針閥堵塞原因分析

針閥堵塞原因分析

針閥是工業(yè)中廣泛使用的流量控制元件。為了提高控制的靈敏度,閥芯錐度的縫隙在100μm以下。在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,一般認(rèn)為,金屬壁面對(duì)懸浮在液體中的顆粒有吸附作用。1μm的縫隙內(nèi)有400～500層吸附膜,造成流量迅速減少。但在作者所做的實(shí)驗(yàn)中,吸附作用很微弱。分析表明,流體中微米量級(jí)的顆粒是堵塞的主要原因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,總結(jié)了流量的減小與縫隙大小、顆粒大小及顆粒濃度之間的關(guān)系。并通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)直觀地解釋了小顆粒影響大縫隙流動(dòng)的機(jī)理。1關(guān)于密封性的實(shí)驗(yàn)研究1.1重密封的確定針閥的堵塞現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采取了雙重密封:1)油路循環(huán)系統(tǒng)一直處于密閉環(huán)境中,不與大氣接觸;2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置處于密閉的實(shí)驗(yàn)箱中,箱內(nèi)所有操作都通過(guò)連接在箱體的實(shí)驗(yàn)箱手套來(lái)完成。1.2結(jié)果與討論1.2.1流量隨時(shí)間的變化特性用未過(guò)濾的油,控制初始流量qv分別為0.3,0.4,0.5,0.6mL·s-1,采集12h,得到流量隨時(shí)間變化的典型曲線。為了便于比較不同流量的衰減率,將流量量綱化為1?qt=qv,tqv1?qt=qv,tqv。流量隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。由圖2可以看出,流量越大,堵塞現(xiàn)象越不明顯;流量很小時(shí),堵塞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。這是由于流量越小,針閥閥芯和閥體之間的縫隙越小,顆粒堵塞的可能性越大。由以上分析可知,增加流量可以減小堵塞現(xiàn)象。但是,實(shí)際應(yīng)用中,針閥的流量是有一定要求的,不能隨意增減。因此,在后面的實(shí)驗(yàn)中,流量固定,研究油中顆粒的大小對(duì)堵塞的影響。1.2.2濾膜孔徑和流量對(duì)流量的影響工業(yè)用潤(rùn)滑油中含有很多顆粒。不同產(chǎn)地生產(chǎn)的相同型號(hào)的油中的顆粒分布也是不同的。用Coulter測(cè)量?jī)x檢測(cè)分別由日本、香港和中國(guó)生產(chǎn)的型號(hào)為ISO-VG-32的潤(rùn)滑油,得到不同粒徑(dp)的顆粒分布如表1所示。用微孔濾膜過(guò)濾潤(rùn)滑油,可以控制油中顆粒的大小。實(shí)驗(yàn)中微孔濾膜的孔徑(df)分別為0.2,0.4,0.6,1.0,2.0,5.0μm,可以認(rèn)為過(guò)濾后,直徑大于孔徑的顆粒完全被去除。實(shí)驗(yàn)中用過(guò)濾后的油,控制初始流量,流經(jīng)12h,計(jì)算流量衰減率(I=1-q12)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,油中的顆粒大小對(duì)堵塞現(xiàn)象影響很大。在一定的流量下,粒徑越大,堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重。在可能的情況下,適當(dāng)減小油中顆粒的粒徑,可以減少甚至避免堵塞現(xiàn)象。試驗(yàn)中對(duì)不同初始流量,不同的濾膜孔徑過(guò)濾的油分別做了實(shí)驗(yàn)。工業(yè)應(yīng)用中,流動(dòng)12h后,流量衰減率小于10%是符合要求的。根據(jù)表2,可選擇合適的微孔濾膜。1.2.3顆粒濃度對(duì)堵塞現(xiàn)象的影響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),油中顆粒濃度是引起針閥堵塞的另一個(gè)重要的因素。我們很難控制油中的顆粒濃度,所以采取相對(duì)濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。假設(shè)經(jīng)孔徑為0.2μm的微孔濾膜過(guò)濾后的油的顆粒濃度為0,未經(jīng)過(guò)濾的油的顆粒濃度為1.0。不同顆粒濃度的油可以由這兩種油按比例混合而成。顆粒濃度對(duì)堵塞現(xiàn)象的影響見(jiàn)圖3。由圖3可以看出,顆粒濃度大時(shí),堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重。因此,油的純度對(duì)堵塞現(xiàn)象也有比較大的影響。提高油的純度也是減少堵塞現(xiàn)象的一個(gè)途徑。2流道的完善設(shè)計(jì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流體中的微米量級(jí)的顆粒是堵塞的主要原因。小顆粒如何影響較大縫隙的流動(dòng),一直沒(méi)有合理的解釋。為了了解顆粒在狹縫中的運(yùn)動(dòng)模式,我們做了沉積實(shí)驗(yàn)。圖4是實(shí)驗(yàn)中的流道設(shè)計(jì)圖。流道的觀測(cè)段是50μm高,10μm寬,12mm長(zhǎng)的矩形流道。觀測(cè)段的壁面是由光學(xué)玻璃制成的,這樣可以通過(guò)顯微鏡和攝像機(jī)觀測(cè)到顆粒的運(yùn)動(dòng)和壁面顆粒的沉積現(xiàn)象。流道中的流體是純凈水和顆粒的混合液。顆粒直徑為4μm,密度為1.05g/cm3。流體流動(dòng)速度和針閥中流體的速度相當(dāng)。圖5是流動(dòng)開(kāi)始時(shí)的流道壁面照片,圖6為流動(dòng)10h后的流道壁面照片。由圖像可以看到顆粒沉積隨時(shí)間的變化,顆粒在壁面上的沉積是很?chē)?yán)重的。3流體速度變化相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明,流經(jīng)針閥楔形流道的液態(tài)介質(zhì)中含有大量的固體顆粒。因此針閥中的流動(dòng)是固液兩相流。連續(xù)相是液體,分散相是分布在流體中的小顆粒。由于兩相速度不相等,兩相之間就存在力的作用。在實(shí)驗(yàn)中,Re=0.0037,因此,只考慮阻力、重力和Saffman力的影響。由于重力因素引起的顆粒的沉積速度為vp=d2pg18γt(ρpρf-1).(1)實(shí)驗(yàn)證明,顆粒的半徑越大,沉積速度越快。Saffman指出當(dāng)存在縱向速度差異時(shí),就存在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力,即F1=1.62d2√ρfμ(uf-up)|dufdy|12,(2)式中:(uf-up)為顆粒的相對(duì)速度,dufdy為流體的速度梯度。流體在邊界層附近速度下降快,由于慣性作用顆粒速度下降慢,即在邊界層uf-up<0?dufdy>0,所以Saffman力指向壁面,使顆粒向壁面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壁面上已經(jīng)有顆粒沉積時(shí),近壁面的顆粒將受到壁面上沉積顆粒的阻力。從圖中可以看到,在壁面有顆粒沉積的區(qū)域,顆粒沉積的速度比較快。粒徑大的顆粒,由于重力影響,沉積速度很快。顆粒沉積會(huì)引起流道有效流通面積的減小,從而減小流量。對(duì)同樣的沉積量,小流量流通面積的相對(duì)減小量比較大。當(dāng)顆粒濃度增加時(shí),沉積速度也會(huì)加快,造成流速快速下降。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)論是一致的。4流量衰減率的確定1)根據(jù)美國(guó)NSA1