液压滑阀热-粒耦合滞卡微观机理的实验研究

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液压装备智能化、无人化、电动化的发展趋势,对液压系统的可靠性提出了更高要求。滑阀是液压系统中应用最为广泛的精密控制元件,其配合间隙尺寸一般为520μm。在实际工作中,由于热形变和颗粒污染等微观因素,滑阀阀芯会受到远大于常规摩擦力的“滞卡力”,从而导致系统性能劣化、失效,甚至造成机毁人亡的后果,因此液压可靠性问题,一定程度上就是滑阀滞卡问题。滑阀滞卡现象具有随机性,目前对其微观机理、内在规律仍缺乏深入认识,尤其缺乏深层次、微观层面的实验研究和系统的数据支持。基于本文提出的嵌入式滑阀温度分布测量方法和滑阀滞卡力测量装置,结合理论分析和联合仿真技术,获得了滑阀内部温度分布及热形变特征,以及热形变、固体颗粒作用和热-粒耦合作用下的滑阀滞卡力特点,推进了对滑阀滞卡微观机理的认识,为高可靠性滑阀的设计制造提供了理论指引。主要研究内容如下:(1)滑阀温度分布的内嵌式测量与仿真分析。提出了内嵌式滑阀温度分布原位测量方法,搭建了具有热成像功能的实验系统,结合联合仿真,研究了阀口开度、压差、节流槽形式(K、U、V形节流槽)和流动方向对阀芯温度梯度、温度分布和局部热应变特性的影响,从而分析了非全周开口滑阀在不同情况下的滞卡机理;研究中所采用温度测量和流-固-热耦合仿真得到的结果吻合度高,可为同类研究提供参考。(2)阀口温度分布测量与热形变计算。测量了平面阀口的温度分布,并结合多相流仿真分析了阀口开度、压差对其温度分布的影响;将离散的温度测量结果进行拟合并计算了节流边的热形变量。研究表明:阀口开度较小时温度梯度对压差较为敏感;大阀口下尾流的变化或大压差下空化的产生会造成节流边局部高温区域的扩展;平面阀口节流边径向热形变量可达8.3μm,达到甚至超过了同尺寸圆柱形滑阀的间隙尺寸,成为不可忽略的滑阀滞卡因素。(3)滑阀热变形滞卡力测量装置的开发与量化分析。搭建了滑阀热形变滞卡力的测量装置,测量了阀芯和阀体在不同温差下的滞卡力,获得了滑阀温度-热形变量-滞卡力之间的关系。研究发现:滑阀热变形滞卡力呈现明显的非周期性脉动特性;阀芯和阀孔的配合长度越长,滞卡力越大;阀芯和阀体温差越大,滞卡时间越长,滞卡力峰值越大;当直径20mm的阀芯温度升高70℃时,直径增大9.9μm;并产生27.41N的滞卡力,会严重影响滑阀运动的灵活性。(4)滑阀在固体颗粒作用下的滞卡机理。考虑颗粒的材质、粒径、浓度和阀芯的“径向微动”,建立了固体颗粒作用下的滑阀滞卡力学模型,并通过间隙放大模型实验获得了固体颗粒作用下的滑阀滞卡力曲线。研究表明:当颗粒尺寸占间隙比大于0.7的“敏感尺度”,或颗粒占油液的体积浓度高于5%的“敏感浓度”时,阀芯的滞卡力会迅速增大。(5)热形变-颗粒耦合作用下滑阀滞卡力的测量与机理分析。热形变-颗粒耦合作用下的滑阀滞卡力明显大于单一因素下的滞卡力,它使原本不足以引起滞卡的热形变量和非敏感颗粒均成为滞卡因子,大大增加了滑阀滞卡的风险。研究表明:常温(25℃)+纯净油液、常温+固体颗粒污染(污染等级14)、热形变(阀体50℃)+纯净油液、热形变+固体颗粒污染四种情况下产生的滞卡力峰值依次骤增,分别为0.22、1.34、4.56、12.63N,热形变与颗粒耦合作用下,阀芯甚至会被卡死。此外,建立了固体敏感颗粒作用下的滑阀滞卡力学模型,结合微小热电偶嵌入式测温与无线通讯技术开发了滑阀温度远程监测系统,并基于滑阀滞卡微观机理的研究总结了高可靠性滑阀的设计原则。
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