液压滑阀配合间隙含颗粒油液的泄漏特性研究

液压滑阀配合间隙含颗粒油液的泄漏特性研究郑长松;娄伟鹏;范家辉;李慧珠;张周立;杜秋【摘要】针对大功率变速箱液压滑阀在污染环境下的配合间隙泄漏现象,设计搭建了间隙泄漏量的试验台,对滑阀进行了漏油特性试验研究,并通过颗粒计数器分析了流经间隙的污染颗粒尺寸的分布规律.综合考虑了配合间隙大小以及污染油浓度等影响因素,建立了不同配合间隙下的滑阀二维模型,并利用Fluent仿真软件对滑阀内部颗粒分布与间隙泄漏进行数值仿真研究,数值模拟结果与试验数据较吻合.研究结果对液压滑阀的抗污染设计具有工程指导意义.%Aiming at the clearance leakage phenomenon of a buffer shift spool valve used in the integrated transmission,we establish a test system to research the characteristics of the leakage oil by experiments.The regularity of size distribution of the contaminative particle size flowing through the interval is analyzed by the liquid particle counting device.Furthermore,the two-dimensional geometric model of different clearances is set up.The effects of the clearance size,the particle diameter,the density and the concentration of the polluted oil are considered in the model.The distribution of the internal particle of the slide valve and the clearance leakage are numerically simulated by the software Fluent.The numerical simulation result is accordant with the experimental data.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】6页(P42-47)【关键词】滑阀;Fluent仿真;颗粒分布;间隙泄漏量【作者】郑长松;娄伟鹏;范家辉;李慧珠;张周立;杜秋【作者单位】北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;北京电动车辆协同创新中心,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;上海汽车变速器有限公司,上海201807;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TH137.52液压滑阀配合间隙中的流动特性对滑阀的性能产生重要影响，尤其是液压油中不可避免含有污染颗粒，他们悬浮在油液中进入配合间隙，会导致阀芯卡滞，造成间隙表面磨损加剧，增大滑阀的内泄漏量，从而对滑阀的控制特性和工作可靠性造成严重影响。

液压系统75%以上的故障是由油液中含颗粒物引起的[1]。

国内外学者对滑阀的流动特性进行了大量的研究，利用CFD方法分析了滑阀内部流道流场，进而定性的分析了流场与阀的结构参数[2-4]、阀芯所受液动力[5-6]以及能量损失机理[7-8]的关系。

何琪功[9]针对固体颗粒侵入滑阀配合间隙，探究了颗粒分布的影响因素。

HAILING A等[10]对不同的阀芯结构进行CFD仿真并结合试验研究，给出了流道内的压力场、流线图、和湍动能分布图等可视化结果。

文献[12-13]采用Fluent欧拉-欧拉液固两相流模型对配合间隙内流场进行仿真。

CHEN Q和STOFFEL B [14]采用数值模拟方法，建立伺服阀模型，将流体设置成多相流，采用标准湍流模型，对流体的湍流进行了研究。

对于大功率变速箱的液压阀换挡控制系统，由于其使用工况恶劣，导致油液污染严重，极大地影响了其工作性能。

本研究针对此情况，搭建液压阀换挡控制系统试验台进行试验研究，并选取其中的缓冲换挡滑阀作为研究对象，从计算流体力学角度对其进行仿真研究，探究配合间隙中油液含颗粒情况下的流动特性。

其结果对液压阀间隙设计及液压阀污染环境下的工作状况预测具有重要的指导意义。

1.1 液压缓冲控制系统图1为液压缓冲阀组的结构图(部分)，该液压缓冲控制系统主要由阀体、控制阀芯、缓冲阀芯、调压塞等组成。

该系统对于改善车辆的换挡品质、保证车辆的动力性能具有重要作用，是大功率车辆的传动换挡控制阀的关键部件之一。

1.2 试验方法油液在流道内的流动可以通过传感器对压力和流量进行监测，而阀芯阀套的配合间隙很小，一般为5～25 μm，很难进行在线监测。

因此，利用流经间隙的油液进行离线分析，能够很好的分析颗粒在配合间隙里的分布特点及通过配合间隙的泄漏量。

通过改变阀芯尺寸形成10 μm与15 μm两种配合间隙，采用ACFTD试验粉尘模拟配制4种污染油浓度，结合颗粒计数器配制目标污染浓度，按照ISO 4406-1999污染等级代码表进行污染等级划分，分别命名为新油(22/21/15)、污染油A(23/22/16)、污染油B(23/23/20)以及污染油C(23/23/21)，污染等级依次增大，油箱的体积为101.35 L。

具体测试系统如图2所示。

在阀板上设计相应的泄漏测量油道，通过TCU控制换挡，当阀组工作在某一挡位下，测量在一定时间内该档位下缓冲换挡阀配合间隙的泄漏量。

如图3所示，在1档时，缓冲换挡阀阀芯F1工作，对应的泄漏口为L2。

设置秒表测量时间为30 s，用量筒收集泄漏口的泄漏油，并用精度为0.1 mg的电子秤称量其质量。

1.3 试验结果1) 流经间隙的颗粒分布分析对通过配合间隙的油液利用PAMAS自动颗粒计数器进行分析，计数结果如表1所示。

由表1知，同一种污染油，随着配合间隙的增大，不同粒径的颗粒数量均增多，通过间隙的颗粒尺寸可以认为小于间隙尺寸。

大于间隙尺寸的颗粒主要来源于两方面：① 颗粒呈长扁形状，通过间隙时没有因为旋转截留下来；② 量筒中，油管中以及颗粒计数器中存在的颗粒污染物。

图4为不同间隙对应污染油中颗粒数量分布柱状图，对于同一种污染油，当配合间隙为10 μm时，颗粒粒径在4～6 μm的占比较配合间隙为15 μm的高。

当配合间隙为15 μm时，颗粒粒径在6～14 μm的占比较配合间隙为10 μm的高。

这说明在配合间隙小于颗粒粒径的条件下，与配合间隙尺寸相近的颗粒更容易进入配合间隙。

2) 间隙泄漏量分析图5为不同污染油在油温为60 ℃时泄漏量变化曲线，由图5知，随着污染油浓度的增大，配合间隙的泄漏量逐渐降低，基本呈线性关系，主要是由于颗粒在间隙产生淤积造成的，这与文献[11]中泄漏量试验变化规律基本一致。

2.1 CFD网格划分由于流体区域的对称性，在不考虑阀芯偏心、歪斜以及倒锥等情况的影响时，将该三维流体区域简化成如图6a的二维计算模型，图6b为δ=20 μm所对应的间隙网格放大图，单元格为四边形结构化网格，对间隙附近的网格进行了细化和过渡。

由于配合间隙尺寸很小，在间隙过渡处网格需要加密，所以在GAMBIT中对模型进行分块，先进行线网格划分，再进行面网格划分，最后对整体采用Cooper方法创建结构化网格。

配合间隙δ只有5～25 μm，是分析的重点，因此在该方向划分8层网格。

阀腔与间隙的交汇外流体流动较为剧烈，此处网格划分较密，采取变间隔的节点划分方式，节点间隔长度比设为单向1.2。

网格数约为55万，通过改变网格数量在43万到75万间变化时，仿真结果基本不变，网格独立性合格。

2.2 CFD仿真计算设置欧拉模型适用于有一相为连续的主项，其他相为分散稀释的情况。

污染颗粒在流动过程中有聚集现象且浓度较稀，故采用欧拉模型中的分散湍流模型，其中的控制方程采用标准的k-ε双方程湍流模型，固液两相之间曳力函数选择Syamlal-o’brien，壁面采用标准壁面函数，不考虑重力影响。

两相材料设置，第一相设置为油液，密度ρ=875 kg/m3,动力黏度μ=0.036；第二相设置为颗粒，密度ρ=7500 kg/m3，直径dp=5 μm；Phase Interaction中的Drag选择schiller-naumnn，Lift选择none即不分离相。

计算区域边界条件：进口处采用压力入口，mixture边界类型为pressure-inlet，定义总压为1.7 MPa，颗粒相的体积分数为0.03；出口处采用压力出口边界，mixture边界类型为pressure-outlet，定义静压为1.5 MPa，颗粒的回流体积分数为0，即颗粒在出口没有回流；间隙出口采用压力出口边界，mixture边界类型为pressure-outlet，定义静压为0；油液与壁面接触的边界为静止无滑移壁面，边界类型为Wall。

3.1 颗粒分布分析图7a是滑阀内污染颗粒的体积分数分布云图，图7b所示是流体区域流线图。

流束与壁面之间产生漩涡，颗粒在漩涡中心区域分布较漩涡边缘区域少，因为固体颗粒的密度较油液大，在离心力的作用下颗粒被甩到漩涡边缘区域。

由间隙局部放大图知，间隙内的颗粒分布也不均匀，在间隙入口初始段，间隙上表面的颗粒浓度较高，这主要是由于配合间隙的位置造成的，油液以一定的角度流入配合间隙，撞击间隙入口阀杆表面后改变方向，在入口处的阀体内表面速度迅速减小，形成一定的漩涡导致颗粒在入口处的阀体内表面聚集。

在间隙轴向上，颗粒浓度越来越低。

经过间隙初始段后，在间隙径向上，间隙阀体内表面的颗粒浓度下降，而阀杆表面颗粒浓度越来越高。

针对配合间隙δ为20 μm的情况，研究颗粒直径在配合间隙内分布的影响规律。

取间隙模型轴向中线的颗粒体积分数为研究对象，定义间隙油液流出方向为X方向，间隙径向为Y方向。

分别设置第二相颗粒的粒径为5、10、15、18 μm，由图8可知，颗粒在配合间隙的入口存在颗粒聚集现象，且随着颗粒粒径的增大，入口颗粒浓度越高，粒径为5 μm时入口颗粒体积浓度为0.03005，而粒径增大到18 μm与配合间隙接近时，颗粒的浓度达到0.0378增幅26%。

沿轴向X，颗粒浓度逐渐降低，颗粒粒径越大，降低的越快，在中部位置下降最快，在出口端粒径为5 μm时颗粒体积浓度为0.014，而粒径增大到18 μm 时，颗粒的浓度仅为0.0045。