滑阀间隙模型中单颗粒运动的可视化研究

发布时间：2020-08-28 12:51

　　滑阀是液压阀的基本结构形式之一,其高度一般为数微米至数十微米,工作过程中,侵入配合间隙的敏感固体颗粒,可能会造成运动副摩擦磨损,甚至诱发滑阀滞卡现象,严重影响液压系统的正常工作。因此,研究滑阀间隙中固体颗粒的运移特性对揭示滑阀滞卡机理,提出滑阀抗污染方法,提高液压系统可靠性具有重要意义。本文以实验手段为主,结合理论分析和数值计算,探索单个固体颗粒在滑阀间隙模型中的运移特性。设计简化放大的可视化实验模型,搭建实验台,用高速摄像方法获得单固体颗粒的瞬时运动图像。理论方面,对滑阀间隙中固体颗粒的形貌进行等效参数化,分析滑阀滞卡机理,对滑阀间隙原型和实验模型中单个固体颗粒的受力进行分析和简化,得到两种情况下颗粒所受的主要作用力。简单介绍了COMSOL Multiphysics仿真软件,调用其中的流固耦合模块,选择移动网格法作为数值研究方法。数值模拟方面,计算单个正方形颗粒在滑阀间隙二维放大模型中的瞬时运动过程,发现颗粒在间隙中运动时发生了旋转现象,其运动轨迹上下波动,呈正弦线状分布;颗粒从间隙进入矩形均压槽时,卷入均压槽的流场漩涡中,绕均压槽壁面旋转运动,难以流出均压槽,颗粒自身也在旋转;均压槽大小对颗粒运动轨迹影响不大,均压槽形状对颗粒的运动轨迹有一定影响。实验方面,根据滑阀间隙原型结构研制放大的可视化实验模型,设计搭建单个固体颗粒在模型中运动的可视化实验台,设计制作1mm3的铝质金属颗粒,选择纯净水作为液相介质,用高速摄像方法获得单个颗粒在可视化模型中瞬时运动过程的清晰图像。实验结果表明:颗粒在间隙流场中翻滚前进,运动过程中发生了三维旋转现象,运动轨迹近似呈正弦状;多个颗粒进入矩形均压槽后,随着流场压力的建立,其运动轨迹有所变化;改变均压槽大小,对颗粒运动轨迹影响不大;改变均压槽形状,颗粒运动轨迹不同。结果表明固体颗粒在间隙流场中运动时发生了旋转现象,由于运动副表面微观形貌不规则,颗粒的旋转运动使其与配合间隙表面接触、摩擦,当阀芯动作时,有可能诱发滑阀滞卡。在不同条件下,颗粒会滞留在均压槽内或流出均压槽。这为探索固体颗粒滞卡滑阀机理提供了新的思路,为防止颗粒进入间隙,引导颗粒流出间隙,消除滑阀滞卡现象有重要意义。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH137.52
【部分图文】：

先导式溢流阀,主阀

硕士学位论文芯上的均压槽形状、大小，间隙内颗粒物运动特性等因素均会对间隙内流场造成不同程度的影响，有可能引发滑阀滞卡现象。在实际工作中，若出现滑阀滞卡，将会造成控制阀响应迟缓，严重时会造成阀芯完全卡住，致使换向阀不能换向等现象，甚至威胁相关设备及工作人员的人身安全[13]。

多路阀,阀芯,滑阀

污染结构,液压阀,滑阀

变形后的间隙均压槽内固体颗粒更易高度聚集。杨旭博[43]运用Fluent 和ABAQUS 仿真软件对U形阀口进行流固热耦合计算，探究了阀口开度、阀口压差和阀口流量、节流槽个数、高度和特征深度对滑阀内流场、阀芯温度场、应力应变场和形变场的影响。瞿道海等[44]针对稳态液动力影响溢流阀调压精度的问题，建立了内流式滑阀液动力数学模型，利用 CFD 仿真了考虑配合间隙的滑阀模型，并搭建了试验平台以验证模型的正确性，研究了不同配合间隙对滑阀稳态液动力的影响。Wenhua Jia[45-47]等将实际生产中阀体与阀芯的锥形配合间隙流场沿圆周展开成一圈倾斜平面缝隙，建立了带偏心距和一定锥度的滑阀卡紧力学模型，但其有一定的适用范围，不能应用于所有工况。针对滑阀污染滞卡的解决方案也取得了一定研究成果。刘新强、冯贻江等[48-49]针对滑阀间隙中敏感颗粒造成的滑阀污染滞卡问题，分析滑阀、阻尼孔受污染物影响失效原因。设计了挡污环形槽、微型过滤器两种液压阀抗污染结构，并通过增设间隙过滤槽（如图 1.3），设计了一种抗污染先导式溢流阀，可以减少固体颗粒进入液压阀配合间隙，有效提高滑阀抗污染能力。

【参考文献】