海水液壓閥抗海水污染的結構設計研究

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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 機械學院液壓氣動技術中心， 湖北 武漢　430074)

引言

當今世界各國正面向海洋“逐水而居”以解決人口、資源與環境的困局，淺海(大陸架，水深小于200 m)區域因過度開發而致環境破壞和資源枯竭，海洋科學的研究和開發進程正從淺海走向深海。液壓技術關聯著深潛作業末端工具、機械臂操控和深潛器浮力調節等多個關鍵技術，以海水為工作介質的液壓傳動技術與海洋環境相容且系統結構簡單，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，在選材和結構設計上必須考慮海水液壓閥的防腐蝕磨損和抗污染能力。本研究結合一種以氣動先導控制靠氣壓驅動換向的三位三通海水電磁換向閥的三輪結構演化設計闡述提高海水抗污染能力的設計經驗。海水換向閥的主要性能指標如下：

驅動氣壓力：0.2～0.8 MPa

主閥工作壓力：≤10 MPa

主閥通徑：15 mm(≤100 L/min)

1　第一輪設計：采用滑閥構成三位三通閥

實踐證明，水液壓及海水液壓換向閥最忌諱采用滑閥式結構(如圖1)。因為滑閥的閥芯與閥套存在間 隙導致水液壓閥結構設計上出現兩難：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。實際使用經驗證明，滑閥式結構抗污染能力差、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　滑閥式結構原理圖

海水除了含有泥沙等污染物，還會因節流口壓力溫度等因素的變化產生鹽析現象進而導致閥口結垢，造成閥的泄漏。據本課題組研究，高壓水在流經閥口時，一般都會產生氣穴現象，氣穴現象則會對海水液壓系統產生垢物有以下影響：

(1) 氣穴現象導致的氣蝕會產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鈣鎂離子結垢的現象[4]；

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

圖2為模擬錐閥管件、滑閥管件在海水液壓系統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所示為不同流道結構的試驗管件運行36 h后的結垢速率[2]。由表中數據可以看到，滑閥比錐閥閥口結垢速率更快。綜上，在海水環境下，滑閥的抗鹽析結垢能力較錐閥差。

本研究的海水液壓閥通徑大，閥芯操作力大，需采用先導式結構。先導控制選用氣閥和氣驅來解決，氣驅腔與海水腔之間還需要用密封件隔離。第一輪設計中采用滑閥式結構，閥芯和閥套之間用O形密封件隔離海水腔和氣驅腔。實際使用證明，滑閥式結構是失敗的：海水污染物導致閥芯卡死，長期海水腐蝕和磨粒磨損，導致密封失效而漏氣、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結垢速率/mg·cm-2·h-10.06840.08

2　第二輪設計：采用膜片式結構和錐閥構成三位三通閥

圖3是某大學研發的三位三通氣驅先導控制海水液壓電磁換向閥的結構原理圖[5]。該閥通過電磁先導閥控制氣缸動作以驅動閥芯啟閉，2個獨立的“背靠背”的錐閥協調動作來實現1個三位三通的換向功能。其工作原理如下，在中位時，電磁先導閥1、2均處于常閉狀態，左右兩錐閥也處于關閉狀態， P口、 O口和A口互不相通。當有海水由A口進入閥腔內時，水壓力作用在閥芯兩端面上，作用方向與彈簧預緊力相同，在彈簧預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，氣壓通過先導電磁氣閥1進入活塞的左腔，克服彈簧1預緊力和閥芯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。此時在復位彈簧1海水壓力的作用下， 閥芯1向左移動， 使O口關閉。右位機能的實現原理與左位機能的實現原理完全相同。

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、氣動海水換向閥結構原理圖

該閥的每個錐閥分別由閥芯、彈簧、氣缸活塞和活塞導向套等零件組成，用橡膠膜片代替滑閥結構中的密封件隔離氣驅腔和海水腔，同時導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現有海水中的泥沙污垢附著，閥口會有一定程度的結垢，導致錐閥芯與閥口密封不嚴而泄漏，有些閥口還出現明顯的點蝕坑；

(2) 一旦閥口出現泄漏，很難在現場維修和排除故障。因為必須先把先導電磁閥、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。設備使用者更無法進行適度的日常維護。

因此，第二輪設計中仍然存在抗海水污染能力差和可維修性差等問題。

3　第三輪設計：采用膜片式、錐閥和插裝式安裝構成三位三通閥

第三輪設計中，保留了錐閥和膜片式結構，著重考慮了該型閥結構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，新設計除采用三閥體結構外，還采用了“插裝式”閥結構，其優點主要有：

(1) 針對第二輪的結構可維修性問題，將閥原先的兩閥體結構改為三閥體結構。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構，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　第三輪設計三位三通閥結構圖

4　結論

經過三輪改進后，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。得出如下結論：

(1) 錐閥是海水液壓閥的合適結構類型；

(2) 膜片式結構實現有效隔離海水；

(3) 插裝式安裝結構便于裝拆，提高了可維修性；

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

參考文獻：

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[3]Li Z Y. Cavitation in Fire Resistant Fluid Power Systems[C]//Proceedings of 38th National Conference on Fluid Power, USA. 1982: 213-224.

[4]Oddo J E, Smith J P, Tomson M B. Analysis of and Solutions to the CaCO3and CaSO4Scaling Problems Encountered in Wwells Offshore Indonesia[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers,1991.

[5]彭建，楊曙東，李壯云，薛紅軍．一種三維三通電、氣動海水換向閥的研制[J]．液壓氣動與密封，2001，(6)： 22-23．

[6]朱碧海，何偉，宋彥軍，賀曉峰，劉銀水．膜片式先導水壓溢流閥的研制[J]．流體機械，2011，(10)：16-18．