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(1.海軍駐武漢461廠軍事代表室， 湖北 武漢　430070； 2.華中科技大學(xué) 機械學(xué)院液壓氣動技術(shù)中心， 湖北 武漢　430074)

引言

當(dāng)今世界各國正面向海洋“逐水而居”以解決人口、資源與環(huán)境的困局，淺海(大陸架，水深小于200 m)區(qū)域因過度開發(fā)而致環(huán)境破壞和資源枯竭，海洋科學(xué)的研究和開發(fā)進程正從淺海走向深海。液壓技術(shù)關(guān)聯(lián)著深潛作業(yè)末端工具、機械臂操控和深潛器浮力調(diào)節(jié)等多個關(guān)鍵技術(shù)，以海水為工作介質(zhì)的液壓傳動技術(shù)與海洋環(huán)境相容且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是未來海洋裝備理想選擇。海水的腐蝕性、低黏度給海水液壓元件主要摩擦副帶來腐蝕磨損的難題,更為常見的是海水中固體顆粒、微生物和鹽析帶來污染失效的問題[1，2]。因此，在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須考慮海水液壓閥的防腐蝕磨損和抗污染能力。本研究結(jié)合一種以氣動先導(dǎo)控制靠氣壓驅(qū)動換向的三位三通海水電磁換向閥的三輪結(jié)構(gòu)演化設(shè)計闡述提高海水抗污染能力的設(shè)計經(jīng)驗。海水換向閥的主要性能指標(biāo)如下：

驅(qū)動氣壓力：0.2～0.8 MPa

主閥工作壓力：≤10 MPa

主閥通徑：15 mm(≤100 L/min)

1　第一輪設(shè)計：采用滑閥構(gòu)成三位三通閥

實踐證明，水液壓及海水液壓換向閥最忌諱采用滑閥式結(jié)構(gòu)(如圖1)。因為滑閥的閥芯與閥套存在間 隙導(dǎo)致水液壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計上出現(xiàn)兩難：防止泄漏要減小間隙或采用密封件，但隨之而來，不僅要求驅(qū)動力增大，而且海水中泥沙等顆粒污染物會存留間隙處帶來閥芯卡滯、卡死甚至失效。實際使用經(jīng)驗證明，滑閥式結(jié)構(gòu)抗污染能力差、可靠性低。

1、9.彈簧　2、7.閥套　3、8.O形圈　4.滑閥閥芯　5、6.閥體 圖1　滑閥式結(jié)構(gòu)原理圖

海水除了含有泥沙等污染物，還會因節(jié)流口壓力溫度等因素的變化產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象進而導(dǎo)致閥口結(jié)垢，造成閥的泄漏。據(jù)本課題組研究，高壓水在流經(jīng)閥口時，一般都會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，氣穴現(xiàn)象則會對海水液壓系統(tǒng)產(chǎn)生垢物有以下影響：

(1) 氣穴現(xiàn)象導(dǎo)致的氣蝕會產(chǎn)生局部沖擊和瞬時高溫[3]，閥工作中的機械損失和沖擊也會使局部水溫升高，而海水中主要成垢物質(zhì)鈣鎂等離子化合物的溶解度隨溫度升高而降低，因此，海水液壓閥在運行的過程中就會出現(xiàn)鈣鎂離子結(jié)垢的現(xiàn)象[4]；

(2) 氣穴現(xiàn)象發(fā)生時，海水中某些溶質(zhì)在低壓區(qū)會因為壓力減小而溶解度下降，同時溶質(zhì)的局部濃度會因為水的汽化而升高，超過臨界濃度時，溶質(zhì)就會析出在閥口并逐漸結(jié)垢。

圖2為模擬錐閥管件、滑閥管件在海水液壓系統(tǒng)回路中運行相同一段時間后閥芯附著垢物情況：從圖中可以看到，錐閥閥芯和滑閥閥芯過流表面明顯附著一層垢物，其中滑閥臺肩處顏色更深，垢層更厚。表1所示為不同流道結(jié)構(gòu)的試驗管件運行36 h后的結(jié)垢速率[2]。由表中數(shù)據(jù)可以看到，滑閥比錐閥閥口結(jié)垢速率更快。綜上，在海水環(huán)境下，滑閥的抗鹽析結(jié)垢能力較錐閥差。

本研究的海水液壓閥通徑大，閥芯操作力大，需采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。先導(dǎo)控制選用氣閥和氣驅(qū)來解決，氣驅(qū)腔與海水腔之間還需要用密封件隔離。第一輪設(shè)計中采用滑閥式結(jié)構(gòu)，閥芯和閥套之間用O形密封件隔離海水腔和氣驅(qū)腔。實際使用證明，滑閥式結(jié)構(gòu)是失敗的：海水污染物導(dǎo)致閥芯卡死，長期海水腐蝕和磨粒磨損，導(dǎo)致密封失效而漏氣、漏海水。

圖2　有機玻璃錐閥、滑閥實驗后垢物附著情況

錐閥滑閥運行前重G1/g46.60046.7685運行后重G2/g46.66346.796增重/g0.0560.0275結(jié)垢速率/mg·cm-2·h-10.06840.08

2　第二輪設(shè)計：采用膜片式結(jié)構(gòu)和錐閥構(gòu)成三位三通閥

圖3是某大學(xué)研發(fā)的三位三通氣驅(qū)先導(dǎo)控制海水液壓電磁換向閥的結(jié)構(gòu)原理圖[5]。該閥通過電磁先導(dǎo)閥控制氣缸動作以驅(qū)動閥芯啟閉，2個獨立的“背靠背”的錐閥協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)1個三位三通的換向功能。其工作原理如下，在中位時，電磁先導(dǎo)閥1、2均處于常閉狀態(tài)，左右兩錐閥也處于關(guān)閉狀態(tài)， P口、 O口和A口互不相通。當(dāng)有海水由A口進入閥腔內(nèi)時，水壓力作用在閥芯兩端面上，作用方向與彈簧預(yù)緊力相同，在彈簧預(yù)緊力和水壓力共同作用下，P口、O口被緊緊封閉。電磁閥1通電，氣壓通過先導(dǎo)電磁氣閥1進入活塞的左腔，克服彈簧1預(yù)緊力和閥芯1閥口處的海水壓力使閥芯1向右移動，使O口 開啟，A腔與O腔連通。電磁閥1斷電， 電磁閥1切斷通往活塞左腔的氣源，并讓活塞左腔排氣。此時在復(fù)位彈簧1海水壓力的作用下， 閥芯1向左移動， 使O口關(guān)閉。右位機能的實現(xiàn)原理與左位機能的實現(xiàn)原理完全相同。

1、10.活塞　2、9.彈簧　3、8.膜片　4、7.閥芯　5、6.閥體 圖3　三位三通電、氣動海水換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

該閥的每個錐閥分別由閥芯、彈簧、氣缸活塞和活塞導(dǎo)向套等零件組成，用橡膠膜片代替滑閥結(jié)構(gòu)中的密封件隔離氣驅(qū)腔和海水腔，同時導(dǎo)閥及其控制氣路也被有效隔離海水，抗污染能力得到一定程度提高[6]，工作可靠。但長期使用后，仍然存在一些問題：

(1) 長時間使用后閥口發(fā)現(xiàn)有海水中的泥沙污垢附著，閥口會有一定程度的結(jié)垢，導(dǎo)致錐閥芯與閥口密封不嚴(yán)而泄漏，有些閥口還出現(xiàn)明顯的點蝕坑；

(2) 一旦閥口出現(xiàn)泄漏，很難在現(xiàn)場維修和排除故障。因為必須先把先導(dǎo)電磁閥、閥體、閥芯和氣缸活塞一一完全分拆開來才能清除污染物和排除故障。設(shè)備使用者更無法進行適度的日常維護。

因此，第二輪設(shè)計中仍然存在抗海水污染能力差和可維修性差等問題。

3　第三輪設(shè)計：采用膜片式、錐閥和插裝式安裝構(gòu)成三位三通閥

第三輪設(shè)計中，保留了錐閥和膜片式結(jié)構(gòu)，著重考慮了該型閥結(jié)構(gòu)的抗海水污染和可維修性問題(如圖4)。從圖4中可以很明顯看出，新設(shè)計除采用三閥體結(jié)構(gòu)外，還采用了“插裝式”閥結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點主要有：

(1) 針對第二輪的結(jié)構(gòu)可維修性問題，將閥原先的兩閥體結(jié)構(gòu)改為三閥體結(jié)構(gòu)。改過之后， 電磁閥只在中間閥體之上安裝，維修時不需要裝拆整個閥體和管路。日常清洗兩閥口時，只需從左或右邊拆下端蓋，閥芯、閥套、活塞和彈簧為一體的整個裝配體就可以整體取出，便于清洗閥的各個部分和清除污染物殘留；

(2) 閥芯和閥套采用更耐海水腐蝕的新材料，如高品質(zhì)的奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和工程塑料等，改善閥口的耐海水腐蝕能力；

(3) 便于維護和維修的結(jié)構(gòu)，帶來可靠性提高，降低維修成本，更換易損零件方便。

1、14.閥體　2、15.活塞　3、12.導(dǎo)向壓塊　4、13.彈簧　5、9.閥芯　6、11.膜片　7、10.閥套　8.中間閥體 圖4　第三輪設(shè)計三位三通閥結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)論

經(jīng)過三輪改進后，該三位三通海水液壓電磁閥在可靠性、可維護性和防污染等方面的性能大大提高。得出如下結(jié)論：

(1) 錐閥是海水液壓閥的合適結(jié)構(gòu)類型；

(2) 膜片式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)有效隔離海水；

(3) 插裝式安裝結(jié)構(gòu)便于裝拆，提高了可維修性；

(4) 海洋環(huán)境極其復(fù)雜，海水液壓元件在投入使用之前，一定要重視環(huán)境適應(yīng)性試驗。設(shè)計過程中不僅要從選材角度考慮海水的腐蝕磨損問題，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計上有別于傳統(tǒng)的液壓閥結(jié)構(gòu),便于維修和維護的結(jié)構(gòu)是需要著重考慮的。

參考文獻：

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