纯水介质双向液压锁研究

周新建，路永锋，刘司宇，田妍

(西安科技大学机械工程学院，陕西西安 710054)

0 前言

纯水作为液压系统最理想的传动介质，与传统油介质相比，它具有成本低、无污染、阻燃性和安全性好、系统简单等诸多优点，它是以天然水(海水或淡水)代替矿物油作为液压系统工作介质的一门绿色技术，由于其诸多优点和人们环保意识的不断提高，近年来受到了各国液压界的广泛重视[1-2]。

双向液压锁作为液压系统中最常用的锁紧阀类之一，常用来保持液压系统压力、液压缸的“支撑”、锁紧、大流量排液等，其性能的优劣对于液压系统有着至关重要的影响[3]，因此研制纯水介质双向液压锁对于推动整个水压传动发展具有非常重要的现实意义。

纯水介质虽然相较于油介质具有更多的优点，但同样也面临着比油介质更大的技术难题，其中气蚀现象是最为突出的难点之一。由于水介质和油介质理化性质的不同，水介质会产生比油介质更为严重的气蚀现象。气蚀不仅会影响阀的性能和精度，引起震动和噪声，而且其产生的高压冲击波还会严重破坏阀芯和阀体表面，使流体中的微粒撞击表面，造成阀表面受损，缩短阀的使用寿命[4-7]。水的汽化压力高、弹性模量大，使得相同条件下纯水液压元件遭受的气蚀破坏程度要比油压元件严重上百倍[8-12]，尤其对于经常处于大压差、变流量工况下的双向液压锁，其阀口处的气蚀现象最为突出[12-15]。所以抑制阀口处气蚀成为提高纯水介质双向液压锁性能、延长其寿命的关键。

本文作者以SSF2A型双向液压锁为研究对象，从流场控制的角度出发，对纯水介质双向液压锁气蚀现象展开研究。

1 双向液压锁组成及其工作原理

图1所示为该型双向锁三维剖视图，其两边由2个液控单向阀组成，阀芯结构为锥阀结构，中间部分为控制活塞及顶杆。

图1 双向液压锁三维剖视图

图2所示为该型双向锁工作原理，当A口通高压油时，高压油液顶开阀芯4，经C口进入液压缸，推动液压缸活塞向右移动，而在液压锁的右侧，顶杆5由于受左侧高压油作用向右移动，从而推开右侧单向阀阀芯，右侧单向阀打开，液压缸右侧油液经D口流入B口流出，从而实现液压缸活塞向右移动；当A口停止供液时，两边单向阀阀芯在弹簧力和油液压力的作用下关闭，且液压缸内的液压力越大密封效果越好，同样，当B口通高压油时，工作原理亦相同。

图2 双向锁内部结构及工作原理

2 建立几何模型

2.1 阀道几何模型

由于阀口处经常处于大压差、变流量的工况下，导致阀口处成为气蚀现象最集中、最严重的区域，所以针对阀口处进行优化设计是实现抑制气蚀的关键。

文中设计了3种阀道改进方案，通过对比研究从中选取最佳设计方案，图3所示为各阀道结构。图3(a)是改进前阀道结构，阀座长度8 mm，进水口直径为9 mm；图3(b)是方案1阀道结构，采用二级节流，将阀套设计为球形，并且开设高压引流孔，阀芯形式为锥阀结构；图3(c)是方案2阀道结构，阀芯一级节流处采用半球形阀芯并开设高压引流孔，在阀芯过渡处设计了曲线过渡形式，二级节流阀芯采用锥形阀芯，同样开设高压引流孔；图3(d)是方案3阀道结构，两级节流均采用锥形阀芯，过渡处采用直线，分别在阀套处和二级节流处开设高压引流孔。以上改进方案阀套长度与进水口直径均保持不变，所开设高压引流孔直径均为0.2 mm。

由于上述阀道均为轴对称结构，所以可以简化为图4所示的二维轴对称模型。如图4(a)为改进前阀道计算区域，oo1为对称轴线，oa为入口，ef为出口，o1ihg为阀芯边界，abcdef为阀体边界，gf为假想边界；图4(b)为改进方案1阀道计算区域，oo1为对称轴线，oa为入口，fg为出口，o1ih为阀芯边界，abcdefg为阀体边界，hg为假想边界；图4(c)为改进方案2阀道计算区域，oo1为对称轴线，oa为入口，ef为出口，jo1ihg为阀芯边界，abcdef为阀体边界，gf为假想边界；图4(d)为改进方案3阀道计算区域，oo1为对称轴线，oa为入口，fg为出口，lo1ih为阀芯边界，abcdefg为阀体边界，hg为假想边界。

图4 二维轴对称模型

2.2 边界条件

在入口和出口分别处采用压力入口以及压力出口，入口压力设置为31.5 MPa，出口压力为大气压，壁面采用无滑移壁面。求解器使用耦合求解算法(Coupled)。

3 数学模型

3.1 基本方程

考虑到主阀口结构的对称性，可将其简化为二维轴对称模型，并假设流体不可压缩，其质量方程为

(1)

动量方程为

(2)

3.2 气穴模型

气体体积分数方程：

(3)

式中：αa为气相体积分数；ρa为气相密度；ma1为气相与液相之间的质量转换。

ρ=αaρa+(1-αa)ρ1

(4)

(5)

(6)

式中：ρ1为液相密度；ρ为平均密度；(1-αa)为液相体积分数；pV为汽化压力；R为气泡半径；n为单位体积的气泡数。

3.3 RNG κ-ε湍流模型

RNGκ-ε模型采用了Boussinesq假设的雷诺应力关联式：

(7)

在高雷诺数时：

(8)

湍流动能κ和湍流动能耗散率ε的输运方程为

(9)

其中湍动能生成项及平均应变率张量分量分别为

Gκ=2utsijsij

(10)

(11)

与标准κ-ε模型不同，在ε方程中考虑了非平衡应变率影响，引入了附加耗散生成项，即ε方程中是C1ε不再是常数。其他参数由理论计算获得，其值分别为：Cμ=0.084 5，C2ε=1.68，ακ=αε≈1.393。

(12)

4 仿真结果分析

数值计算结果采用Fluent完成，网格划分尺寸、进口压力均设置相同，得出4种阀道在不同阀口开度情况下的气穴分布云图，由此分析各个阀道在抑制气穴方面的能力。

图5所示为阀口开度在0.2 mm时的各阀道气穴云图。可知：改进前阀道气穴面积占据了整个出口的75%左右，气穴值大部分在0.64以上，最高值为0.8；改进方案1在一级节流口处与阀口处均有气穴分布，一级节流口处气穴值大部分不到0.3，气穴现象较为轻微，不会造成大的损害，阀口处气穴面积占整个出口面积的40%左右，气穴值大部分在0.4左右，最高值为0.8；改进方案2出口处气穴面积占整个出口面积的60%左右，中心区域值在0.67以上，最高0.83；改进方案3出口处气穴面积占整个出口面积的70%左右，气穴值在0.09～0.98，最高0.98。

图5 阀口开度0.2 mm流场气穴分布云图

图6所示为阀口开度在0.4 mm时的各阀道气穴云图。可知：改进前阀道气穴面积占据了整个出口面积的70%左右，气穴值大部分在0.62以上，最高值为0.78；改进方案1在一级节流口处与阀口处均有气穴分布，一级节流口处气穴大部分值在0.39左右，气穴现象轻微，阀口处气穴面积占整个出口面积的35%左右，气穴值大部分在0.39左右，最高值为0.79；改进方案2气穴面积占整个出口面积的40%左右，气穴值大部分在0.55以上，最高值0.78；改进方案3气穴面积占整个出口面积的45%左右，气穴值大部分在0.58以上，最高值0.83。

图7所示是阀口开度在0.6 mm时的各阀道气穴云图。改进前阀道气穴面积占整个出口面积的40%左右，气穴值大部分在0.63以上，最高0.79；改进方案1在一级节流口处与阀口处均有气穴分布，一级节流口处只有很小一部分，其值不到0.2，几乎不会造成危害，阀口处气穴面积占整个出口面积的15%左右，气穴值大部分在0.34左右，最高值为0.68；改进方案2气穴面积占整个出口面积的38%左右，气穴值大部分在0.58以上，最高值0.83；改进方案3气穴面积占整个出口面积的39%左右，气穴值大部分在0.65以上，最高值0.82。

图6 阀口开度0.4 mm流场气穴分布云图

图7 阀口开度0.6 mm流场气穴分布云图

综上可知，随着阀口开度的增大，各个阀道产生的气穴现象不论是在面积上还是程度上都呈下降趋势，表明阀口开度越大气穴危害越小，反之亦然；而从仿真结果来看，改进方案1不论是气穴发生的面积还是程度上都比其他3种阀道要小很多，改进方案2相较于改进前和改进方案3在抑制气穴方面性能要优，尤其是在减小气穴发生面积上最为明显。

5 实验验证

5.1 实验方案设计

根据以上流场仿真结果，将所设计的几种结构进行实物加工，并搭建相应实验台对其防气蚀性能进行实验验证。图8所示为所加工的双向液压阀芯和阀座，图9所示为双向液压锁总装实物。临界气穴指数Kc是衡量气穴水平的重要指标，所以通过实验得出临界气穴指数Kc便可以检验以上设计方案的抗气穴水平，临界气穴指数越大，气穴越不容易发生，反之亦然。其计算公式如式(13)所示：

(13)

式中：Kc为临界气穴指数；p出为出口压力；pv为水的汽化压力；p入为入口压力。

图8 双向液压锁阀芯阀座实物

图9 双向液压锁实物装配

参照GB 25974.3—2010《煤矿用液压支架 第3部分：液压控制系统及阀》及相关纯水介质阀特性实验，设计出图10所示纯水介质双向液压锁实验台。泵站1为系统提供压力，经蓄能器组5积聚能量，实验时插装阀组 7 迅速打开，推动增压缸12进行增压，在被试双向液压锁左端形成高压，使压力达到双向液压锁实验所需压力值，泵站13用来为增压缸12充液和为被试双向液压锁提供控制口供液。

图10 纯水介质双向液压锁实验系统原理

5.2 实验结果分析

查阅相关文献可知，一般认为气穴指数约在大于0.3时不会发生气穴，且气穴指数越高，发生气穴的概率越低。图11所示为双向液压锁各方案气穴指数。

图11 双向液压锁各方案气穴指数

由图11可知：改进前双向液压锁气穴指数要低于其他改进方案，即最易发生气穴；而改进方案1的气穴指数要高于其他方案，在0.2 s左右气穴指数上升到0.3以上，改进前阀道在0.4 s左右时气穴指数才上升到0.3，表明改进方案1的防气穴水平相较于传统阀道结构提高了50%左右，防气穴能力最佳；方案2的气穴指数总体低于方案1但要优于方案3，即可得出4种结构的防气蚀能力：方案1>方案2>方案3>改进前。综上可知，实验结果与仿真结果基本一致，证明了上述研究的可靠性。

6 结论

(1)文中对阀口结构的优化设计可以极大地减少双向液压锁的气穴现象，降低气蚀对阀的破坏。所以在纯水阀的设计中，应积极考虑采用结构优化的方式实现抑制气穴。

(2)通过几种结构的对比可以发现：球形结构相较于其他直面结构具有更好的防气穴效果，可以在未来纯水阀的设计中优先考虑使用，这也为之后的设计制造提供了重要参考。