液壓閥沖蝕磨損特性分析與結(jié)構(gòu)探討

魏世鵬

（太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司，晉中030600）

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)液壓閥的質(zhì)量要求更為嚴(yán)苛。但是，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，液壓閥常會(huì)出現(xiàn)突縮、突擴(kuò)或者彎曲流道等情況。流體流經(jīng)這些比較復(fù)雜、特殊的流道時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生流體回流、漩渦，出現(xiàn)脫壁、重新附壁等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)。如果液壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)使得液壓閥的震動(dòng)、噪聲以及腐蝕等情況不斷加劇，影響液壓閥的正常工作，縮短其使用壽命，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作性能受到影響。基于此，必須對(duì)液壓閥的沖蝕磨損特性進(jìn)行仔細(xì)分析，進(jìn)而了解其受損原因，對(duì)液壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)減輕磨損的效果，保證液壓閥的質(zhì)量，進(jìn)而保證整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。

1 液壓閥的概述

液壓閥是整個(gè)液壓系統(tǒng)的重要元件之一，其也是整個(gè)液壓技術(shù)研究的重中之重。液壓閥主要的設(shè)計(jì)參考為油介質(zhì)，傳統(tǒng)油介質(zhì)液壓閥在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)較多的不良現(xiàn)象，如氣蝕、沖蝕、泄露等，這就會(huì)影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，研究人員必須要對(duì)液壓閥和內(nèi)部流體介質(zhì)的物理、化學(xué)特性進(jìn)行充分考量，研究其磨損、氣蝕、沖蝕的關(guān)鍵影響因素，進(jìn)而從新工藝、新材料以及新結(jié)構(gòu)等方面來對(duì)液壓閥進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)液壓技術(shù)的進(jìn)步[1]。

液壓支架高水基液壓閥為一種比較常見的液壓閥類型，其內(nèi)部工作的流體介質(zhì)主要包括乳化油（5%）以及水（95%），形成了一種水包油型的乳化液（O/W型）。該類型的流體介質(zhì)黏度比較低，具有較高的工作壓力，通常情況下，能夠在32MPa左右的壓力環(huán)境下工作。該種液壓閥要求在關(guān)閉位置時(shí)沒有任何漏損。其密封副包括閥座、閥芯兩大部分，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，其又分為球閥、錐閥以及平面閥三種類型[2]。

2 液壓閥的沖蝕磨損特性

在液壓閥的使用過程中，其使用壽命的影響因素主要有以下兩個(gè)方面，其一為閥芯受到高速液流的沖蝕、磨損，其二為節(jié)流口處受到的氣蝕磨損，本文主要探討沖蝕磨損。沖蝕磨損也被稱為浸蝕磨損，主要是指材料表面受到大量小形態(tài)、大松散的流動(dòng)粒子的撞擊，最終導(dǎo)致其表面受到破壞的磨損現(xiàn)象。在液壓閥使用的過程中，長期使用導(dǎo)致其內(nèi)部的流體攜帶了較多的顆粒物質(zhì)，當(dāng)這些攜帶顆粒物質(zhì)的流體通過液壓系統(tǒng)的各個(gè)流道、閥口等時(shí)，它們就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的沖蝕效果，導(dǎo)致表面凹凸不平，液壓系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重的磨損[3]。

流體的流動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的多相流動(dòng)過程，其間會(huì)產(chǎn)生多種類型的力，當(dāng)液壓閥中的流體長期處在變流量、大壓差的工況時(shí)，流體中攜帶的固體顆粒會(huì)在高速流體的驅(qū)動(dòng)下以一定的速度對(duì)閥壁、閥芯等進(jìn)行沖擊。沖擊時(shí)間達(dá)到一定程度，導(dǎo)致閥壁、閥芯中的部分受力面遭到嚴(yán)重磨損，進(jìn)而產(chǎn)生較為微小的裂紋，降低液壓閥的密封性，致使其產(chǎn)生滲漏，將會(huì)對(duì)液壓閥的正常使用造成影響。這就要求人們必須對(duì)液壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高整個(gè)液壓閥裝置的科學(xué)性，降低生產(chǎn)成本。

3 液壓閥的結(jié)構(gòu)改造

目前，研究人員通過兩個(gè)方面來降低控制閥閥芯和密封面的沖蝕磨損，以提高控制閥的使用壽命。一是優(yōu)化材料選擇，即選擇抗沖蝕性能比較高的材料。二是優(yōu)化液壓閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以降低減少?zèng)_蝕磨損帶來的影響。

3.1 材料方面

要想提高液壓閥的抗沖蝕磨損性能，則需要采用韌性材料，采用堆焊、激光熔覆、熱噴涂以及氣相沉積等技術(shù)在材料表面增加硬質(zhì)涂層。此外，可以使用符合材料來進(jìn)行液壓閥的制造，以纖維增強(qiáng)、陶瓷強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定的材料為最佳[4]。

3.2 結(jié)構(gòu)方面

在對(duì)液壓閥進(jìn)行改進(jìn)的過程中，以下生物實(shí)例符合局部質(zhì)量原則：荷葉表面的非光滑結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)其自潔功能；鳥類翅膀局部結(jié)構(gòu)的不同會(huì)對(duì)其飛行性能產(chǎn)生不同的影響；深海魚類的骨骼較薄，容易彎曲，肌肉組織細(xì)密，能夠適應(yīng)海底的超高水壓；紅柳由于其樹皮呈現(xiàn)溝槽狀裂紋，能夠很好地抵御風(fēng)沙的沖蝕。本文以紅柳樹皮的溝槽狀裂紋作為液壓閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的參考。

紅柳樹皮上分布大量縱向的溝槽，形態(tài)各異，具有不同的寬度、深度，這些不平行的溝槽表面結(jié)構(gòu)對(duì)流體的流動(dòng)速度、方向等都具有一定的干擾作用，能夠改變風(fēng)沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而提升紅柳的抗沖蝕性能。在液壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)紅柳樹皮特性對(duì)閥口結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。由于紅柳樹皮表面的溝槽、裂紋等均為縱向分布，垂直于沙粒沖擊材料的方向，因此，人們?cè)谠O(shè)計(jì)閥芯的過程中也可以設(shè)計(jì)出非光滑面，要求其溝槽的方向必須要垂直于流體的方向，從整體上呈現(xiàn)出環(huán)狀的凹槽，流體遇到凹槽后在槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)、流動(dòng)，形成一層墊層，使得流體的湍流化程度顯著增加，對(duì)近壁的流場(chǎng)進(jìn)行破壞，改變流體的流向，降低沖擊速度，從而改變流體內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得流體中的一部分沙粒沒有直接接觸閥芯表面而被流體帶走，進(jìn)而減少流體中顆粒對(duì)于閥芯表面的撞擊次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖蝕磨損的減輕[5]。

4 結(jié)語

液壓閥的沖蝕磨損會(huì)受到本身材質(zhì)、流體沖蝕速度、流體沖蝕時(shí)間等多種因素的影響，當(dāng)流介質(zhì)體內(nèi)存在較多的顆粒狀物質(zhì)時(shí)，這會(huì)對(duì)液壓閥的密封面造成沖蝕磨損，對(duì)于節(jié)流口附近的閥芯沖蝕程度最為嚴(yán)重。此外，由于閥芯受到慣性等力的作用，其表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損，沖蝕磨損和微動(dòng)磨損的共同作用導(dǎo)致閥芯的磨損加劇。這就要求人們必須對(duì)其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等進(jìn)行改進(jìn)，以紅柳樹皮為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)仿生抗沖蝕液壓閥，其閥芯的表面仿照紅柳樹皮的溝槽結(jié)構(gòu)，以降低流經(jīng)閥口的流體速度，減弱其對(duì)于液壓閥的沖蝕磨損，延長其使用期限。