錐臺(tái)微造型對水液壓安全閥閥芯潤滑的影響研究*

張 宇，陳國瑜，王傳禮,2,3※

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232000；2.江蘇省礦山機(jī)電裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國礦業(yè)大學(xué)），江蘇徐州 221116；3.安徽理工大學(xué)礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232000）

0 引言

煤礦水液壓安全閥是液壓支架的重要組件之一，以水為工作介質(zhì)，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好、阻燃性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。通過何濤等[2-4]研究發(fā)現(xiàn)，基于微造型的水液壓安全閥可產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑效果，有效緩解因水的黏度低導(dǎo)致閥芯摩擦副間難以形成潤滑膜，閥芯潤滑效果差和閥芯摩擦磨損加重的狀況。

微造型是在摩擦副表面加工規(guī)律分布的微凹坑，以改善動(dòng)壓潤滑效果，提升工作效率的表面工程技術(shù)新型手段。通過加工規(guī)律分布的微凹坑，閥芯產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑，可提升潤滑效果和改善摩擦磨損。大量研究表明，不同參數(shù)下的微造型對閥芯承載力、閥芯動(dòng)壓潤滑效果的影響不同[5]。其中，何濤等[6]發(fā)現(xiàn)常見微造型形貌中，球冠形微造型可產(chǎn)生良好的動(dòng)壓潤滑效果，具有較小的泄漏量；馬丁等[3]表明常見微造型形貌中，球冠形與圓柱形微造型可有效提高閥芯承載力；周大偉等[4]指出：閥芯承載力會(huì)隨閥芯移動(dòng)速度與微造型間隙的改變而改變。本文將研究一種新型錐臺(tái)微造型，分析了解微凹坑深度與錐臺(tái)角度對閥芯動(dòng)壓潤滑和承載力影響較大。因此，通過改變微凹坑深度與錐臺(tái)角度參數(shù)，分析仿真結(jié)果，研究影響因素對錐臺(tái)微造型閥芯動(dòng)壓潤滑效果和承載力的影響。

1 建立模型

1.1 微造型模型

圖1所示為擬構(gòu)建的錐臺(tái)微造型結(jié)構(gòu)，圖2所示為錐臺(tái)微造型的閥芯結(jié)構(gòu)。閥芯進(jìn)出口壓力分別為p0和pn。閥套固定，閥芯作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩者形成摩擦副，往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，摩擦副間產(chǎn)生潤滑油膜，從而改善動(dòng)壓潤滑效果[7-9]。

圖1 錐臺(tái)微造型結(jié)構(gòu)

1.2 仿真模型

摩擦副間運(yùn)動(dòng)具有周期循環(huán)性，故忽略微凹坑間相互影響，將摩擦副簡化為l×l的微凹坑單元[10]，如圖3（a）所示。沿著微凹坑中心線剖開，得到微凹坑單元二維幾何模型，如圖3（b）所示。

圖2 錐臺(tái)微造型閥芯結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖3 錐臺(tái)微造型簡化流程和微凹坑單元流場幾何模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 微造型間隙高度方程

通過圖3 分析可知，閥芯、閥套組成的摩擦副間任意兩點(diǎn)在二維流場下的高度公式如下：

式中：Ω1、Ω2為錐臺(tái)微造型內(nèi)不同區(qū)域；θ為微造型形貌設(shè)定角度。

2.2 流場N-S方程的建立

為方便計(jì)算，做如下簡化：（1）視微凹坑中油膜厚度相同；（2）忽略溫度影響[3]；（3）閥芯始終處于水中；（4）除微凹坑單元區(qū)域外，其他區(qū)域均為光滑表面。得到簡化后的流場N-S方程如下[11]。

沿x方向：

沿z方向：

流體連續(xù)性方程：

2.3 承載力方程的建立

流體在錐臺(tái)微造型閥芯外表面的承載力方程[12]為：

2.4 微造型單元邊界條件的設(shè)置

視閥芯閥套壁面無位移，前后壁面視為帶壓降的周期邊界[13]，故邊界條件下的壓力梯度為：

式中：p0為微造型單元低壓端壓力；pn為高壓端壓力；L0為閥芯軸向長度。

3 參數(shù)設(shè)置

據(jù)煤礦水液壓安全閥實(shí)際工況和技術(shù)要求，設(shè)定微造型區(qū)域外摩擦副間隙h0＝3 μm，動(dòng)力黏度η＝1.003×10-3N·s/m2；壓力梯度為0.8 kPa/μm；微凹坑單元尺寸l＝60 μm；微造型半徑rp＝20 μm；閥芯速度U＝2.5 m/s[5]。本文研究深度與錐臺(tái)角度對基于錐臺(tái)微造型閥芯動(dòng)態(tài)潤滑性能和承載力的影響，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 影響參數(shù)設(shè)置

4 仿真與分析

利用Fluent 軟件仿真計(jì)算，得到微造型單元表面壓力分布云圖，不同參數(shù)下微造型單元?jiǎng)訅毫统休d力變化情況。

4.1 微凹坑單元壓力分布

圖4 錐臺(tái)微造型壓力云圖

圖4 所示為不同參數(shù)下微造型單元表面壓力云圖，圖4（a）、圖4 （b）為相同角度下不同深度的壓力云圖，圖4（a）、圖4 （c）為相同深度下不同角度的壓力云圖。由圖可知：（1）不同參數(shù)條件下，壓力分布趨勢大體相同；（2）高壓與低壓主要分布于收斂楔和發(fā)散楔區(qū)域，且正壓形成于收斂楔，負(fù)壓形成于發(fā)散楔；（3）最高絕對正壓力較最低絕對負(fù)壓力大，且正壓分布區(qū)域較負(fù)壓分布區(qū)域大，故形成正向承載力。

4.2 微凹坑單元壓力分析

圖5 所示為不同深度下閥芯表面壓力分布。圖中正負(fù)壓力峰值的x坐標(biāo)均位于發(fā)散楔與收斂楔區(qū)域，正壓與負(fù)壓分界點(diǎn)處位置x坐標(biāo)大于0，進(jìn)一步論證正壓區(qū)域較負(fù)壓區(qū)域大，可產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑。此外，由圖可知深度的變化影響錐臺(tái)微造型作用下閥芯表面壓力的幅值，深度越大，閥芯表面壓力幅值越大。

圖5 不同深度下閥芯表面壓力分布

圖6 不同角度下閥芯表面壓力分布

圖6 所示為不同角度下閥芯表面壓力分布。由圖可知，錐臺(tái)角度的變化影響錐臺(tái)微造型作用下閥芯表面壓力的幅值。當(dāng)20°≤θ≤40°時(shí)，閥芯表面壓力幅值隨角度的增大而增大；當(dāng)50°≤θ≤80°時(shí)，壓力幅值隨角度的增大而減??；θ＝40°、50°時(shí)，壓力幅值最大。因此，閥芯表面壓力幅值隨角度的增加先增大再減小，在40°≤θ≤50°間，存在一個(gè)最大壓力幅值，這有待進(jìn)一步研究確定。

4.3 承載力分析

微凹坑單元閥芯承載力如圖7 所示，基于錐臺(tái)微造型的閥芯承載力大于0，有效減少摩擦副間的摩擦磨損；深度與角度均影響閥芯承載力變化，在不同深度下閥芯承載力隨深度的增大而增大，而不同角度下閥芯承載力隨角度的增大先增大再減小。

圖7 微凹坑單元閥芯承載力

5 結(jié)束語

（1）基于錐臺(tái)微造型的煤礦水液壓安全閥閥芯表面可產(chǎn)生動(dòng)壓力，有效提升動(dòng)壓潤滑性能，減少摩擦磨損。

（2）基于錐臺(tái)微造型的閥芯表面壓力分布受深度和角度變化影響，壓力幅值隨深度的增大而增大，隨角度的增大，先增大后減小。

（3）閥芯表面承載力受深度和角度變化影響，承載力大小隨深度的增大而增大，隨角度的增大，先增大后減小。因此，深度的增加與合適的錐臺(tái)角度可提高閥芯動(dòng)壓潤滑性能。