純水液壓控制閥的現(xiàn)狀研究

潘娜++易金玲

摘要：對比油壓帶來的不利因素，對水液壓元器件進(jìn)行簡要介紹的同時并對純水液壓控制閥的研究現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)的論述。主要分析國內(nèi)外純水液壓控制閥的研究現(xiàn)狀，針對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；純水液壓控制閥；材料；密封

中圖分類號：TH13752文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.006

Research of the water hydraulic valve

Pan Na， Yi Jinling

（Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou 451191，China）

Abstract：Compared with the adverse of hydraulic， a brief introduction of water hydraulic control valve and the status of its research are discussed. Analysis the domestic water hydraulic control valve of the status ， the hydraulic control valves for water developed by the key technical requirements for a solution. Briefly describes research of several typical water hydraulic control valve.

Keywords： water hydraulic；water hydraulic control valve；material；seal

基金項目：河南省教育技術(shù)裝備和實踐教育研究課題（GZS013）

1水液壓簡介

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，能源過度消耗，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)。水壓傳動技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需求，有著良好的市場前景，因此在全世界迅速流行起來。

傳統(tǒng)液壓油因其良好的潤滑性，保證了油壓系統(tǒng)元件的可靠潤滑，延長了系統(tǒng)壽命。但油壓系統(tǒng)中液壓油介質(zhì)來源于石油，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：（1）水資源來源廣泛，價格低廉；（2）水無污染，環(huán)境相容性好；（3）水介質(zhì)不燃，安全性高；（4）水介質(zhì)無需回收處理，降低了成本。以水作為傳動介質(zhì)的水壓傳動技術(shù)是一項節(jié)能環(huán)保的綠色清潔技術(shù)，是油壓傳動技術(shù)良好的替代。水壓傳動技術(shù)目前已經(jīng)成為流體傳動及控制領(lǐng)域國際學(xué)科前沿的重要研究方向，是液壓行業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點。

2國內(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)入實際應(yīng)用階段[1]。而在我國相應(yīng)也開展了一些實質(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年起率先在國內(nèi)開始了海淡水元件的研究和開發(fā)，經(jīng)過十多年的努力，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水深的深海水壓動力源及其驅(qū)動的海水液壓旋轉(zhuǎn)型和往復(fù)型水下作業(yè)工具。

浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點實驗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系統(tǒng)上也有一定的研究，在國家863計劃項目“深海水壓動力元件關(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，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間隙補(bǔ)償?shù)姆绞絹砻芊?，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)

純水液壓閥對液壓傳動系統(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主要包含以下幾點：

31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)中接觸時電位較低金屬的加速腐蝕[4] 。元件在高速流動的腐蝕介質(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)計過程中，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)防腐等措施來降低液壓元件存在的腐蝕問題。

32潤滑與密封

潤滑性主要是看介質(zhì)的液膜厚度，液膜厚其潤滑性能就好，水的潤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，則水壓控制閥的潤滑膜厚度為0.005～0.025 μm。在保證密封的同時，如何利用水的有限潤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，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法實現(xiàn)[7]。

33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12 kPa）比液壓油（50 ℃時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)常采用多級節(jié)流結(jié)構(gòu)減小氣蝕問題的發(fā)生。多級節(jié)流結(jié)構(gòu)是指設(shè)計兩個串聯(lián)的節(jié)流口，共同分擔(dān)節(jié)流口兩端的壓差，從而降低每個節(jié)流口兩端的壓差，最終減輕氣蝕的發(fā)生。

34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。

35振動和噪聲

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、振動和噪聲嚴(yán)重[9]。通過合理的設(shè)計結(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)生的振動和噪聲。

4國外典型純水液壓控制閥的研究

丹麥：Danfoss公司自1989年起開始與丹麥理工大學(xué)（DTU）展開合作，于1994年研制出Nessie系列水壓元器件[8]。其研制出的方向閥額定壓力為14 MPa，最大流量為60 L/min；流量閥的額定壓力為14 MPa，最大流量為30 L/min。由于材料采用了奧氏體不銹鋼、工程塑料等以及采用較小配合公差帶的配合，使其水壓元件性能不僅性能上能夠完善油壓產(chǎn)品，壽命更是達(dá)到甚至超過了礦物油型液壓元件。

美國：Elwood公司主要生產(chǎn)各種閥、泵、液壓缸以及控制系統(tǒng)[5]。其中該公司所生產(chǎn)的先導(dǎo)式水壓溢流閥流量大，調(diào)壓范圍大，溫度適應(yīng)能力強(qiáng)。該閥能夠在更換主閥閥芯、彈簧、對換進(jìn)出口后實現(xiàn)減壓閥與溢流閥的功能互換。其工作壓力范圍在2～51 MPa，最大流量380 L/min，并且該控制閥的響應(yīng)時間約為110 ms，開啟壓力約為調(diào)定壓力的88%～90%。

德國：Hauhinco公司[6]主要研究和生產(chǎn)高壓、大流量水壓元器件，水壓閥品種較為齊全，產(chǎn)品主要包括球閥、錐閥和滑閥三種形式，壓力分別可達(dá)到70 MPa、32 MPa和16 MPa，并于1995年成功研制出最大流量達(dá)到800 L/min陶瓷閥芯的水壓滑閥。Hauhinco公司生產(chǎn)的水壓閥產(chǎn)品己經(jīng)廣泛應(yīng)用在焊接機(jī)器人和金屬壓力成型等設(shè)備。

Rexroth公司主要生產(chǎn)以水或高水基作流體介質(zhì)的兩位兩通閥[7]，閥的幾何尺寸符合德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化孔徑，可與礦物油筒式閥互換。該公司生產(chǎn)的ATEX系列水壓電磁開關(guān)閥主要有兩種結(jié)構(gòu)，直動式和先導(dǎo)式。其中先導(dǎo)式水壓電磁開關(guān)閥額定流量有12 L/min、25 L/min及40 L/min，最大工作壓力能達(dá)到42 MPa，該系列的開關(guān)閥具有響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定等優(yōu)點。

日本：Ebara公司[9]最新研制出了水壓比例控制閥，其額定壓力為7 MPa，最大流量為35 L/min，換向頻率為25 Hz，內(nèi)泄漏量低于0.7 L/min，閥芯的遮蓋量約為全行程的5%，性能良好。

芬蘭：坦佩雷工業(yè)大學(xué)和HYTAROY公司聯(lián)合研制了多種純水液壓開關(guān)控制閥、純水液壓比例流量控制閥以及閥芯材料為陶瓷的比例閥，其壓力可達(dá)32 MPa。

5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)計不能簡單的依靠改變油壓控制閥的設(shè)計參數(shù)和材料來獲得，必須對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)行針對性的研究。為推進(jìn)水液壓系統(tǒng)的快速發(fā)展，對水壓控制閥的材料選擇、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工制造等方面進(jìn)行必要的深入研究和探討。

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