳力 當(dāng)固體顆粒和液體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有一個(gè)力來(lái)阻擋或拉動(dòng)顆粒，這個(gè)力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反，表達(dá)式為：

(6)

式中,ρp—— 固體顆粒的密度

dp—— 固體顆粒直徑

up—— 固體顆粒速度

CD—— 阻力系數(shù)

(2) 虛擬質(zhì)量力 當(dāng)固體顆粒在一個(gè)理想的不可壓縮的靜止流體中以相同的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)周圍流體加速。由周圍流體的相同加速度計(jì)算出來(lái)的流體質(zhì)量被稱為顆粒的虛擬質(zhì)量，可以寫為:

(7)

式中,t—— 時(shí)間

(3) 重力 所有靠近地球的物體都會(huì)受到重力場(chǎng)的影響，本研究假設(shè)顆粒為圓形，表達(dá)式為：

(8)

式中,dp—— 固體顆粒直徑

(4) 浮力 由于固體顆粒始終被流體攜帶著運(yùn)動(dòng)，因此顆粒始終會(huì)受浮力作用，表達(dá)式為：

FB=ρgVp

(9)

式中,Vp—— 固體顆粒體積

(5) 壓力梯度力 液壓閥中的流場(chǎng)一般有很大的壓力梯度，當(dāng)固體顆粒在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于兩邊的壓力不同，總會(huì)有從高壓區(qū)指向低壓區(qū)的壓強(qiáng)合力作用在顆粒上，表達(dá)式為:

(10)

式中, ?p/?l—— 壓力梯度

顆粒碰撞閥壁會(huì)改變顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得顆粒碰撞反彈后的運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生變化。在Fluent中以法向恢復(fù)系數(shù)en和切向恢復(fù)系數(shù)et來(lái)描述碰撞后的顆粒速度變化，本研究在對(duì)顆粒軌跡進(jìn)行計(jì)算時(shí)選擇了應(yīng)用較為廣泛的Grant和Tabakoff經(jīng)驗(yàn)公式，關(guān)系曲線如圖3所示，表達(dá)式為：

圖3 彈性恢復(fù)系數(shù)曲線Fig.3 Elastic coefficient of restitution curve

(11)

(12)

式中,up1,up2—— 固體顆粒碰撞前后的切向速度

vp1,vp2—— 固體顆粒碰撞前后的法向速度

θ—— 固體顆粒碰撞的弧度

對(duì)于沖蝕磨損的計(jì)算選擇Edwards模型[17-19]，由于其被廣泛應(yīng)用于氣-固、液-固和氣-液-固流動(dòng)及對(duì)沖蝕磨損的預(yù)測(cè)精度較高，所以在Fluent中作為默認(rèn)模型使用。沖蝕磨損率表示為：

(13)

式中,E—— 沖蝕磨損率

NP—— 固體顆粒的數(shù)量

mP—— 質(zhì)量流量，指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)封閉管道有效段的流體質(zhì)量

C(dp) —— 顆粒直徑函數(shù)，取1.8e-9

α—— 顆粒對(duì)閥壁面的沖擊角

u—— 顆粒撞擊閥壁面的速度

n—— 速度指數(shù)函數(shù)，取2.4

f(α) —— 沖擊角函數(shù)

這里只考慮微切削磨損，并以分段線性方式給出沖擊角函數(shù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)為(0,0)，(20,0.8)，(30,1)，(45,0.5)，(90,0.4) ，如圖4所示[20-23]。

圖4 沖擊角函數(shù)Fig.4 Impact angle function

4 仿真設(shè)置及物理模型驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)及求解器設(shè)定

本研究采用壓力基求解，速度公式為絕對(duì)方法，并考慮重力影響。湍流模型選用Realizable k-epsilon模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。對(duì)于懸浮顆粒，需要考慮液-固兩相作用，并且使用Discrete Random Walk模型來(lái)描述湍流對(duì)顆粒的作用。在計(jì)算資源足夠的情況下選用Coulped方法縮短計(jì)算時(shí)間，并選用二階隨風(fēng)格式的差分格式提高計(jì)算精度。連續(xù)相、離散相的屬性、進(jìn)出口的邊界條件根據(jù)國(guó)內(nèi)某機(jī)械企業(yè)多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)可靠性實(shí)驗(yàn)的參數(shù)計(jì)算得到入口邊界、出口邊界的速度和負(fù)載壓力范圍，水力直徑(特征長(zhǎng)度)依據(jù)式(14)計(jì)算，得到入口腔的水力直徑為0.0148 m，出口腔的水力直徑為0.0228 m：

(14)

式中，A—— 過(guò)流面積，入口腔為320 mm2，出口腔為570 mm2

lw—— 周長(zhǎng)，入口腔為86.5 mm，出口腔為100 mm

湍流強(qiáng)度T根據(jù)式(15)計(jì)算，得到入口腔的湍流強(qiáng)度范圍為5.5%～5.6%，因?yàn)槌隹谇粵](méi)有回流則不考慮湍流強(qiáng)度取Fluent默認(rèn)值為5%：

(15)

式中，v—— 流體速度

μ—— 流體黏度系數(shù)

依據(jù)如上公式及實(shí)際工況得到的參數(shù)如表2所示。其中，入口為速度入口類型，出口為壓力出口類型，油液選擇L-HM46號(hào)。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

4.2 物理模型驗(yàn)證

為了得到正確的結(jié)論，必須保證仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際沖蝕磨損情況。因此，在進(jìn)行仿真和結(jié)果分析之前必須對(duì)模型的有效性進(jìn)行評(píng)估，來(lái)為下文的沖蝕磨損研究提供保證。本研究在負(fù)載20 MPa，壓差約為1 MPa的條件下對(duì)多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量得到回轉(zhuǎn)聯(lián)的流量-閥芯位移-先導(dǎo)壓力如圖5所示。因?yàn)殚y內(nèi)存在結(jié)構(gòu)死區(qū)，先導(dǎo)閥壓力在0.8 MPa之前進(jìn)油口和工作口并不連通， 所以在圖的左側(cè)建立了以閥口開度為刻度的小坐標(biāo)軸，從10%開度開始，以20%開度為增量進(jìn)行仿真，得到5組閥內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。從圖中可以看到，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)得的主閥工作口流量數(shù)據(jù)符合良好，可以驗(yàn)證物理模型的準(zhǔn)確性。

圖5 實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 Comparison between simulation and experimental

5 仿真模擬和結(jié)果分析

本部分主要研究閥口部位的沖蝕磨損，包括閥口開度和入口速度(在模型入口截面積不變的情況下流量可以用入口處的速度表示)對(duì)磨損位置和磨損率的影響，以及顆粒直徑和顆粒質(zhì)量流量對(duì)閥芯沖蝕磨損率的影響。

5.1 閥口的整體侵蝕磨損分布

在閥口全開狀態(tài)、入口速度10.5 m/s和顆粒直徑20 μm的參數(shù)條件下的沖蝕磨損情況如圖6所示。從圖中可以看到，在A區(qū)域存在大片的沖蝕磨損，該部分與閥芯閥體之間的開口相鄰，從入口流入的油液有一部分在經(jīng)過(guò)開口的節(jié)流作用后以較大的速度直接撞擊到閥芯，造成嚴(yán)重的破壞，因此該區(qū)域是閥芯沖蝕磨損的主要發(fā)生區(qū)域，其平均沖蝕磨損率為1.24×10-6kg/(m2·s)，其中有一部分是整個(gè)閥口沖蝕磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，沖蝕磨損率大約為2.16×10-6kg/(m2·s)。也有一部分油液會(huì)通過(guò)兩個(gè)傾斜的節(jié)流槽撞擊到閥芯上，在B-1區(qū)域和B-2區(qū)域造成了磨損，B-1區(qū)域的平均磨損率為1.45×10-6kg/(m2·s)，B-2區(qū)域?yàn)?.14×10-6kg/(m2·s)，兩側(cè)的區(qū)域形狀、損傷率不同的原因是兩個(gè)節(jié)流口的形狀不同，因此在B-1處才會(huì)有一小部分較為明顯的磨損，而B-2處則不明顯。除了閥芯的磨損，顆粒對(duì)閥體也會(huì)造成沖蝕磨損，如圖中C區(qū)域所示，區(qū)域平均磨損率大約為6.1×10-7kg/(m2·s)。D區(qū)域也會(huì)有小面積的磨損，其磨損率大于為1.03×10-6kg/(m2·s)。

圖6 閥口處的侵蝕磨損分布Fig.6 Distribution of erosion wear at valve port

5.2 閥芯沖蝕磨損

A區(qū)域所在的表面為閥口沖蝕磨損最為嚴(yán)重的區(qū)域，被固體顆粒切削下來(lái)的大塊表面材料會(huì)進(jìn)入閥芯與閥體的間隙，造成閥芯表面的劃傷或者閥芯卡滯，帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果。并且該區(qū)域的沖蝕磨損與節(jié)流槽的形狀有密切的關(guān)系，因此研究這部分的沖蝕分布和沖蝕磨損率對(duì)改進(jìn)節(jié)流槽的形狀和減小沖蝕磨損的發(fā)生具有重大意義。

1) 閥芯的沖蝕磨損分布

圖7為閥口全開(100%開度)、閥口半開(50%開度)和閥口微開(10%開度)狀態(tài)下入口速度為10.5， 13.0， 15.5 m/s時(shí)閥芯的半剖沖蝕磨損云圖，可以看到圖中形成了3個(gè)明顯的磨損區(qū)，且3個(gè)區(qū)域互不干涉，都隨著閥口開度和入口速度的變化而規(guī)律變化，因此將閥芯的沖蝕磨損區(qū)域分為E，F(xiàn)，G 3個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行研究。同時(shí)選擇一條將沖蝕區(qū)域分為兩半且長(zhǎng)度為研究閥芯表面長(zhǎng)度的直線Lp作為該磨損區(qū)域的特征線，將特征線上的磨損率以圖8的方式呈現(xiàn)，圖8中的每個(gè)折線圖都與圖7中的沖蝕磨損云圖一一對(duì)應(yīng)。本節(jié)通過(guò)磨損云圖和特征線上的沖蝕磨損率來(lái)研究閥芯的沖蝕磨損隨閥口開度及入口速度的變化規(guī)律。

首先分析閥口開度的影響，因?yàn)殚y芯上開有節(jié)流槽，所以液體可以通過(guò)節(jié)流槽及閥體閥芯間的間隙流向中間腔，在閥口大開度下間隙面積遠(yuǎn)大于節(jié)流槽的面積，所以大部分油液通過(guò)間隙流向中間腔，從圖中可以看到此時(shí)的沖蝕磨損面積最大。當(dāng)閥口的開度減小時(shí)流道的流通面積減小，根據(jù)節(jié)流孔原理，流速與流通面積成反比，油液從入口腔進(jìn)入中間腔后流速會(huì)激增造成的沖蝕磨損也會(huì)增大。從圖8中可以看到，閥口全開情況下沖蝕磨損率為10-6量級(jí)，閥口半開為10-5量級(jí)，而在閥口微開下則變?yōu)?0-4，所以閥口開度的減小會(huì)使閥芯與閥芯間的間隙減小，流通面積的減小使油液聚集造成閥芯的沖蝕磨損面積收縮，從圖7與圖8中可以看到微開狀態(tài)下的磨損面積變?yōu)槿_狀態(tài)下的50%。同時(shí)閥口開度也會(huì)影響最大沖蝕磨損處的位置，從圖8中可以看到，在閥口全開下F區(qū)域的最大沖蝕磨損處與E區(qū)域的最大沖蝕磨損處在同一豎直線上；隨著開度的減小，兩者的峰值不再共線，F(xiàn)區(qū)域的峰值逐漸向出口腔轉(zhuǎn)移。對(duì)于G區(qū)域的沖蝕磨損，在大開口下磨損很小，在云圖上基本不可見(jiàn)，只有在小開度下磨損才清晰可見(jiàn)。從圖7和圖8中可以看到，在大開口下入口速度對(duì)沖蝕磨損面積影響較為明顯，從10.5 m/s增加到13.0 m/s時(shí)，磨損區(qū)域的長(zhǎng)度增大一倍，但從13.0 m/s增大到15.5 m/s后磨損面積不變。隨著閥口開度的減小，入口速度對(duì)沖蝕磨損分布的影響逐漸減弱，可以看到在閥口半開狀態(tài)和閥口微開狀態(tài)下，入口速度的變化對(duì)磨損區(qū)域的影響很小。在同一開度下，入口速度對(duì)E，F(xiàn)兩區(qū)域影響較大，沖蝕磨損率隨其增大而規(guī)律性增大，但對(duì)于G區(qū)域則影響較小。因此可以知道入口速度對(duì)閥芯沖蝕磨損率的影響較為顯著，與沖蝕磨損率呈正相關(guān)，但是對(duì)沖蝕磨損分布的影響較弱。

圖7 閥口處的侵蝕磨損分布變化圖Fig.7 Erosion wear position of valve core varies with valve port and speed

圖8 特征線上沖蝕磨損磨損率圖Fig.8 Erosion wear rate of characteristic line of erosion wear area

2) 閥口開度和入口速度對(duì)閥芯沖蝕磨損率的影響

閥口的開度和入口邊界條件中的速度參數(shù)是影響閥芯最重要的兩個(gè)因素，在分析了閥芯沖蝕磨損的位置分布隨閥口開度和入口壓力的變化規(guī)律之后，本小節(jié)分別從閥口開度和入口速度兩個(gè)維度研究沖蝕磨損率的變化情況。

首先研究入口速度的變化對(duì)研究表面沖蝕磨損率的影響，圖9是在閥口全開、閥口半開、閥口微開的狀態(tài)下以入口速度為變量參數(shù)，通過(guò)Fluent有限元仿真得到的研究表面沖蝕磨損率與入口速度關(guān)系曲線，這33組數(shù)據(jù)基本可以表示閥內(nèi)不同開度下的液固兩相的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性，因此可以用來(lái)研究閥芯的沖蝕磨損隨入口速度變化的規(guī)律。從圖中可以看到，隨著入口速度的增大，3個(gè)閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率都穩(wěn)步增大，并且閥口的開度越小，入口速度從谷值增大到峰值，對(duì)應(yīng)閥芯的沖蝕磨損率的增量越大。將不同閥口開度下的入口流速-閥芯沖蝕磨損率變化曲線分開展示，可以看到不同閥口開度下，閥芯的沖蝕磨損率隨入口速度是較為均勻變化的，雖然磨損率增量不同但曲線形狀基本一致，可以得出在忽略閥口開度因素時(shí)，入口流速對(duì)閥芯的沖蝕磨損率的影響是具有一致性的。

圖9 不同閥口開度下沖蝕磨損率隨入口速度的變化圖Fig.9 Variation curve of wear rate with inlet velocity under different valve opening

接下來(lái)研究閥口開度-閥芯沖蝕磨損率的變化規(guī)律，通過(guò)有限元仿真得到入口速度為10.5， 13.0， 15.5 m/s，閥口從全開到微開每個(gè)開度狀態(tài)下的閥芯沖蝕磨損率，共30組數(shù)據(jù)。選用的10.5， 13.0， 15.5 m/s 3個(gè)典型速度值，基本可以反應(yīng)低速、中速、高速入口速度的閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。圖10為不同入口流速下磨損率隨閥口開度變化曲線，從圖中可以看到3個(gè)速度入口下閥芯的沖蝕磨損率都是隨閥口開度的變小而增大的，并且在30%開度以上磨損率變化都比較平緩，在30%～10%開度之間，沖蝕磨損率會(huì)隨閥口的變小而產(chǎn)生大梯度的急劇增大。并且從10.5， 13.0， 15.5 m/s 3條曲線上看，入口速度的變化對(duì)閥芯沖蝕磨損率的影響比閥口開度要小。同理將不同入口速度下的磨損率隨閥口開度變化曲線分開呈現(xiàn)，可以看到3條曲線的形狀基本一致，在以10%為開度增量下，3個(gè)速度入口下的沖蝕磨損率增量也是規(guī)律變化的，由此可以得出結(jié)論，在不同的入口速度下，閥口開度對(duì)閥芯沖蝕磨損率的影響也是具有一致性的。

圖10 不同入口速度下沖蝕磨損率隨閥口開度的變化圖Fig.10 Variation curve of wear rate with valve opening under different inlet flow velocity

3) 定質(zhì)量流量下顆粒直徑對(duì)沖蝕磨損率的影響

顆粒的直徑是影響沖蝕磨損的一個(gè)重要因素，顆粒的直徑代表了顆粒的質(zhì)量的大小，在相同流速的流體中，顆粒的直徑越大其動(dòng)能越大，對(duì)壁面的破壞也就越大，因此國(guó)內(nèi)外研究沖蝕磨損問(wèn)題時(shí)基本都會(huì)考慮顆粒直徑的影響。在實(shí)際的工程機(jī)械當(dāng)中，存在于液壓油中的顆粒根據(jù)液壓油的清潔等級(jí)不同其粒徑分布也是不同的。在企業(yè)的實(shí)際測(cè)試過(guò)程中液壓油的固體顆粒污染度不應(yīng)高于GB/T 14039—2002中規(guī)定的等級(jí)“-/19/16”，一般此清潔度等級(jí)大約相當(dāng)于NAS 10級(jí)，其固體顆粒大小范圍如表3所示?？梢酝ㄟ^(guò)表3來(lái)推算固體顆粒在油液中的質(zhì)量占比范圍，取顆粒直徑的上下限計(jì)算可得，固體顆粒在油液中的質(zhì)量占比為0.0001%～0.001%，此部分的仿真設(shè)置質(zhì)量占比為0.001%。油液中的固體顆粒物超過(guò)清潔度許多時(shí)就會(huì)嚴(yán)重危害液壓系統(tǒng)，因此在液壓系統(tǒng)中常會(huì)安裝清潔過(guò)濾裝置，在挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中一般為20 μm的過(guò)濾網(wǎng)，所以在正常工作的工程機(jī)械油液的固相顆粒的直徑范圍處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。本研究先研究在質(zhì)量流量相同的情況下不同顆粒直徑對(duì)研究表面沖蝕磨損的影響， 通過(guò)Fluent仿真研究在定質(zhì)量流量下不同閥口開度、不同入口速度下的顆粒直徑對(duì)研究表面沖蝕磨損率的影響。根據(jù)上文，油液中超過(guò)20 μm的顆粒較少，所以在5～20 μm范圍內(nèi)間隔 2 μm 設(shè)置節(jié)點(diǎn)，大于30 μm的間隔30 μm設(shè)置節(jié)點(diǎn)，粒徑分布選定如下：5,7,9,10,12,13,15,17,19,20,30,60,90,120,150,180,210,240,270,300 μm。

表3 液壓油中顆粒直徑分布

圖11為不同閥口開度和入口速度下的顆粒直徑與沖蝕磨損率的變化曲線，可以看到閥口開度在5～30 μm的顆粒直徑區(qū)間內(nèi)，顆粒直徑變大導(dǎo)致沖蝕磨損率急劇下降。在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)油液顆粒常處于的5～20 μm范圍之間，在定質(zhì)量流量的情況下，顆粒直徑的整體變大會(huì)急劇降低磨損率，因此挖掘機(jī)的液壓油應(yīng)避免大量細(xì)小顆粒的存在，有助于提高挖掘的多路閥的壽命。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)轭w粒直徑從5 μm增大到30 μm，對(duì)應(yīng)的顆粒數(shù)量也減少為原來(lái)的1/216，導(dǎo)致沖蝕磨損率急劇降低，之后以30 μm為顆粒直徑增量設(shè)置仿真節(jié)點(diǎn)，顆粒數(shù)量變化率不斷減小，從而使后續(xù)沖蝕磨損率的變化趨于平緩。60 μm之后3個(gè)開度下的沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化趨勢(shì)有明顯的不同，在閥口半開和微開狀態(tài)下隨著顆粒直徑的增大沖蝕磨損率規(guī)律而緩慢的減小，而在閥口全開狀態(tài)下沖蝕磨損率會(huì)隨顆粒直徑增大先增大后減小。

圖11 在100%、50%和10%閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化圖Fig.11 Plot of spool erosion wear rate with particle diameter at 100%, 50% and 10% valve opening

為了進(jìn)一步研究這種現(xiàn)象，在90%，80%，70%，60%開度下以粒徑為5，15，20，30，60，90，120，150，180，210，240，270，300 μm的參數(shù)條件下進(jìn)行仿真，將得到的結(jié)果與圖11中100%，50%開度的數(shù)據(jù)相結(jié)合，如圖12所示，可以看到當(dāng)閥口在100%～50%開度之間時(shí)，閥芯表面的沖蝕磨損率會(huì)隨著顆粒直徑的增大出現(xiàn)起伏波動(dòng)，顆粒直徑在15～60 μm區(qū)間內(nèi)時(shí)，閥芯表面的沖蝕磨損率都隨顆粒直徑增大而減小，但是在60 μm之后，沖蝕磨損率會(huì)隨著顆粒直徑的增大先增加后減小，并且起伏的程度隨著閥口開度的減小而減小，在50%閥口開度時(shí)已經(jīng)幾乎不可見(jiàn)。這是因?yàn)轭w粒的斯托克斯數(shù)發(fā)生了變化，公式為：

圖12 在100%～50%閥口開度下的閥芯沖蝕磨損率隨顆粒直徑的變化圖Fig.12 Variation of spool erosion wear rate with particle diameter at 100%～50% valve opening

(16)

式中，ρp—— 固體顆粒密度

dp—— 固體顆粒直徑

u—— 流體速度

μ—— 流體黏度

Dn—— 水力直徑

斯托克斯數(shù)表示懸浮顆粒隨流體流場(chǎng)的變化的流動(dòng)行為，其值越小顆粒慣性越小，越容易跟隨流體運(yùn)動(dòng)；反之，其值越大顆粒慣性越大，顆粒運(yùn)動(dòng)的跟隨性越不明顯。如圖13的固體顆粒軌跡圖所示，當(dāng)閥口處于大開度時(shí)，一部分油液通過(guò)閥口流入中間腔，此時(shí)一

圖13 不同閥口開度下的固體顆粒軌跡圖Fig.13 Particle trajectory diagram under different opening degrees

些顆粒不撞擊閥芯或以較小的角度(15°左右)撞擊閥芯，當(dāng)顆粒的直徑增大其慣性對(duì)應(yīng)增大，固體顆粒的軌跡改變，撞擊閥芯的顆粒增多且角度增大，對(duì)應(yīng)的沖蝕磨損率會(huì)增大，如圖4所示。所以顆粒直徑增大會(huì)導(dǎo)致撞擊閥芯的數(shù)目增多沖蝕磨損率增加，也會(huì)導(dǎo)致顆粒數(shù)量減少而沖蝕磨損率減小，因此兩相競(jìng)爭(zhēng)下導(dǎo)致了沖蝕磨損率隨顆粒直徑變大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在閥口開度變小時(shí)，閥口流場(chǎng)速度的普遍增大導(dǎo)致顆粒的斯托克斯數(shù)也變大，因此顆粒直徑變大后顆粒的隨動(dòng)性變化不明顯，并且閥口較小時(shí)，顆粒進(jìn)入中間腔的數(shù)目越來(lái)越少，其結(jié)果導(dǎo)致閥口變小后沖蝕磨損率再增加的幅度越來(lái)越小。

4) 固體顆粒在油液中的不同質(zhì)量占比對(duì)沖蝕磨損率的影響

液壓油中固體顆粒的質(zhì)量占比也是影響沖蝕磨損的重要因素， 若油液中的固相顆粒物的質(zhì)量超過(guò)油液質(zhì)量的0.5%就會(huì)嚴(yán)重危害液壓系統(tǒng)，因此需要研究隨著顆粒占比的增大沖蝕磨損率的變化情況。根據(jù)上文，在NAS 10級(jí)的油液清潔度下，顆粒在油液中的質(zhì)量占比為0.0001%～0.001%，因此分別在閥口全開、閥口半開、閥口微開3個(gè)開度下設(shè)置不同的入口速度并以0.0001%為跨度設(shè)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看到在3個(gè)閥口開度下，顆粒質(zhì)量占比對(duì)沖蝕磨損率的影響基本相同。在不同的速度入口下沖蝕磨損率都隨顆粒質(zhì)量占比的增加而穩(wěn)步增加，并呈線性關(guān)系，這也與式(13)中質(zhì)量流量與沖蝕磨損率的關(guān)系一致。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)液壓系統(tǒng)中油液的清潔，會(huì)顯著降低沖蝕磨損的損傷程度。

圖14 油液中顆粒質(zhì)量占比ηm對(duì)沖蝕磨損率的影響圖Fig.14 Influence of percentage ηm of particle mass in oil on erosion and wear rate

6 結(jié)論

本研究采用CFD數(shù)值模擬的方法，分析了挖掘機(jī)多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口在不同入口速度、閥口開度和顆粒直徑下的沖蝕磨損情況，取得的研究成果如下：

(1) 得到了回轉(zhuǎn)聯(lián)閥口部位沖蝕磨損的主要發(fā)生部位；

(2) 閥芯部位的磨損面積會(huì)隨著閥口開度的變小而變小，并且沖蝕磨損率會(huì)激增。入口速度的變化會(huì)使沖蝕磨損率變化較為平緩，對(duì)磨損面積的影響則與閥口開度有關(guān)，在大開度情況下影響明顯，小開度情況下則不顯著；

(3) 在固體顆粒質(zhì)量在油液中所占百分比一定時(shí)，顆粒直徑的增大會(huì)對(duì)閥芯的沖蝕磨損率有較大的影響，并且在不同閥口開度下影響也不同，整體來(lái)說(shuō)顆粒直徑的增大會(huì)使沖蝕磨損率減??；

(4) 沖蝕磨損率會(huì)隨油液中顆粒質(zhì)量占比增加而穩(wěn)步增大，并呈線性關(guān)系；

(5) 為減弱閥芯的沖蝕磨損，多路閥應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間在小開度情況下工作，并且提高油液過(guò)濾水平，減少大固體顆粒的數(shù)量也會(huì)減弱沖蝕磨損程度。