固体颗粒物诱发溢流阀调压失效的作用机制

Functional mechanism of relief valve pressure maladj ustmentinduced by solid particlesJI Hong，LIU Xin-qiang，ZHENG Zhi，WANG Jin-lin(College of Energy and Power Engineering，lmnzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China)Abstract：Aimed at the phenomenon of pressure maladj ustment occurred practicaly in pilot-operated re。

1ief valve，the internal flow field in fitting gap of the main poppet of this valve with ring groove was calcu-lated numericaly by using Eulerian-Eulerian multiphase flow model in software FLUENT for solid-liquidtwo-phase two-dimensional axisymmetric flow.The research results showed that the solid particles gatherdensely in ring groove.The volume fraction of solid particles around semilunar zone was ten times higherthan that at inlet，but it was lOW near main stream and at bottom.When the direction of the spool motionreversed to that of pressure gradient，the outlet gap of the ring groove would submerse into the semilunarzone and partial particles would implant into the gap behind the ring groove，leading to spol sticking andinducing pressure maladjustment。

Key words：pilot .operated relief valve；pressure maladjustment；ring groove；particles gathering；numer .ical sim1lation溢流阀在液压系统中起恒压(调定系统压力)或限压(安全阀)的作用，其自身就是-个恒压调节系统，它是各种液压系统中唯-不可缺少的控制元件，其可靠性直接决定了系统的可靠性和安全性.其中，先导式溢流阀通流能力大、调压精度高，应用十分广泛.溢流阀-旦调压失效将导致液压系统及其装备中出现压力无法建立、动作无力、无法动作等严重问题.据统计，液压系统中7O 以上的故障是由油液收稿日期：2013-04-07基金项目：国家自然科学基金(51075194)，湖南势技厅重大专项(2011FJ1046)作者简介：冀 宏(1972-)，男，陕西宁陕人，博士，教授，博导。

及其污染所造成的[1]，油液污染可导致阀芯运动卡滞或卡紧问题，液压阀卡滞、卡紧严重威胁着液压系统的稳定性、安全性和可靠性[2].文献[3]从滑阀的节流温升和形变角度研究了卡阀问题.目前，污染颗粒对液压阀性能影响的研究大多集中于定性分析和实验，有的研究者通过污染磨损试验，测试了固体颗粒污染物对先导式溢流阀动、静态性能的影响[4].关于液压阀内配合间隙内污染颗粒的运动及分布、作用机制的文献尚未见到报道.耐污染、高可靠性液压阀已成为高端设备及军用装备的迫切需要。

作者在进行液压电机泵[5]的溢流阀加载试验中，两次出现系统压力从 18 MPa开始无法向更高第 4期 冀 宏等：固体颗粒物诱发溢流阀调压失效的作用机制 ·47·压力调节(伴随压力抖动现象)，但可在 18 MPa以下范围稳定调压的现象.为此，通过清洗先导式溢流阀主阀(主阀芯、阀体)，均有效解决了压力失调问题，压力可非常平稳地在 0 MPa至额定压力(22MPa)范围调节.作者分析认为，油液中的固体颗粒粒径很小，阀内阻尼孔不易阻塞，由于阀口液流的高速运动，导阀、主阀阀口也不会有颗粒物驻留，并初步判定为主阀芯上配合间隙中固体颗粒物导致了阀芯卡滞从而引起调压失效.本文利用 FLUENT中的欧拉多相流模型对先导式溢流阀中带有均压槽的主阀配合间隙内流厨行液固两相流二维轴对称数值计算，发现和揭示出了具有普适意义的固体颗粒物诱发阀芯卡滞的作用机制，本研究对于深入认识油液污染影响液压阀性能的机理和高可靠性液压阀的创新具有重要指导意义。

1 带均压槽的配合间隙C皿 模型1.1 计算模型图 1为三节同心式溢流阀结构图，主阀芯和阀体之间有配合间隙I和配合间隙Ⅱ(见图la)，主阀芯上有多个矩形均压槽(见图lb).当进口流量不变或变化较小时，进口压力调高过程中，主阀口自动减小，主阀芯相应地向下运动(见图 la)。

(a)先导式溢流阀均压梧(b)主阀芯图 1 先导式溢流阀及主阀芯F 1 Pilot-elwz'ated- 时 valve and its main poppet由于配合间隙内流场关于阀芯轴线对称，为了减少计算量，建立如图2所示的配合间隙内流场二维轴对称计算模型，对称轴为阀芯轴线，具体尺寸标于图中，单位为 mm.配合间隙 I中进口压力 P 为主阀芯上腔压力，间隙出口压力 Pz为回油压力，配合间隙Ⅱ中 ，为主阀芯下腔压力， z为主阀芯上腔压力。

8.6p-亡i于 二 pz主阀芯均压槽(a)配合间隙(b)配合间隙局部放大图2 配合间隙内流称算模型Fig.2 CFD model of flow field in fitting gap图3为计算模型的局部网格划分，采用结构化网格，网格数量约为 4.86万。

图3 局部网格划分Fig.3 Local mesh1.2 计算条件FLUENT提供的多相流模型中，欧拉-拉格朗日模型将液体作为连续相，将颗粒作为离散相，直接计算颗粒物的运动.其优点是计算得到颗粒物的运动轨迹，颗粒物在流场中的分布与演化情况清晰可见，但其缺点为离散相的体积分数-般不能超过10 ，且计算量大。

液压阀中颗粒相较稀，但在局部有聚集现象，局部颗粒相体积分数较大，目前欧拉-拉格朗日模型处理稠密颗粒相的算法尚不成熟，故本文用欧拉-欧拉模型对流体与颗粒物进行模拟.在欧拉-欧拉模型中，颗粒物也作为连续相处理并占据-定的体积分数.本文中固液两相之间曳力函数选择 Syamlal-Obrien模型.计算采用标准 k-e湍流模型。

欧拉模型通用形式方程[6]：q相的连续方程为 n( )V·( '， )∑ (1)pl式中： 为q相的体积分数， 为q相的密度， 为q相的速度，m 为P相与q相之间质量传递引起的源项。

q相的动量方程为(口 口，口)V·(口 口'，口'，口)-第 4期 冀 宏等：固体颗粒物诱发溢流阀调压失效的作用机制 ·49·面突缩，主流流速增大，固相速度也增大。

综上所述，半月形颗粒聚集是占有-定体积分数(O.05)的固液两相流流入、流出均压槽时，固相和液相重新建立平衡的结果。

由图4可知，若阀芯移动方向与间隙中压力梯度相反时(即主阀口减小时，溢流阀压力调高)，则均压槽出口间隙浸入颗粒高体积分数区，部分颗粒在压差作用下可嵌入或驻留在问隙中.若阀芯移动方向与压力梯度相同时(即主阀口增大时，溢流阀压力调低)，则均压槽出口间隙将远离颗粒高体积分数区。

3 均压槽对配合问隙内颗粒分布的影响为了定量地显示间隙内颗粒的分布情况，在均压槽人口及间隙中建立如图7所示的坐标系，图中X方向是间隙中线方向，现以z方向的轴向位置为横坐标和以固相体积分数为纵坐标Y来显示均压槽间隙内固相颗粒物体积分数的轴向变化曲线.图8和图 9均是在此坐标下绘制的曲线。

图 7 配合间隙入 口坐标 系F 7 Coordinate system at gap inlet图 8为有均压槽和无均压槽时间隙内固相体积分数分布的变化曲线，图9为带有均压槽的配合间隙内压力变化曲线.图8a是配合间隙I有均压槽和无均压槽时固相体积分数分布的变化曲线.从图8a可以看出有均压槽时，固相体积分数在均压槽中线上出现突变，最大值达到 0.3，随着流动方向，均压槽中线上固相体积分数峰值基本不变，均压槽内压力相等，两槽之问的压力呈线性下降，如图 9所示。

而在两个均压槽之间的配合间隙，沿流动方向固体颗粒体积分数逐渐增大；没有均压槽时，其值约为0.06，无较大变化。

图8b是配合间隙Ⅱ内固相体积分数分布的变化曲线.从图8b可以看出有均压槽时，固相体积分数在均压槽中线上出现突变，最大达到 0.4，比配合间隙I峰值更高，随着间隙内流动方向，压降小且变化平缓.后部的均压槽中线上固相体积分数峰值有所减小，在两均压槽之间的配合间隙内固相体积分籁罂匦-3O-25.20. 15. 10.050.4OO35籁 03O0.25篓o.20罂 0.15围0.1O0.O5O 0.0o2 0.004 0.006 0.008 0.010间隙轴向位置/m(a)配合间隙 I间隙轴向位置/m(b)配合间隙II图8 配合间隙内固相体积分数的变化n晷8 Variationof蚰1.d volmnefractionin gap图 9 带有均压槽的配合间隙内压力的变化№ 9 Pressure variationin gapwith ri groove数为 0.05；无均压槽时，间隙内固相体积分数为0.05，无明显的变化。

配合间隙I和Ⅱ在有无均压槽情况下的颗粒分布对比说明，在阀芯上开均压槽会造成固体颗粒在均压槽内的高度聚集。

4 固体颗哩滞阀芯的简化力学模型根据前文的计算分析，可建立固体颗哩滞阀芯的力学模型，如图 1O所示.图 lOa是根据图 4固相体积分数分布绘制的颗粒在间隙及均压槽内的分布示意图.本文将固体颗粒分为嵌入颗粒和自由颗粒，其中，嵌入颗粒定义为界面同时与阀体、阀芯边界相接触的颗粒；自由颗粒为界面非同时与阀体、阀芯边界相接触的颗粒。

实际中阀芯并非具有理想轮廓，而是存在-定8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 日 R· 5O· 兰 州 理 工 大 学 学 报 第 39卷阀体(a)颗粒分布示意图嵌入颗粒(b)简化力学模型图 lO 固体颗哩滞阀芯的简化力学模型Fig.10 Simplified mechanical model of spool clampinginduced by s0I.d particles的圆柱度、粗糙度和偏心，可简化为如图lOb所示的力学模型.当阀芯在驱动力 Fd下向左移动时，颗粒在间隙内压力梯度下从半月形的高度聚集区侵人间隙，当到达与颗粒粒径相等的间隙宽度时，嵌入颗粒对阀芯运动产生阻力 F ，可以将力 分解为轴向力F 和径向力F扫，如图 10b所示，其中轴向力 与阀芯运动方向相反.在实际结构中配合间隙内可能同时存在许多嵌入颗粒，记所有嵌入颗粒产生的轴向力合力为 Ff：Fr- (3)f 1式中：i为嵌入颗粒编号，F 为第 i个嵌入颗粒对阀芯的轴向分力。

Ff主要撒于嵌入颗粒前后的压差以及其尺度.当 Fr(忽略其他阻力时)较大或大于阀芯驱动力Fd时，可导致阀芯卡滞或卡紧现象。

5 结论1)固体颗粒物在均压槽内有高度聚集现象，均压槽内贴近阀体壁面的半月形区域中固相体积分数最大值为进口的1O倍左右，液流主流束和均压槽底部固相体积分数较低.无均压槽的配合间隙中颗粒无聚集现象，固相体积分数与进I1大体相同。

2)当阀芯运动方向与间隙内压力梯度方向相反时，均压槽出口间隙将浸入高体积分数固相区，部分颗粒在压差作用下将嵌人均压槽出II后的间隙中，引起阀芯卡滞，进而诱发调压失效.当阀芯运动与间隙内压力梯度同向时，均压槽出口后的间隙将远离高体积分数固相区。

3)提出了固体颗哩滞阀芯的简化力学模型，将固体颗粒分为自由颗粒、嵌入颗粒，其中嵌入颗粒定义为界面同时与阀体、阀芯边界相接触的颗粒，嵌人颗粒对阀芯具有卡滞作用，而自由颗粒对阀芯运动无影响。