面向深海的水压换向阀关键技术研究

发布时间：2020-05-19 22:18

【摘要】：海(淡)水液压传动技术是当前国际上流体传动及控制学科前沿的、有广阔应用前景的一门新兴技术。海水液压换向阀是海水液压传动系统中最重要也是最基础的控制元件之一,其主要功能是实现海水液压传动系统的作动元件(如液压缸、液压马达等)可靠动作,可在水下作业装备、消防、冶金、食品、农业机械、高压水清洗、核工业以及海水淡化等领域得到广泛的应用。海水液压换向阀的研制涉及流体传动与控制、新材料、摩擦学、机械设计等学科前沿,集中反映了水压传动的许多关键技术难点。因此,对于海水液压换向阀的研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本文以面向深海的水液压换向阀为研究对象,针对海水环境中液压阀的关键技术问题,对比研究了海水液压阀口密封常用配对材料的摩擦磨损机理和电化学腐蚀机理,定量分析了材料的腐蚀磨损交互作用;提出了一种基于湿式电磁铁的压力自平衡采样阀技术,探讨了海水液压电磁阀用全浸式电磁铁方案的可行性,并进行了试验验证;建立了海水液压锥阀阀口密封泄漏量分形模型,揭示了密封比压对阀口泄漏量的影响;基于应力-强度干涉理论,考虑失效模式相关性开展了阀口密封弹簧可靠性分析;以所研制的海水三位四通插装式电磁换向阀为例,进一步完善了海水液压换向阀实验室试验和海上试验方法。本文的具体研究工作分述如下:(1)分析概述了目前国内外水液压换向阀的研究进展,比较了国内外水液压换向阀的性能特点和发展状况,重点阐述了插装式水液压换向阀的应用前景,概括了海水环境下的材料腐蚀磨损和液压阀口密封可靠性国内外研究现状,提出了本文的关键技术问题和主要研究内容。(2)阐释了海水环境对阀口密封副材料的腐蚀磨损机理,定量描述了腐蚀磨损交互作用数学关系;搭建了海水腐蚀磨损电化学综合试验装置,通过摩擦学试验和电化学腐蚀试验,得到了阀口密封材料腐蚀磨损重要参数;深入探讨了腐蚀与磨损的交互作用,对比分析了腐蚀磨损的“负”交互作用。(3)介绍了静水压能驱动的深海采样方法,提出了一种基于湿式电磁铁的压力自平衡采样阀技术,利用多物理场耦合理论对电磁铁进行了仿真分析,研究了湿式电磁铁的静动态性能,在此基础上设计并研制了深海采集用两位三通电磁换向阀,开展了实验室和深海模拟试验研究,通过仿真和试验对比,验证了采样器样机能够在深海环境下完成天然气水合物的采集工作。(4)在考虑海水腐蚀磨损、高压流量、高可靠性的前提下,提出一种基于全浸式电磁铁的海水插装阀设计方案,通过试验验证了海水电磁阀用全浸式电磁铁的可行性,建立了海水插装式三位四通电磁换向阀数学模型,并对换向阀的动态性能进行了单参数影响因素和多参数遗传算法研究,通过对比分析实现了影响换向阀动态性能的关键参数优化,提高了换向阀的动态响应时间。(5)针对海水液压锥阀阀口密封泄漏失效问题,建立了锥阀阀口泄漏量分形模型,开展了海水背压下阀口密封副材料的全面均匀腐蚀试验,修正了海水背压情况下的材料腐蚀衰减模型,提出了海水液压阀口密封失效相关的可靠性分析方法,基于应力-强度干涉模型,对阀口密封弹簧进行了多失效模式可靠性分析,为水压换向阀阀口密封可靠性提供了理论依据。(6)在以上研究的基础上,研制了全浸式海水插装式三位四通电磁换向阀样机,搭建了海水液压换向阀试验系统,系统研究了海水换向阀性能测试方法,完成了海水换向阀样机的实验室动静态性能试验研究、深海模拟试验和海上试验研究,试验结果表明样机额定压力为14 MPa,额定流量为160 L/min,动态开启时间为109 ms,动态关闭时间为128 ms,满足既定技术指标要求,能够在深海环境下正常工作。最后,对本文的研究工作进行了总结,并指出了进一步的研究方向。
【图文】：

原理图,水压溢流阀,公司

a) 原理图a) Working principle diagramb) 实物图b) Physical map图 1-5 MIDLAND-ACS 二位四通水液压换向阀[52]Fig.1-5 Water hydraulic 4/2 directional valve by MIDLAND-ACS德国 Rexroth 公司生产的以水或高水基作流体介质的二位二通阀[53]，范围 5-55℃。阀的几何尺寸符合 DIN（德国工业标准）的标准化孔径油筒式阀互换。阀的额定工作压力可达 42 MPa。Rexroth 公司生产的水压电磁开关阀有直动式和先导式两种结构形式如图 1-6 所示，，先导开关阀最大工作压力可达 42 MPa，额定流量有 12 L/min、25 L/min，该系列的开关阀响应速度快、工作稳定[48]。

四通,电磁换向阀,水压,结构示意图

磁铁 2.阀体 3.左阀套 4.右阀套 5.弹簧座 6.弹簧 7.套筒 8.阀芯 9.图 1-7 水压三位四通电磁换向阀结构示意图[33, 54-60]ig.1-7 Schematic diagram of water hydraulic 4/3 directional va李塔研制出了额定压力为 14 MPa，额定流量为 16电磁换向阀样机，但仍然存在诸如体积过于庞大、路流体传动及控制国家重点试验室从 1997~1998 年开，已从国外引进一套淡水液压元件试验台。重点考察瓷、不锈钢-工程塑料、陶瓷-陶瓷三种配对的摩擦学系数，材料的质量损失或体积损失。经过多年的努力国家重点实验室在水压控制阀的研究方面取得了初制元件种类包括纯水控制阀、纯水压力控制阀和纯水过对水压控制阀的研究，该实验室不仅在摩擦磨损机材料选择等关键共性技术上有了一定的积累，而且在、加工制造等方面获得了宝贵的经验。积累的研究成制和实用化进程提供了坚实的基础。[48, 64]，如图
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH137.52

【参考文献】