数字式纯水液压阀所面临的技术问题.DOC

数字式纯水液压阀的研究 袁锐波1，许茂桃2，张自华1，邵晓光1 （1.昆明理工大学流体控制工程研究所，云南 昆明 650093） （2.云南省国防工业职业技术学院 云南 昆明 650222） Digital Pure Water Hydraulic Valves Research Yuan Rui-bo1, xu mao-tao2, Zhang Zi-hua1,Shao Xiao-guang1 摘要：本文论述了数字式纯水液压阀的应用优势及其在研发中所面临的技术难题，并提出了一些切实有效的解决措施。 关键词：数字式纯水液压阀；气蚀；泄漏；水击 1 前言 水液压传动技术不仅具有液压技术的共性优点，又具有无污染，安全，节省能源，经济性好，动态性能好，系统效率高等突出的特点，符合机械工业进行绿色制造的可持续性发展的方向。随着微型计算机的发展和提高，特别是单板机、单片机低廉的价格，为液压系统的数字化提供了必要的条件。而科学技术的进步、数字化、信息化、知识化时代的到来，人类环保、能源危机意识的提高，液压技术必然要与相结合， 水的粘度低带来了泄漏和拉丝腐蚀。拉丝腐蚀是高速水流和水中夹带的微小颗粒流过阀芯与阀套或阀芯与阀座之间的微小缝隙后，在相关零件表面产生的冲蚀磨损。为了减小泄漏量，水液压阀的阀芯和阀套之间的间隙比油压的要求要小，但是过小的间隙势必要提高阀芯和阀套的加工精度，给加工带来了困难。同时水的润滑性差使得阀芯与阀套之间很难实现液体润滑，还有可能出现干摩擦，粘着一滑移是阀芯常见的运动学现象。粘滞滑移不仅带来摩擦面的粘着磨损和对偶面拉伤，而更为严重的是导致阀芯的卡阻以至阀失效。在保证密封的同时，如何利用水的有限润滑作用是数字式纯水液压阀研发面临的难题。 4.1.2 阀芯和阀套的材料选择 水液压阀类元件中阀芯和阀套的材料选择除考虑气蚀和腐蚀外，还要从摩擦学的角度出发考虑摩擦副对偶件之间相互的减阻耐磨性等。如果选用非金属材料还需考虑材料的导热性、热膨胀和吸水性。从目前国内外水液压元件的摩擦副选材来看，比较成功的摩擦副配对有：塑料一金属，金属一陶瓷，陶瓷一陶瓷等，以及我们正在研究的金属石墨材料和改性的聚四氟乙烯塑料等都具有良好的应用前景。对于动态性能要求不太高的普通开关式液压阀，在当前技术条件下塑料对金属是较为合适的选择。塑料摩擦件在很大的范围内正在逐渐取代金属摩擦件。如经过填充改性的聚四氟乙烯塑料得到了广泛的应用。经过填充改性聚四氟乙烯，不但保留了原有的自润滑、耐腐蚀等特性外，而且其机械强度低、耐磨性差、导热性差、工件结构尺寸不稳定、抗蠕变能力差等缺点也得到了大大改善，使其在水液压传动中的应用范围更广。 4.1.3 阀芯和阀口的结构设计 阀芯和阀口的结构设计对于纯水液压传动是非常重要的。阀芯和阀口处是气穴的发生根源，因此需要对其结构进行改进，从而降低气蚀的发生率。常用的结构有：多级节流和高压引流的组合结构、阀的下游腔室采用特殊结构、阀芯头部采用特殊结构、阀芯锥角适当地比阀座的锥角大等来控制气穴的发生。 4.1.4 气蚀与气蚀磨损 由于水的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在水液压阀中很容易产生气蚀。气蚀对材料表面的破坏作用主要是气泡崩溃后产生的压力波对零件表面产生很强的冲击作用，由于水的密度大，可压缩性小，同矿物油相比，水在气泡破裂时产生的压力冲击更大，破坏力更强，这种冲击压力最高时甚至可以超过1MPa。气蚀的破坏速度与材料的机械性能密切相关。此外与水中氧气的含量、水的温度、液流速度、阀芯的形状、阀口开度、出口背压等对气蚀都有影响。阀口开度越大时，气蚀侵蚀越严重，这可能是由于开度增大而使流量增加的缘故；而阀芯比阀座所受的气蚀侵蚀更严重[5]。 4.1.5 拉丝侵蚀和冲蚀 由于水的黏度低，在相同的条件下阀口的流速比油压阀高。高的流速流过节流口时，会对阀芯与阀座产生严重的冲刷作用，久而久之会在其上面形成一道道沟痕。而冲蚀则是水流以一定的角度冲向零件表面所造成的。拉丝侵蚀最严重的地方是在阀芯的中心，因为此处流速最高。当阀口开度越小，拉丝侵蚀越严重，而阀的开度越大，则气蚀侵蚀越严重[5]。材料的硬度对拉丝侵蚀有很大的影响，一般来说，材料的硬度越高，抗拉丝侵蚀和冲蚀的能力就越强。高速水流造成的拉丝侵蚀与流体的能量密度有关，亦即和单位体积所携带的能量有关。 4.1.6 腐蚀 液压元件在水介质中主要发生磨损腐蚀和电偶腐蚀两种电化学腐蚀[6]；磨损腐蚀即元件在高速流动的腐蚀介质中及摩擦副在腐蚀介质中的腐蚀；电偶腐蚀即元件中异种金属在腐蚀介质中接触时电位较低金属的加速腐蚀。腐蚀表现为材料由于环境作用引起的破坏或变质，材料的损失或转移。其解决措施有： ①根据材料的自然抗腐蚀能力，正确地选择与水介质环境相容的金属或非金属材料。工程陶瓷、复合材料、炭纤维增强塑