純水液壓控制閥專利綜述研究

李星

摘 要：對(duì)比油壓帶來(lái)的不利因素，對(duì)水液壓元器件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的同時(shí)并對(duì)純水液壓控制閥的研究現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)的論述。主要分析國(guó)內(nèi)外純水液壓控制閥的研究現(xiàn)狀，針對(duì)純水液壓控制閥研制的關(guān)鍵技術(shù)要求提出相關(guān)的解決方案。簡(jiǎn)要介紹了幾種典型純水液壓控制閥的研究。

關(guān)鍵詞：水液壓傳動(dòng)；純水液壓控制閥；材料；密封

1水液壓簡(jiǎn)介

20世紀(jì)初期，礦物油型液壓油以其良好的綜合理化性能成為液壓傳動(dòng)技術(shù)最主要的工作介質(zhì)，液壓元件和系統(tǒng)的性能在較大程度上也得以提高，但礦物油型液壓油作為液壓傳動(dòng)介質(zhì)存在著易燃和環(huán)境污染等系列問題。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球人口快速增長(zhǎng)，能源過(guò)度消耗，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。全世界都在大力提倡發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)。水壓傳動(dòng)技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，有著良好的市場(chǎng)前景，因此在全世界迅速流行起來(lái)。

傳統(tǒng)液壓油因其良好的潤(rùn)滑性，保證了油壓系統(tǒng)元件的可靠潤(rùn)滑，延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命。但油壓系統(tǒng)中液壓油介質(zhì)來(lái)源于石油，易污染環(huán)境且具有可燃性，導(dǎo)致系統(tǒng)使用成本高，污染嚴(yán)重，安全性差。水作為一種純天然的介質(zhì)，相比液壓油有著十分突出的優(yōu)勢(shì)：（1）水資源來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉；（2）水無(wú)污染，環(huán)境相容性好；（3）水介質(zhì)不燃，安全性高；（4）水介質(zhì)無(wú)需回收處理，降低了成本。以水作為傳動(dòng)介質(zhì)的水壓傳動(dòng)技術(shù)是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的綠色清潔技術(shù)，是油壓傳動(dòng)技術(shù)良好的替代。水壓傳動(dòng)技術(shù)目前已經(jīng)成為流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域國(guó)際學(xué)科前沿的重要研究方向，是液壓行業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

2國(guó)內(nèi)純水液壓控制閥的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代末80年代初西方發(fā)達(dá)國(guó)家開始展開了純水液壓控制閥的研究，目前業(yè)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[1]。而在我國(guó)相應(yīng)也開展了一些實(shí)質(zhì)性的研究，但仍處于起步階段，因此水液壓的發(fā)展有著巨大的發(fā)展空間。

華中科技大學(xué)于1990年起率先在國(guó)內(nèi)開始了海淡水元件的研究和開發(fā)，經(jīng)過(guò)十多年的努力，已經(jīng)成功研制出多種閥件：1998年和2000年成功研制出“定差組合閥”和“三位三通海水氣動(dòng)換向閥”，現(xiàn)已成功應(yīng)用于潛艇誘餌發(fā)射裝置，成為固定的軍工產(chǎn)品用潛艇誘餌發(fā)射裝置，成為固定的軍工產(chǎn)品。2002年華中科技大學(xué)研制出了額定壓力為14 MPa，流量為40 L/min的系列海水壓力控制閥和調(diào)速閥，并用這些元件成功研制出了300 m水深的深海水壓動(dòng)力源及其驅(qū)動(dòng)的海水液壓旋轉(zhuǎn)型和往復(fù)型水下作業(yè)工具。

浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目前已研制出一系列額定壓力為14 MPa、流量為100 L/min的純水液壓換向閥、純水液壓溢流閥及純水液壓節(jié)流閥，其性能基本能夠達(dá)到同類油壓閥的水平。

北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授在純水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)上也有一定的研究，在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深海水壓動(dòng)力元件關(guān)鍵技術(shù)的研究”支持下，研制出斜軸柱塞式、配流盤配流的結(jié)構(gòu)海水泵。該泵在工作壓力14 MPa時(shí)，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，排量為173 mL/r，容積效率83.3%。其中柱塞副的密封采用了自動(dòng)間隙補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)密封，海水泵的軸承采用陶瓷軸承。該泵噪聲指標(biāo)有些超標(biāo)，有待進(jìn)一步的完善改進(jìn)。

3純水液壓控制閥研制的關(guān)鍵技術(shù)

純水液壓閥對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著至關(guān)重要的作用，是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要原件之一。由于海水性能的影響，純水液壓控制閥需要解決的難點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：

3.1腐蝕問題

電偶腐蝕、磨損腐蝕和氧化腐蝕是液壓元件在海水介質(zhì)中主要發(fā)生的腐蝕問題。電偶腐蝕是指元件內(nèi)部的異種金屬在腐蝕介質(zhì)中接觸時(shí)電位較低金屬的加速腐蝕[4] 。元件在高速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)海水中及摩擦副在腐蝕介質(zhì)中存在的腐蝕稱為磨損腐蝕。腐蝕過(guò)的材料表面遭到破壞后使得金屬材料在水中產(chǎn)生的腐蝕稱為氧化腐蝕。在純水液壓閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要適當(dāng)選擇一些較為親水的材料，如不銹鋼的金屬材料、工程陶瓷、高分子復(fù)合材料等。除了材料的選擇也可以選擇一些特殊的表面處理工藝，如表面噴涂、表面鍍層，以及其他特殊的電化學(xué)防腐等措施來(lái)降低液壓元件存在的腐蝕問題。

3.2潤(rùn)滑與密封 潤(rùn)滑性主要是看介質(zhì)的液膜厚度，液膜厚其潤(rùn)滑性能就好，水的潤(rùn)滑膜厚度約是油介質(zhì)的1%。由于水的黏度較低，因此水壓閥中的液膜厚度會(huì)隨之減小。油壓閥的液膜厚度為0.5～2.5 μm，則水壓控制閥的潤(rùn)滑膜厚度為0.005～0.025 μm。在保證密封的同時(shí)，如何利用水的有限潤(rùn)滑作用是純水液壓閥研發(fā)面臨的又一難題[8]。

油壓控制閥中的滑閥結(jié)構(gòu)通常采用間隙配合，而在水壓中由于水的黏度比油低，壓差相同的間隙就會(huì)產(chǎn)生約是油壓控制閥的十倍的泄漏量[5]。在水壓中，在泄漏量不變的前提下如果采用滑閥結(jié)構(gòu)，就必須減小閥芯與閥套的配合間隙。純水控制閥的配合間隙量應(yīng)為油壓的0.32倍[6]，較大壓力的油壓閥的閥芯與閥套之間的配合間隙有0.012～0.025 mm，那么純水控制閥的配合間隙就只能是0.003 8～0.008 mm。根據(jù)現(xiàn)在的加工水平，小于0.01 mm的尺寸就很難保證其加工精度，即使加工出來(lái)，精度也存在較大誤差，因此單純靠減小配合間隙的方法在水壓控制閥中根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)[7]。

3.3氣蝕問題

由于油的汽化壓力低，空氣在油中的溶解度較高，而水的汽化壓力（50 ℃時(shí)12 kPa）比液壓油（50 ℃時(shí)110 MPa）高100多倍，空氣在水中的溶解度約為液壓油的20%[3]，所以水壓閥的氣蝕現(xiàn)象比油壓閥嚴(yán)重。純水控制閥中經(jīng)常采用多級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)減小氣蝕問題的發(fā)生。多級(jí)節(jié)流結(jié)構(gòu)是指設(shè)計(jì)兩個(gè)串聯(lián)的節(jié)流口，共同分擔(dān)節(jié)流口兩端的壓差，從而降低每個(gè)節(jié)流口兩端的壓差，最終減輕氣蝕的發(fā)生。

3.4材料

在純水控制閥中，為有效防止純水腐蝕閥體一般采用奧氏體不銹鋼。閥芯和閥座可采用耐蝕合金、工程陶瓷和增強(qiáng)塑料以及金屬為基材，陶瓷為表層的復(fù)合材料等材料。由于復(fù)合材料保留了金屬的強(qiáng)韌性和陶瓷的高硬度及優(yōu)良的抗磨抗腐性能，且克服了陶瓷的脆性。另外，對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面鍍鉻、鎳等工藝處理，也可以提高材料的防腐抗磨性能。在水液壓系統(tǒng)中一些關(guān)鍵金屬材料還要從摩擦學(xué)角度考慮，現(xiàn)在水壓閥中也采用一些非金屬材料，如高分子復(fù)合材料，但非金屬材料需要考慮其吸水性、熱膨脹性和導(dǎo)熱性。所選擇的材料不僅要有較強(qiáng)的抗腐蝕性、較好的自潤(rùn)滑性能，還要具備在水介質(zhì)中性能穩(wěn)定、良好的抗疲勞性能等特點(diǎn)。

3.5振動(dòng)和噪聲

由于水的低黏度使得聲音在水中的傳播速度比在油中快10%，因此導(dǎo)致純水液壓系統(tǒng)的沖擊、振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重[9]。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料選擇，能夠有效地減小液壓元器件在水中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

4結(jié)論

純水液壓控制閥作為純水液壓系統(tǒng)的重要原件之一，且以水作為工作介質(zhì)，其優(yōu)良性能使得純水液壓控制閥具有廣闊的應(yīng)用前景。但是純水液壓閥的研制必須充分考慮水介質(zhì)特殊的理化性能，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單的依靠改變油壓控制閥的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料來(lái)獲得，必須對(duì)純水液壓控制閥的摩擦磨損機(jī)理、氣蝕腐蝕特性及密封技術(shù)等關(guān)鍵性的問題進(jìn)行針對(duì)性的研究。為推進(jìn)水液壓系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)水壓控制閥的材料選擇、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工制造等方面進(jìn)行必要的深入研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

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