王振耀，吳德發(fā)，程 謙，劉銀水

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

可調(diào)壓載裝置是潛水器實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)、深度控制、補償結(jié)構(gòu)形變、適應(yīng)海水密度變化的關(guān)鍵子系統(tǒng)，根據(jù)潛水器浮力調(diào)節(jié)原理，可調(diào)壓載裝置可以分為高壓氣吹型、活塞型以及海水液壓型等［1］。

海水液壓型可調(diào)壓載系統(tǒng)最先應(yīng)用于載人深潛器中，目前已成為載人深潛器的首選壓載調(diào)節(jié)方式。例如美國“Alvin”號、俄羅斯“MIR-I/II”號、日本“Shinkai6500”號以及我國的“蛟龍”號和“深海勇士”號均采用此種方式，如圖1 所示。海水液壓型直接以海水作為工作介質(zhì)，提高了環(huán)境適應(yīng)性、功率密度，也便于安裝維護，十分適合大深度載人潛水器的深海作業(yè)工況［2-3］。

海水液壓型可調(diào)壓載裝置的浮力調(diào)節(jié)功能必須通過控制閥組來實現(xiàn)。控制閥組主要由截止閥、平衡閥、安全閥等組成。高壓水介質(zhì)控制閥目前已有較多成熟產(chǎn)品。某公司生產(chǎn)了一種水壓為70 MPa的電磁截止閥，通過電磁鐵控制閥口啟閉。閥芯采用球閥形式，該結(jié)構(gòu)形式具有良好調(diào)心作用，并對各零件同軸度加工要求較低。但若要實現(xiàn)超高壓密封時的閥口開啟，則對電磁鐵要求較高，不適用于深海工況。WU 等［4-5］研制了一款深海高壓采樣閥，該閥額定工作壓力為70 MPa，采用錐閥結(jié)構(gòu)，閥芯使用鈦合金，閥座使用PEEK，軟硬配合的閥口以及平衡式閥芯結(jié)構(gòu)使得該閥具有良好的密封性。但是，此錐形閥芯調(diào)心作用較差，密封性受加工精度影響。

因此，現(xiàn)有水介質(zhì)閥門研究成果無法直接在全海深海水液壓控制閥組中進行應(yīng)用。同時，國內(nèi)外使用的控制閥組大多采用分散式布置方式，圖2 所示為4 500 m“深海勇士”號和7 000 m“蛟龍”號載人潛水器的控制閥組，各控制閥之間通過高壓硬管連接［6］。

圖2 “深海勇士”號和“蛟龍”號分散式控制閥組Fig.2 Dispersed control valve group used in “Deep Sea Warrior” and “Jiaolong”

分散式布置方式便于進行單閥試驗，但體積、重量較大，管路接口多，導(dǎo)致泄漏風險增加，安裝維護難度大，過長的管路和流阻會降低海水泵的吸入能力。

為了解決以上難題，對各高壓控制閥進行研制以及對控制閥組進行集成化設(shè)計是一種可行的方法。近年來，華中科技大學(xué)劉銀水教授團隊在水液壓技術(shù)、可調(diào)壓載裝置和集成閥組等方面開展了大量研究［7-8］。研制的六合一集成閥組如圖3 所示，包括4 個截止閥、1 個安全閥和1 個平衡閥。圖3（a）示出的集成閥組額定壓力和流量分別為6 MPa，25 L/min，圖3（b）示出的則為2.4 MPa，4 L/min。

圖3 六合一集成閥組Fig.3 Integrated valve group

目前中淺深度潛水器可調(diào)壓載裝置及集成閥組技術(shù)較為成熟，隨著潛水器下潛深度的增加，大深度載人潛水器可調(diào)壓載裝置及集成閥組的關(guān)鍵技術(shù)亟需突破。本文以全海深載人潛水器“奮斗者號”中所使用的超高壓集成閥組為研究對象，在單閥研制的基礎(chǔ)上進行閥組高度集成化設(shè)計，并探究深海超高壓控制閥關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。

1 全海深集成閥組功能原理分析

全海深可調(diào)壓載裝置作為全海深載人潛水器“奮斗者”號的核心子系統(tǒng)，主要由海水泵、集成閥組、壓載水艙以及液壓源組成。圖4 示出全海深可調(diào)壓載裝置系統(tǒng)原理。

圖4 全海深可調(diào)壓載裝置系統(tǒng)原理Fig.4 Schematic diagram of SHVBS system

壓載水艙是一個內(nèi)部中空的金屬球體，其內(nèi)部壓力接近大氣壓，在載人潛水器全海深范圍內(nèi)運行時體積變化極小?？烧{(diào)壓載裝置具有注水、排水兩種工況?？烧{(diào)壓載裝置注水時，壓載水艙內(nèi)海水重量增加，載人潛水器下潛；可調(diào)壓載裝置排水時，壓載水艙內(nèi)海水重量減小，載人潛水器上浮。海水泵為全海深可調(diào)壓載裝置的注排水過程提供動力。

可調(diào)壓載裝置注排水工況主要通過集成閥組來實現(xiàn)。集成閥組由5 個截止閥、1 個平衡閥、1個注水閥和1 個安全閥組成。

截止閥A，B，C，D 首尾相連組成橋式回路，液壓換向閥X，Y 用于控制4 個截止閥的啟閉。截止閥E 可以保證海水泵的空載啟動和停止，其啟閉由液壓換向閥Z 控制。截止閥A，B 的出口與壓載水艙相連，截止閥C，D 的入口與海洋環(huán)境相連，此種布局方式有效地提升了海洋環(huán)境到壓載水艙之間的密封性能，因為當可調(diào)壓載裝置處于非工作狀態(tài)時，海水需要通過兩道閥口（截止閥A，C 或者截止閥B，D）才能進入壓載水艙。同時，在截止閥B 和平衡閥之間可以有選擇性地布置注水閥。注水閥的本質(zhì)是一種流量控制閥，可以借助深海高外壓環(huán)境來實現(xiàn)壓載水艙的自流注水從而節(jié)約潛水器能源。注水閥的存在與否不會影響可調(diào)壓載裝置的注水、排水工況。因此，該全海深集成閥組使得全海深可調(diào)壓載裝置不僅可以進行海水泵注水、排水，而且可以進行低耗能的自流注水。

圖5 示出海水泵注水、排水、自流注水過程。圖5（a）示出當潛水器需要下潛時，截止閥B，C開啟，海水泵啟動，吸取海洋中的海水注入壓載水艙中。潛水器體積不變，重量增加，使得潛水器下潛。潛水器下潛同樣可以通過注水閥來實現(xiàn)。圖5（c）示出截止閥B，D 開啟，由于海洋壓力高于壓載水艙壓力，海水會自動注入壓載水艙中，海水泵不需要啟動。而海水注入壓載水艙的速度由注水閥來進行控制。圖5（b）示出當潛水器需要上浮時，截止閥A，D 開啟，海水泵啟動，吸取壓載水艙中的海水排到海洋環(huán)境中。潛水器體積不變，重量減小，使得潛水器上浮。

圖5 海水泵注水、排水和自流注水過程Fig.5 Seawater pump injection，drainage，and self-flow injection process

集成閥組中的安全閥用于系統(tǒng)超壓保護，防止海水泵及電機發(fā)生危險。而平衡閥對于可調(diào)壓載裝置實現(xiàn)海水泵注水是至關(guān)重要的。

圖5（a）中海水泵的介質(zhì)配流通過2 個單向閥實現(xiàn)，如果沒有平衡閥，當截止閥B，C 開啟后，在超高壓環(huán)境壓力的作用下，海水會經(jīng)過截止閥C、海水泵、注水閥、截止閥B 直接大量灌入壓載水艙，威脅到潛水器工作的安全性。而平衡閥保證在截止閥B，C 開啟后、海水泵啟動前，海水不會進入壓載水艙。只有當海水泵啟動，平衡閥入口壓力增加，平衡閥才會開啟，使得海水在海水泵的作用下注入壓載水艙，注水流量為海水泵所決定。

2 全海深集成閥組結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 超高壓液控截止閥

超高壓液控截止閥主要由推桿、壓桿、閥座、閥芯和彈簧等零件組成，如圖6 所示。集成閥組中5 個液控截止閥的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，具有互換性。該液控截止閥形成有控制腔、通海腔I、通海腔II、I 口和II 口共5 個腔室或接口?？刂魄慌c液壓源連接，當液壓源沒有運行時，控制腔壓力與環(huán)境壓力相同。通海腔I 和II 直接和海洋環(huán)境相連。

圖6 超高壓截止閥結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Composition of the ultra-high pressure stop valve structure

截止閥的啟閉性能是直接關(guān)系到可調(diào)壓載裝置是否可以完成注水和排水功能的重要因素。截止閥的開啟由液壓源驅(qū)動，當給控制腔施加高壓時，截止閥開啟。截止閥的II 口總是為環(huán)境壓力，截止閥A，B 的I 口為壓載水艙壓力，而截止閥C，D 的I 口為環(huán)境壓力。當液壓源關(guān)閉，控制腔壓力下降為環(huán)境壓力，截止閥閥口在彈簧力的作用下關(guān)閉。

2.2 超高壓深海平衡閥

平衡閥主要由閥芯、閥座、閥套、推桿、彈簧和密封圈等零件組成。圖7 示出平衡閥結(jié)構(gòu)組成和注水、排水工況下平衡閥閥芯的受力分析。

圖7 超高壓平衡閥結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Composition of the ultra-high pressure balance valve structure

圖5，7 中平衡閥的平衡腔總是與海洋環(huán)境相通，海水泵未啟動時，平衡閥入口壓力同樣與環(huán)境壓力相同。在注水工況時，平衡閥出口與壓載水艙相連，平衡閥必須保證可靠的密封，而平衡閥關(guān)閉狀態(tài)下閥口壓差最大會達到118 MPa。理想狀態(tài)下，海水泵啟動時平衡閥的開啟壓力只由彈簧決定，這要求推桿直徑與入口直徑完全相同。然而由于加工誤差的客觀存在，推桿直徑無法與入口直徑保持一致。為了保證平衡閥在海水泵啟動前的密封性，在設(shè)計時使推桿直徑大于入口直徑。

2.3 結(jié)構(gòu)集成化與流道設(shè)計

全海深載人潛水器“奮斗者號”中所使用的控制閥進行了集成化設(shè)計，采用插裝式安裝結(jié)構(gòu)，各控制閥之間通過集成閥體內(nèi)部流道進行溝通，流道短，極大程度地減小風險點，體積和重量也得到了降低。

基于集成閥組各控制閥出入口連接方式和集成閥組流道設(shè)計需求，對各控制閥空間布局方式進行合理設(shè)計，集成閥組內(nèi)部各控制閥的連接布局方式如圖8 所示。

圖8 集成閥組內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Schematic diagram of internal structure of integrated valve group

根據(jù)圖8 示出的集成閥組布局方式，在集成閥組內(nèi)部，截止閥豎直布置，其中截止閥A，B 方向一致，截止閥C，D，E 的方向與截止閥A，B 相反。平衡閥和安全閥相對共軸線豎直布置，注水閥橫向布置。集成閥組實際布局結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 集成閥組實際結(jié)構(gòu)Fig.9 Actual structure of integrated valve group

3 全海深集成閥組關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

全海深集成閥組在大深度海洋環(huán)境工作時，其工作狀態(tài)會和低壓控制閥存在顯著的區(qū)別，其中有3 個關(guān)鍵技術(shù)對集成控制閥組的功能和性能的影響最為顯著：超高壓密封圈密封力對控制閥工作性能的影響、超高閥口壓差下硬質(zhì)閥口的密封性以及超高介質(zhì)流速下閥口的壽命。

3.1 超高壓密封圈摩擦力精確評估

密封圈的摩擦力對于全海深控制閥的動靜態(tài)性能具有顯著的影響［9］。因此，密封圈摩擦力的精確獲得對于全海深集成閥組性能評估具有重要意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于密封圈摩擦力的研究。YUAN 等［10］基于試驗和理論研究方法提出了一種新型的O 型圈混合潤滑模型，該方法可以準確對試驗測得的摩擦力進行預(yù)測，其最高壓力達到10 MPa。WANG 等［11］研究了摩擦副表面粗糙度對摩擦力和泄漏量的影響，結(jié)果顯示粗糙度越大，摩擦力越大，泄漏量也越大，其最大壓力達到5 MPa。然而，現(xiàn)有的研究通常著眼于特定工況、特定形狀的密封圈，工作壓力不高，因此應(yīng)用范圍較小。密封圈摩擦力還與密封圈壓縮量、摩擦副材料、工作壓力、表面粗糙度等諸多因素有關(guān)。為了獲得全海深集成閥組密封圈在超高工作壓力狀態(tài)下的摩擦力，設(shè)計一種真實工況試驗原理來進行測量是有效的方法［12］。圖10 示出密封圈力測量試驗原理。

圖10 密封圈摩擦力測量試驗原理Fig.10 The schematic diagram of the friction force measurement of seal ring

圖10 中的試驗閥塊主要由傳力推桿、推桿、壓片、隔離壓片及密封圈組成。其中壓片、隔離壓片、推桿的尺寸可以改變來適應(yīng)不同規(guī)格的密封圈。推桿由電動推桿驅(qū)動，在電動推桿和傳力推桿之間安裝有力傳感器和位移傳感器，通過液壓萬用表可以實時監(jiān)測其數(shù)據(jù)。超高壓泵站與接口I 連接來模擬深海環(huán)境壓力，超高壓泵的壓力最高可以達到140 MPa。在接口II 處設(shè)置有手動泵，當推桿在電動推桿的作用下運動到極限位置后，可以通過手動泵來復(fù)位推桿以進行下一次試驗。

平衡閥所用密封圈結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

圖11 密封圈結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of the sealing ring

不同環(huán)境壓力下的摩擦力如圖12 所示，密封圈壓縮量為0.5 mm。隨著環(huán)境壓力的增加，密封圈靜摩擦力和動摩擦力都呈近似線性變化關(guān)系，而靜摩擦力遠大于動摩擦力。

圖12 密封圈摩擦力試驗結(jié)果Fig.12 Test results of the seal ring friction force

3.2 超高壓硬質(zhì)閥口密封性能研究

海水的黏度低，潤滑性差，導(dǎo)致控制閥閥口密封性難以實現(xiàn)［13］。低壓控制閥通常采用硬-軟的閥口配對方式，高硬度閥芯在密封力的作用下“嵌入”低硬度閥座中，使閥座產(chǎn)生變形來實現(xiàn)高可靠密封［14-15］。對于超高壓控制閥來說，閥口必須采用硬-硬的配對方式以保證其長壽命運行。而高硬度的閥芯和閥座之間的形變密封更加困難。

增加閥口密封力可以顯著提高閥口密封性，但是過高的密封力會阻礙閥口的開啟，不利于優(yōu)化控制閥性能。閥口位置表面粗糙度和圓度誤差的客觀存在是閥口實現(xiàn)可靠密封的難點［16］。圓度誤差總是會遠大于表面粗糙度，通過三坐標測量儀所得到的TC4 閥座和Si3N4 閥座的圓度誤差和表面粗糙度見表1。在閥口密封性的研究過程中只考慮圓度誤差的影響。

表1 閥座的表面粗糙度和圓度誤差Tab.1 Surface roughness and roundness error of the valve seats μm

目前國內(nèi)外關(guān)于閥口密封性的研究成果較多［17-18］，然而這些研究中閥口密封壓力不高，關(guān)于線接觸閥口密封性能的研究也較少。因此，針對超高壓控制閥硬-硬閥口配對方式的密封性開展研究是非常重要且有必要的。

根據(jù)以上分析，本文提出一種基于圓度誤差的閥口密封性評估方法和最小密封力計算原理。圖13 示出超高壓控制閥硬質(zhì)閥口的密封原理。當閥口密封力使閥座產(chǎn)生的徑向變形大于或者等于圓度誤差，則認為閥口可以達到可靠密封狀態(tài)。而徑向變形等于圓度誤差的臨界點則可以得到最小密封力。

圖13 考慮圓度誤差的閥口密封原理Fig.13 Sealing principle of valve ports considering a roundness error

全海深集成閥組中截止閥閥口的密封性最為關(guān)鍵。通過有限元分析方法和考慮圓度誤差的密封原理對截止閥密封性進行評估［19］。根據(jù)圖6 建立有限元仿真模型，密封力主要由環(huán)境壓力產(chǎn)生的液壓力和彈簧力組成。通過有限元分析方法將密封力施加于閥芯頂部，方向朝向閥座，從而可以得到在不同環(huán)境壓力下閥座的徑向變形，如圖14 所示。

結(jié)合表1 可知，當環(huán)境壓力為58 MPa 時，TC4 閥座的徑向變形等于圓度誤差（1.8 μm）。而Si3N4閥座的徑向變形總是小于圓度誤差。說明當環(huán)境壓力高于58 MPa 時，TC4 閥座可以達到無泄漏狀態(tài)；而即使環(huán)境壓力達到118 MPa，Si3N4閥座仍然存在泄漏。

通過試驗對上述有限元分析結(jié)果進行驗證，圖15 示出閥座采用兩種材料制造的超高壓截止閥閥口密封試驗原理。試驗過程中模擬的是可調(diào)壓載裝置非工作狀態(tài)，因此控制腔、通海腔I、通海腔II 以及截止閥II 口均為超高壓泵站模擬的環(huán)境壓力。

圖15 超高壓截止閥密封性試驗原理Fig.15 Schematic diagram of an experimental system for sealing performance of ultra-high pressure stop valve

試驗結(jié)果顯示，當環(huán)境壓力達到60 MPa 左右時，TC4 閥座達到零泄漏狀態(tài)；而環(huán)境壓力達到118 MPa，Si3N4閥座仍然存在泄漏。有限元仿真結(jié)果和試驗結(jié)果極為接近。

綜上所述，通過考慮圓度誤差的密封原理和有限元分析方法可以快速、準確地對超高壓硬質(zhì)閥口的密封性進行評估，并且可以得到最小密封力，從而指導(dǎo)控制閥關(guān)鍵參數(shù)的詳細設(shè)計。其中圓度誤差可以直接通過加工精度得到，而無需借助測量儀器。

3.3 長壽命閥口配對材料研究

天然海水污染嚴重，含有大量懸砂顆粒，且懸砂顆粒的粒徑較小，處于微米級別［20］。可調(diào)壓載裝置中所配備的過濾器無法完全避免懸砂進入集成閥組。因此混合有超高硬度懸砂的海水介質(zhì)經(jīng)過控制閥時會對閥口產(chǎn)生劇烈的沖蝕損傷。

控制閥閥口超高壓差導(dǎo)致介質(zhì)流速極高。當全海深載人潛水器處于海深為11 000 m 時，平衡閥、截止閥等控制閥閥口在開啟過程中壓差將會達到甚至超過118 MPa。

根據(jù)流量公式，當閥口壓差為118 MPa 時，可以計算得到閥口最大流速為：

由于海水的運動黏度低、飽和蒸氣壓較高，高壓差閥口處易產(chǎn)生氣蝕破壞。同時，高速流體介質(zhì)使得懸砂海水對閥口的沖蝕作用增強。因此，超高壓控制閥閥口的壽命受到極大的限制。

本文開發(fā)一種超高壓控制閥閥口真實工況模擬試驗系統(tǒng)來對不同材料的閥口進行長時間沖刷試驗，進而探究最適合全海深工況的閥口材料。截止閥的閥口形式和平衡閥相同，因此對平衡閥進行閥口長時間沖刷試驗，通過手動泵在平衡腔施加環(huán)境壓力，入口連接超高壓泵站，如圖16所示。

圖16 超高壓閥口沖刷試驗Fig.16 Erosion test of ultra-high pressure valve port

觀察平衡閥入口壓力傳感器，將閥口壓差調(diào)整到118 MPa。閥芯材料為高硬度陶瓷，更換不同材料的閥座來進行試驗。閥座材料分別為TC4，17-4PH 和Si3N4。

經(jīng)過6 h 沖刷后，為了觀察閥座表面破壞情況，使用環(huán)境掃描電子顯微鏡進行觀察。圖17 示出3 種材料在600 倍電鏡下閥口表面形貌。

圖17 沖刷試驗后閥座表面形貌Fig.17 Surface morphology of valve seat after erosion test

圖17（a）示出TC4 閥座表面形貌，其閥口密封帶出現(xiàn)大量水流沖刷痕跡并且伴隨有顆粒沖擊、鑲嵌，甚至出現(xiàn)大面積材料剝落。圖17（b）示出17-4PH 閥座表面形貌，表面受損情況遠優(yōu)于TC4 閥座，但是仍然出現(xiàn)明顯的水流沖刷、材料剝落和硬質(zhì)顆粒物撞擊損傷的痕跡。圖17（c）示出Si3N4閥座表面形貌，表面幾乎不存在水流沖刷痕跡和材料剝落，說明水流和硬質(zhì)顆粒物無法對陶瓷閥座產(chǎn)生明顯的損傷，但是仍然存在細小的硬質(zhì)顆粒撞擊痕跡。

綜上所述，從閥口抗氣蝕和沖蝕性能來看，Si3N4閥座壽命最長，17-4PH 閥座次之，TC4 閥座壽命最短。

4 結(jié)論

（1）密封圈摩擦力會影響控制閥動、靜態(tài)性能，通過模擬深海實際工況可準確地獲得密封圈不同海深壓力下的摩擦力，也可以更好地預(yù)測控制閥性能的變化趨勢。

（2）與低壓硬-軟材料配對閥口不同，高壓硬-硬材料配對閥口難以達到可靠密封，通過有限元分析和試驗驗證結(jié)合的方法可以對超高壓閥口密封性進行高效率評估。

（3）當控制閥閥口壓差達到118 MPa 時，閥口流速接近400 m/s，閥口會受到嚴重的沖蝕和氣蝕破壞，通過平衡閥構(gòu)建不同材料閥口長時間沖刷試驗平臺來驗證并獲得最適合全海深工況的閥口配對副，從而最大程度的延長閥口壽命。

最終研制得到的集成控制閥組完成了陸地試驗、全工況模擬試驗及馬里亞納海溝探索任務(wù)。本文所研究的全海深海水可調(diào)壓載集成控制閥組適應(yīng)于大深度極端工況，并可以被廣泛應(yīng)用于重大深海裝備。