純水液壓控制閥專利綜述研究

李星

摘 要：對比油壓帶來的不利因素，對水液壓元器件進行簡要介紹的同時并對純水液壓控制閥的研究現狀進行相關的論述。主要分析國內外純水液壓控制閥的研究現狀，針對純水液壓控制閥研制的關鍵技術要求提出相關的解決方案。簡要介紹了幾種典型純水液壓控制閥的研究。

關鍵詞：水液壓傳動；純水液壓控制閥；材料；密封

1水液壓簡介

20世紀初期，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最主要的工作介質，液壓元件和系統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存在著易燃和環境污染等系列問題。隨著世界經濟的發展，全球人口快速增長，能源過度消耗，環境污染問題日益嚴重。全世界都在大力提倡發展綠色循環經濟。水壓傳動技術具有節能環保優勢，適應現代社會發展的需求，有著良好的市場前景，因此在全世界迅速流行起來。

傳統液壓油因其良好的潤滑性，保證了油壓系統元件的可靠潤滑，延長了系統壽命。但油壓系統中液壓油介質來源于石油，易污染環境且具有可燃性，導致系統使用成本高，污染嚴重，安全性差。水作為一種純天然的介質，相比液壓油有著十分突出的優勢：（1）水資源來源廣泛，價格低廉；（2）水無污染，環境相容性好；（3）水介質不燃，安全性高；（4）水介質無需回收處理，降低了成本。以水作為傳動介質的水壓傳動技術是一項節能環保的綠色清潔技術，是油壓傳動技術良好的替代。水壓傳動技術目前已經成為流體傳動及控制領域國際學科前沿的重要研究方向，是液壓行業新的經濟增長點。

2國內純水液壓控制閥的研究現狀

20世紀70年代末80年代初西方發達國家開始展開了純水液壓控制閥的研究，目前業已進入實際應用階段[1]。而在我國相應也開展了一些實質性的研究，但仍處于起步階段，因此水液壓的發展有著巨大的發展空間。

華中科技大學于1990年起率先在國內開始了海淡水元件的研究和開發，經過十多年的努力，已經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”，現已成功應用于潛艇誘餌發射裝置，成為固定的軍工產品用潛艇誘餌發射裝置，成為固定的軍工產品。2002年華中科技大學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動的海水液壓旋轉型和往復型水下作業工具。

浙江大學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流閥，其性能基本能夠達到同類油壓閥的水平。

北京工業大學聶松林教授在純水液壓傳動系統上也有一定的研究，在國家863計劃項目“深海水壓動力元件關鍵技術的研究”支持下，研制出斜軸柱塞式、配流盤配流的結構海水泵。該泵在工作壓力14 MPa時，額定轉速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償的方式來密封，海水泵的軸承采用陶瓷軸承。該泵噪聲指標有些超標，有待進一步的完善改進。

3純水液壓控制閥研制的關鍵技術

純水液壓閥對液壓傳動系統的穩定性和可靠性起著至關重要的作用，是液壓傳動系統的重要原件之一。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：

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中主要發生的腐蝕問題。電偶腐蝕是指元件內部的異種金屬在腐蝕介質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海水中及摩擦副在腐蝕介質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生的腐蝕稱為氧化腐蝕。在純水液壓閥設計過程中，需要適當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防腐等措施來降低液壓元件存在的腐蝕問題。

3.2潤滑與密封 潤滑性主要是看介質的液膜厚度，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面臨的又一難題[8]。

油壓控制閥中的滑閥結構通常采用間隙配合，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構，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。根據現在的加工水平，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[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象比油壓閥嚴重。純水控制閥中經常采用多級節流結構減小氣蝕問題的發生。多級節流結構是指設計兩個串聯的節流口，共同分擔節流口兩端的壓差，從而降低每個節流口兩端的壓差，最終減輕氣蝕的發生。

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、工程陶瓷和增強塑料以及金屬為基材，陶瓷為表層的復合材料等材料。由于復合材料保留了金屬的強韌性和陶瓷的高硬度及優良的抗磨抗腐性能，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。在水液壓系統中一些關鍵金屬材料還要從摩擦學角度考慮，現在水壓閥中也采用一些非金屬材料，如高分子復合材料，但非金屬材料需要考慮其吸水性、熱膨脹性和導熱性。所選擇的材料不僅要有較強的抗腐蝕性、較好的自潤滑性能，還要具備在水介質中性能穩定、良好的抗疲勞性能等特點。

3.5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%，因此導致純水液壓系統的沖擊、振動和噪聲嚴重[9]。通過合理的設計結構和材料選擇，能夠有效地減小液壓元器件在水中產生的振動和噪聲。

4結論

純水液壓控制閥作為純水液壓系統的重要原件之一，且以水作為工作介質，其優良性能使得純水液壓控制閥具有廣闊的應用前景。但是純水液壓閥的研制必須充分考慮水介質特殊的理化性能，整體結構設計不能簡單的依靠改變油壓控制閥的設計參數和材料來獲得，必須對純水液壓控制閥的摩擦磨損機理、氣蝕腐蝕特性及密封技術等關鍵性的問題進行針對性的研究。為推進水液壓系統的快速發展，對水壓控制閥的材料選擇、新型結構設計，加工制造等方面進行必要的深入研究和探討。

參考文獻：

[1]賀小峰， 王學兵， 劉銀水. 先導式水壓溢流閥的設計[J]. 中國機械工程，2017， 16（18）：162-162.

[2]劉銀水， 黃艷，賀小峰，等. 水壓閥的研究與發展[J]. 液壓與氣動，2017（5）：10-13.

[3]趙恩剛， 數字式純水液壓溢流閥的設計研究： [D]. 昆明理工大學，2017.

[4]阮俊， 聶國念， 聶松林， 等. 船用細水霧滅火系統用海水軸向柱塞泵設計及其實驗研究[J]. 液壓與氣動， 2010 （4）：75-78.

[5]韓新苗. 水壓先導式電磁溢流閥的研制. [D]華中科技大學，2009.

[6]弓永軍. 純水液壓控制閥關鍵技術研究： [D]. 浙江大學，2005.

[7]楊署東， 李壯云. 水壓傳動的發展及其關鍵基礎技術[J]. 機床與液壓，2000（5）： 6-9.