不同織構(gòu)參數(shù)對(duì)液流沖擊力的影響規(guī)律

余煥然，曾良才，周仁斌

(1.武漢科技大學(xué)，冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430064；3.武漢科技大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081)

0 前言

在伺服液壓系統(tǒng)中﹐提高液壓缸的頻率響應(yīng)速度是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)大功率高精度控制的關(guān)鍵，也是液壓件輕量化的需求?；钊透淄查g的界面液固耦合摩擦阻力是限制液壓缸高速運(yùn)動(dòng)的首要問(wèn)題，而利用“表面織構(gòu)技術(shù)”能夠有效提高動(dòng)壓潤(rùn)滑性能。通過(guò)改變活塞表面的紋理或織構(gòu)，能夠改善表面的機(jī)械、物理以及化學(xué)性能。于海武等基于Reynolds 方程，構(gòu)造了表面織構(gòu)的潤(rùn)滑模型，并通過(guò)該模型研究表面織構(gòu)形貌參數(shù)以及微凹坑排布形式等因素對(duì)潤(rùn)滑油膜承載力的影響，得到了凹坑織構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)解。CARAMIA等利用 FLUENT軟件，對(duì)具備微變形特性的兩個(gè)平行表面之間的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑進(jìn)行了2D 數(shù)值研究，得到了凹坑織構(gòu)最優(yōu)深度值。

但是，隨著液壓缸速度的提高，存儲(chǔ)在微納織構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生的液流沖擊力會(huì)增大，從而阻礙液壓缸的高速運(yùn)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)液動(dòng)力的研究主要針對(duì)的是穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力對(duì)各種閥工作的影響。方桂花和胡賢東探究了不同節(jié)流槽深度和寬度對(duì)閥芯流量特性及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響，仿真結(jié)果表明當(dāng)節(jié)流槽深度與寬度變大時(shí)，閥口處的流量及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)；但是，節(jié)流槽深度對(duì)流量以及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響更大。田曉俊和李等言以常規(guī)平板閥為研究對(duì)象進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，得到平板閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力力矩的分布規(guī)律，通過(guò)分析壓力場(chǎng)，優(yōu)化了平板閥的結(jié)構(gòu)尺寸，使得平板閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力力矩變小，達(dá)到優(yōu)化效果。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)诳棙?gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和液動(dòng)力的分析、計(jì)算等方面進(jìn)行了大量有益的研究，但是在分析過(guò)程中主要研究的是織構(gòu)形貌和幾何參數(shù)對(duì)油膜上表面壓力及摩擦性能的影響，忽視了高速運(yùn)動(dòng)時(shí)織構(gòu)內(nèi)運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生的液流沖擊力對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)的影響。本文作者以振動(dòng)結(jié)晶液壓缸為研究對(duì)象，運(yùn)用COMSOL軟件，得到織構(gòu)壁面壓力分布，通過(guò)對(duì)其表面積分直接求解得到織構(gòu)軸向的穩(wěn)態(tài)液流沖擊力;對(duì)不同參數(shù)織構(gòu)進(jìn)行仿真分析，探究織構(gòu)參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以振動(dòng)結(jié)晶液壓缸中的活塞為研究對(duì)象，在活塞表面均勻加工一種方形微織構(gòu)凹坑，織構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 活塞表面方形織構(gòu)幾何模型

考慮到缸筒和活塞的密封間隙和微織構(gòu)徑向尺寸遠(yuǎn)低于缸筒尺寸，在理論上忽略?xún)烧咧g油膜曲率半徑造成的影響，將活塞表面展開(kāi)成平面進(jìn)行研究，如圖2所示。表面織構(gòu)在活塞表面呈現(xiàn)周期性分布的特點(diǎn)，因此每個(gè)織構(gòu)單元區(qū)域中存儲(chǔ)的運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生的液膜阻力和液流沖擊力也呈現(xiàn)周期性變化。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，選擇單個(gè)正方形織構(gòu)單元作為研究對(duì)象。織構(gòu)單元邊長(zhǎng)為、方形織構(gòu)凹坑的邊長(zhǎng)為、織構(gòu)深度為，則微織構(gòu)的面積率可表示為

圖2 方形織構(gòu)摩擦副示意

=

(1)

引入深徑比來(lái)表征織構(gòu)凹坑深度和寬度的比值：

=

(2)

1.2 穩(wěn)態(tài)液流沖擊力理論分析

液壓缸缸筒與活塞間的間隙充滿(mǎn)牛頓體的液壓油，存儲(chǔ)在微織構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液流沖擊力是液流通過(guò)織構(gòu)流道時(shí)由于液流的動(dòng)量變化而產(chǎn)生的作用在活塞上的附加力。因?yàn)楦左w內(nèi)部的油腔對(duì)稱(chēng)分布在活塞的四周，所以活塞所承受的徑向力互相抵消，只需要考慮沿活塞芯軸線(xiàn)方向的穩(wěn)態(tài)液流沖擊力。式(3)是運(yùn)用動(dòng)量定理計(jì)算穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的公式：

=cos-cos

(3)

式中：為流入速度；為流出速度；為流體密度；為流量；為流入射流角；為流出射流角；為動(dòng)量修正系數(shù)。

沿著液流流動(dòng)方向，當(dāng)液壓缸受到偏載或其他裝配原因時(shí)，使得摩擦副未能保持理想狀態(tài)的平行平面，就會(huì)產(chǎn)生楔形傾角，如圖3所示。考慮到此液壓缸活塞桿直徑為30 mm、活塞部分織構(gòu)覆蓋區(qū)域?yàn)?0 mm、密封間隙為10 μm，活塞桿極限偏心角度為

圖3 摩擦副織構(gòu)單元流場(chǎng)示意

(4)

由于極限偏心角度過(guò)小，在分析時(shí)可忽略偏心角度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響，令==0°，代入公式(3)可得穩(wěn)態(tài)液流沖擊力公式為

=-

(5)

穩(wěn)態(tài)液流沖擊力是因?yàn)榱黧w流動(dòng)、織構(gòu)壁面壓力分布發(fā)生變化而產(chǎn)生的，因此織構(gòu)凹坑內(nèi)表面所受到的軸向力，可以通過(guò)對(duì)織構(gòu)軸向面所受到的壓力進(jìn)行表面積分得到。通過(guò)壓力積分求解液動(dòng)力的表達(dá)式為

(6)

式中：為壁面壓力;為活塞軸向正方向;為織構(gòu)軸向受力壁面。

單個(gè)織構(gòu)內(nèi)壓力分布均呈拋物線(xiàn)形，線(xiàn)性排列后的織構(gòu)結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣，每個(gè)織構(gòu)單元的壓降Δ可看作基本相等，因此織構(gòu)油膜邊界條件為

(7)

式中：Δ為織構(gòu)單元兩端壓力差；為入口端供油壓力；為出口端供油壓力；為沿方向織構(gòu)單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件設(shè)置

采用COMSOL軟件對(duì)單個(gè)織構(gòu)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為簡(jiǎn)化計(jì)算，大部分區(qū)域使用自由三角形網(wǎng)格。由于流體經(jīng)過(guò)織構(gòu)凹坑時(shí)存在階梯，流道發(fā)生較大變化，流體流場(chǎng)特性一定會(huì)隨之產(chǎn)生急劇變化。為更精確地解析流場(chǎng)以及計(jì)算的收斂性，對(duì)織構(gòu)軸向受力面采用加密細(xì)化網(wǎng)格。利用標(biāo)準(zhǔn)壁面條件對(duì)壁面邊界進(jìn)行處理，流道入口邊界條件設(shè)為壓力入口，并將壓力值設(shè)為2 MPa;流道出口邊界條件設(shè)為壓力出口，并將壓力值設(shè)為0。流體介質(zhì)選用46號(hào)液壓油，油液的密度為870 kg/m，油液的動(dòng)力黏度為0.039 15 Pa·s，并視它為不可壓縮流體。潤(rùn)滑油流經(jīng)織構(gòu)區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，造成流層間干擾。因此，采用湍流模型更適合微織構(gòu)仿真模擬，選用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，設(shè)置穩(wěn)態(tài)求解。

2 仿真結(jié)果和分析

2.1 深徑比對(duì)織構(gòu)內(nèi)部液流沖擊力的影響

利用COMSOL繪制不同深徑比織構(gòu)化縫隙流線(xiàn)分布圖，對(duì)織構(gòu)化流道進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示，液流在通過(guò)織構(gòu)凹坑時(shí)會(huì)發(fā)生速度和方向的改變而引發(fā)回流現(xiàn)象，在凹坑直角處會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流對(duì)凹坑壁面有沖擊力。

圖4 不同深徑比織構(gòu)化縫隙流線(xiàn)分布

由圖4可知：當(dāng)深徑比為0.1時(shí)，微織構(gòu)凹坑內(nèi)幾乎不產(chǎn)生渦流；當(dāng)深徑比為0.2時(shí)，首先在微織構(gòu)凹坑左側(cè)產(chǎn)生了渦流現(xiàn)象，渦流產(chǎn)生的消極液流沖擊力會(huì)阻礙活塞運(yùn)動(dòng)；隨著深徑比的增加，渦流現(xiàn)象更加明顯，此時(shí)消極液流沖擊力對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的影響也逐漸增加，最后渦流幾乎充斥整個(gè)微織構(gòu)凹坑。

圖5所示為單個(gè)織構(gòu)在壓差分別為1、2、3、4、5 MPa下，穩(wěn)態(tài)液流沖擊力隨深徑比變化的仿真曲線(xiàn)?？芍阂毫鳑_擊力隨深徑比的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且壓差越大趨勢(shì)越明顯，在深徑比為0.2時(shí)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力最大。這是因?yàn)樯顝奖容^小時(shí)，織構(gòu)內(nèi)部未產(chǎn)生渦流，隨著深徑比的增加，液流對(duì)織構(gòu)壁面沖擊力起到的是促進(jìn)活塞運(yùn)動(dòng)的作用，穩(wěn)態(tài)液流沖擊力也就持續(xù)增加；隨著深徑比繼續(xù)增加，織構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的渦流會(huì)阻礙活塞的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的趨勢(shì)減緩；深徑比超過(guò)0.2后，消極液流沖擊力增加速度大于積極液流沖擊力的增加速度，造成穩(wěn)態(tài)液流沖擊力降低。因此，選擇深徑比為0.2的織構(gòu)能最大程度地減小消極液流沖擊力的影響。

圖5 深徑比對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

2.2 深度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

對(duì)比單個(gè)表面織構(gòu)在寬度分別為10、20、30、50 μm 條件下，不同織構(gòu)單元深度及面積比的共同作用對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響，結(jié)果如圖 6 所示?？梢钥闯觯寒?dāng)織構(gòu)寬度不變時(shí)，隨著深度增加，對(duì)應(yīng)的深徑比也會(huì)增加，此時(shí)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力先增加后減小，都會(huì)在深徑比為0.2時(shí)達(dá)到最大值。

圖6 不同面積比條件下深度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

織構(gòu)深度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力有重要的影響。大寬度(30、 50 μm)的織構(gòu)在超過(guò)最優(yōu)深徑比0.2后，其深度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響較小。當(dāng)深度較低時(shí)，織構(gòu)內(nèi)未產(chǎn)生渦流，幾乎不存在消極液流沖擊力，所以隨著深度增加穩(wěn)態(tài)液流沖擊力也不斷增加；當(dāng)深度逐漸增加時(shí)，織構(gòu)底部的渦流現(xiàn)象也會(huì)不斷增強(qiáng)(如圖 4所示)，直到形成“旋渦”，產(chǎn)生的湍流影響了凹坑壁面受到的壓力，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)液流沖擊力逐漸減小。因此，寬度一定時(shí)存在最優(yōu)深度使織構(gòu)內(nèi)部消極液流沖擊力最小，面積比的變化并不影響最優(yōu)織構(gòu)深度的取值。

2.3 寬度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

不同織構(gòu)寬度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響如圖 7 所示?？芍?，當(dāng)深度較小時(shí)(1 μm)，隨著寬度增加，穩(wěn)態(tài)液流沖擊力呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)。產(chǎn)生該趨勢(shì)的原因是深度過(guò)小導(dǎo)致深徑比過(guò)小，而且隨著寬度增加，深徑比也隨之減小，從而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)液流沖擊力也逐漸減小。當(dāng)織構(gòu)深度較大時(shí)，隨著寬度的增加穩(wěn)態(tài)液流沖擊力先增加后減小，在深徑比為0.2時(shí)取得最大值。因此，當(dāng)深度一定時(shí)，存在最優(yōu)織構(gòu)寬度使穩(wěn)態(tài)液流沖擊力最大，且面積比的變化并不影響最優(yōu)織構(gòu)寬度的取值。

圖7 不同面積比條件下寬度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

2.4 面積比對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

在獲得最優(yōu)織構(gòu)深徑比后，進(jìn)一步分析織構(gòu)面積比對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響，以期更好地改善液壓缸的運(yùn)動(dòng)性能。選取最優(yōu)深徑比織構(gòu)形貌中的一組數(shù)據(jù)(寬度30 μm，深度6 μm)進(jìn)行分析，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度=1 m/s、密封間隙=10 μm時(shí)，結(jié)果如圖8所示。可以看出：隨著面積比的增加，穩(wěn)態(tài)液流沖擊力先增加后減小，存在最優(yōu)面積比=49%，使穩(wěn)態(tài)液流沖擊力最大。

圖8 面積比對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

2.5 活塞速度對(duì)液流沖擊力的影響

液壓缸活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)工況需求不同，對(duì)應(yīng)的工作速度也不一樣，因此活塞速度可能會(huì)對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力有影響。對(duì)活塞速度在0～5 m/s時(shí)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 活塞速度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力的影響

由圖9可知：活塞速度對(duì)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力影響很大，存儲(chǔ)在微織構(gòu)凹坑中的運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生的消極液流沖擊力會(huì)隨活塞速度的增加而增加，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)液流沖擊力降低，從而阻礙液壓缸的高速運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

基于單相流動(dòng)的湍流模型，本文作者通過(guò)軟件COMSOL Multiphysics數(shù)值分析了不同參數(shù)織構(gòu)及活塞速度下織構(gòu)內(nèi)部的流場(chǎng)特性。結(jié)果表明:

(1)流體在經(jīng)過(guò)織構(gòu)凹坑時(shí)，速度和方向會(huì)產(chǎn)生急劇變化，隨著深徑比增加，從無(wú)渦流現(xiàn)象到凹坑局部產(chǎn)生旋渦，逐漸充滿(mǎn)整個(gè)凹坑，渦流現(xiàn)象會(huì)對(duì)凹坑內(nèi)部液流沖擊力產(chǎn)生消極影響；

(2)穩(wěn)態(tài)液流沖擊力會(huì)隨著織構(gòu)深徑比或面積比的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在深徑比為0.2、面積比為49%時(shí)可取得最大值；

(3)織構(gòu)內(nèi)消極液流沖擊力會(huì)隨活塞速度增加而增加，從而阻礙液壓缸的高速運(yùn)動(dòng)。