针阀堵塞原因分析

针阀堵塞原因分析

针阀是工业中广泛使用的流量控制元件。为了提高控制的灵敏度,阀芯锥度的缝隙在100μm以下。在工业应用中经常发现堵塞现象,一般认为,金属壁面对悬浮在液体中的颗粒有吸附作用。1μm的缝隙内有400～500层吸附膜,造成流量迅速减少。但在作者所做的实验中,吸附作用很微弱。分析表明,流体中微米量级的颗粒是堵塞的主要原因。通过实验研究和理论分析,总结了流量的减小与缝隙大小、颗粒大小及颗粒浓度之间的关系。并通过可视化实验直观地解释了小颗粒影响大缝隙流动的机理。1关于密封性的实验研究1.1重密封的确定针阀的堵塞现象的实验装置如图1所示。实验中采取了双重密封:1)油路循环系统一直处于密闭环境中,不与大气接触;2)整个实验装置处于密闭的实验箱中,箱内所有操作都通过连接在箱体的实验箱手套来完成。1.2结果与讨论1.2.1流量随时间的变化特性用未过滤的油,控制初始流量qv分别为0.3,0.4,0.5,0.6mL·s-1,采集12h,得到流量随时间变化的典型曲线。为了便于比较不同流量的衰减率,将流量量纲化为1‚qt=qv,tqv1‚qt=qv,tqv。流量随时间变化的曲线如图2所示。由图2可以看出,流量越大,堵塞现象越不明显;流量很小时,堵塞现象比较严重。这是由于流量越小,针阀阀芯和阀体之间的缝隙越小,颗粒堵塞的可能性越大。由以上分析可知,增加流量可以减小堵塞现象。但是,实际应用中,针阀的流量是有一定要求的,不能随意增减。因此,在后面的实验中,流量固定,研究油中颗粒的大小对堵塞的影响。1.2.2滤膜孔径和流量对流量的影响工业用润滑油中含有很多颗粒。不同产地生产的相同型号的油中的颗粒分布也是不同的。用Coulter测量仪检测分别由日本、香港和中国生产的型号为ISO-VG-32的润滑油,得到不同粒径(dp)的颗粒分布如表1所示。用微孔滤膜过滤润滑油,可以控制油中颗粒的大小。实验中微孔滤膜的孔径(df)分别为0.2,0.4,0.6,1.0,2.0,5.0μm,可以认为过滤后,直径大于孔径的颗粒完全被去除。实验中用过滤后的油,控制初始流量,流经12h,计算流量衰减率(I=1-q12)。实验结果如表2所示。由表2可以看出,油中的颗粒大小对堵塞现象影响很大。在一定的流量下,粒径越大,堵塞现象越严重。在可能的情况下,适当减小油中颗粒的粒径,可以减少甚至避免堵塞现象。试验中对不同初始流量,不同的滤膜孔径过滤的油分别做了实验。工业应用中,流动12h后,流量衰减率小于10%是符合要求的。根据表2,可选择合适的微孔滤膜。1.2.3颗粒浓度对堵塞现象的影响实验发现,油中颗粒浓度是引起针阀堵塞的另一个重要的因素。我们很难控制油中的颗粒浓度,所以采取相对浓度进行实验。假设经孔径为0.2μm的微孔滤膜过滤后的油的颗粒浓度为0,未经过滤的油的颗粒浓度为1.0。不同颗粒浓度的油可以由这两种油按比例混合而成。颗粒浓度对堵塞现象的影响见图3。由图3可以看出,颗粒浓度大时,堵塞现象严重。因此,油的纯度对堵塞现象也有比较大的影响。提高油的纯度也是减少堵塞现象的一个途径。2流道的完善设计上述实验结果表明,流体中的微米量级的颗粒是堵塞的主要原因。小颗粒如何影响较大缝隙的流动,一直没有合理的解释。为了了解颗粒在狭缝中的运动模式,我们做了沉积实验。图4是实验中的流道设计图。流道的观测段是50μm高,10μm宽,12mm长的矩形流道。观测段的壁面是由光学玻璃制成的,这样可以通过显微镜和摄像机观测到颗粒的运动和壁面颗粒的沉积现象。流道中的流体是纯净水和颗粒的混合液。颗粒直径为4μm,密度为1.05g/cm3。流体流动速度和针阀中流体的速度相当。图5是流动开始时的流道壁面照片,图6为流动10h后的流道壁面照片。由图像可以看到颗粒沉积随时间的变化,颗粒在壁面上的沉积是很严重的。3流体速度变化相关的实验证明,流经针阀楔形流道的液态介质中含有大量的固体颗粒。因此针阀中的流动是固液两相流。连续相是液体,分散相是分布在流体中的小颗粒。由于两相速度不相等,两相之间就存在力的作用。在实验中,Re=0.0037,因此,只考虑阻力、重力和Saffman力的影响。由于重力因素引起的颗粒的沉积速度为vp=d2pg18γt(ρpρf-1).(1)实验证明,颗粒的半径越大,沉积速度越快。Saffman指出当存在纵向速度差异时,就存在垂直于运动方向的力,即F1=1.62d2√ρfμ(uf-up)|dufdy|12,(2)式中:(uf-up)为颗粒的相对速度,dufdy为流体的速度梯度。流体在边界层附近速度下降快,由于惯性作用颗粒速度下降慢,即在边界层uf-up<0‚dufdy>0,所以Saffman力指向壁面,使颗粒向壁面运动。当壁面上已经有颗粒沉积时,近壁面的颗粒将受到壁面上沉积颗粒的阻力。从图中可以看到,在壁面有颗粒沉积的区域,颗粒沉积的速度比较快。粒径大的颗粒,由于重力影响,沉积速度很快。颗粒沉积会引起流道有效流通面积的减小,从而减小流量。对同样的沉积量,小流量流通面积的相对减小量比较大。当颗粒浓度增加时,沉积速度也会加快,造成流速快速下降。这与实验结论是一致的。4流量衰减率的确定1)根据美国NSA1