纯水液压传动的关键技术问题

唐曙光

（佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

纯水液压传动的关键技术问题

唐曙光

（佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000）

对比传统液压传动技术，介绍了现代纯水液压传动技术的优点与不足，总结了国内外关于纯水液压传动的研究现状，并对纯水液压控制阀的关键技术问题作了详细介绍。

纯水液压传动；转向阀；溢流阀；节流阀

自从1605年发现了帕斯卡定律，传统的液压装置就把水用作其工作介质，由于水的密封性能欠佳，导致电气传动技术竞争激烈，因此长期阻碍着液压技术前进的步伐。直到1906年美军在其海军炮塔的仰俯液压装置中用油来作工作介质，水才渐渐退出液压传动的舞台［1］，加上制造技术的进步，解决了液压传动装置中的密封问题，油压传动技术至今仍在使用。

目前油压传动技术的飞速发展带来了严重的环境污染问题，且油易燃，操作不慎容易酿成安全事故，并导致能源浪费，减缓了其发展的步伐。随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的提高，传统液压传动技术逐渐被淘汰，取而代之的是更环保、安全的纯水液压传动技术，具有无污染、来源广、阻燃性好的纯水重新被用作液压传动装置的工作介质。

本文以纯水液压技术的关键基础件——纯水液压控制阀为例，结合现代纯水液压控制阀的国内外研究现状，对纯水液压转向阀、溢流阀及节流阀的相关技术问题进行详细的介绍，为研制性能优越的纯水液压控制阀提供有效的参考依据。

1 国内外研究现状

在20世纪70年代初，西方发达国家就开展了海水液压动力工具的研究工作，但是进展缓慢，原因是金属在海水下的摩擦、磨损性能有限，早期的材料基本以金属（包括合金）材料为主［2］。到了20世纪80年代末期，随着工程陶瓷与高分子材料的出现并应用于液压传动领域，许多海水液压器件的相关技术问题才得以解决，其中就包括易腐蚀和易磨损的问题，使得研究工作取得了历史性的突破。

自1989年起，丹麦的Danfoss公司和丹麦理工大学开展校企合作，开始研究纯水液压传动装置，历时5年研究设计出一系列纯水液压控制阀，并投入了生产［3］。为提高产品效率以及延长元件寿命，均采用工程塑料与不锈钢的组合，其工艺已超越了矿物油型液压元件，正常的工作压力达到14MPa，在各大

工业领域的应用取得了不错的成效。

关于纯水液压控制阀的研究，许多发达国家的厂商一直保持着良好的进展［4-8］。比如以研究生产中高压、大流量纯水液压控制阀为主的德国Hauhinco公司，成功将陶瓷技术应用于阀芯的制造，研制出压力等级为21MPa的纯水液压滑阀；芬兰的Hytaroy公司仿校丹麦Danfoss公司与坦佩雷工业大学开展校企合作，同样研制出多种纯水液压控制阀，且其压力等级高达32 MPa；日本作为亚洲的发达国家之一，其公司与大学也研制出各种压力达14 MPa的纯水控制阀。

由于我国对纯水液压技术的研究起步较晚，率先致力于海水介质研究的华中科技大学所研制的控制阀品种较少，压力等级也不高（额定压力不足10MPa），直至2000年才成功研制出压力等级14 MPa、流量40 L/min的先导式溢流阀。现在浙江大学已自主研发出一系列纯水柱塞泵及液压控制阀，其压力等级为14 MPa，流量达到100 L/min。与此同时，有关摩擦副料的研究工作也进展顺利。

虽然纯水液压传动技术解决了传统液压技术的许多不足，但其本身也存在着一些缺点，比如粘度低、腐蚀性强、润滑性差、气蚀性差以及噪声大等，这在一定程度上阻碍着纯水液压控制阀技术的发展，如何解决这些问题将成为业内人士日后需要努力的研究方向。

2 纯水液压控制阀的结构设计

纯水液压控制阀作为纯水液压传动技术的重要元件，其研制承受着一系列技术难题的考验，如水击、腐蚀、气蚀、冲蚀、泄露等。要研制出性能优越的纯水液压控制阀，除了要根据控制阀的功能要求和水介质的特性来设计元件结构以外，还需要选择合适的材料并按照严格的加工工艺流程进行加工，确保元件的质量。以下介绍3种典型控制阀结构形式的设计。

2.1 纯水液压换向阀

纯水液压换向阀是在纯水液压系统中用量最大、品种最多的一种控制阀。其作用是改变阀芯与阀体之间的相对位置，从而控制各种连接到阀体上的管道之间的通断，性能要求最严格。在要求灵敏度高的同时还要保证阀芯换向的可靠性，且要求减少液流通道的压力损失及关闭通道的泄漏量。

2.1.1 换向阀主阀结构形式

在传统的液压传动装置当中，其换向阀具有3种结构形式，分别为锥阀型、滑阀型、转阀型，不同的结构形式在水介质中有着不同的适用性。

（1）锥阀型换向阀。优点：泄漏量较小，拥有良好的过流能力和抗气蚀性。缺点：1）加工精度要求较高，受轴向不平衡压力的影响较大，难以解决水击问题。2）所需的操纵力较大，当进行快速切换时，强大的压力冲击容易对元件造成损伤。

（2）滑阀型换向阀与转阀型换向阀。优点：能较好地承受不平衡压力，所需的操纵力较小。缺点：1）阀芯和阀孔之间的间隙较大，导致泄漏情况严重。由于水的粘度比油的要小，两种规格相同的换向阀在其压差和间隙相同时，水压换向阀的泄漏损失量比油压换向阀多将近数10倍［9］。2）加工零件时只有把水压换向阀阀芯与阀孔间的间隙控制在0.1～0.2mm之间，才能减少泄漏量，提高了加工成本与加工难度，且如此小的间隙也会使运动副工作时极易出现堵塞和卡死的现象。

表1 硬铝合金试件在油包水乳化液中实验50 h的重量损失情况

除了以上3种结构形式，在传统液压换向阀中还存在着一种叫平面阀芯结构的特殊形式［10］。根据有关实验证明，不同阀芯在不同开度的重量损失情况下是不一样的，如表1所示。由表1可知，平面阀芯结构是抗气蚀性能最优越的，再加上把线密封技术应用于其阀芯与阀套之间，拥有锥阀型阀芯那样优越的密封性

能。因此，平面型结构是当下最合适的纯水换向阀主阀结构形式的选择。

2.1.2 换向阀先导阀结构形式

球阀结构经常作为先导部分被传统的液压换向阀选用，与滑阀结构相比，它主要拥有以下4个方面的优势。

（1）密封性好。利用钢球紧压在阀座上控制油路的切断，可以做到零泄漏，不仅能够减少能量损耗，而且能用在要求保压的系统当中，这一点是滑阀式电磁铁做不到的。

（2）反应速度快。一般电磁换向阀的行程是开口量与封油长度之和，而对于靠钢球实现换向的球阀结构来说，其钢球的行程就只是阀的开口量。因此，当两者的开口量一样时，电磁球阀所需的行程会比滑阀式电磁铁的要短，大大缩短了换向和复位时间，提高了反应速度，进而提高了换向频率。

（3）使用压力高。电磁球阀受液流力的影响较小，不存在液压卡紧的问题，加上采用液压平衡方式，使之仅需很小的力就可完成复位。基于钢球需要移动的距离较小，为了增大电磁铁的推力，可以采用杠杆机构，从而使电磁球阀的作用压力得以提高。

（4）可适应多种工作介质。由于球阀结构具有良好的密封性，使之能够适应的粘度范围很大，只需修改部分零件的用料，如乳化液、矿物油、高水基介质等都能使用。

基于对电磁球阀的特点分析可知，采用球阀结构作为纯水换向阀的先导阀结构形式较为合适。

2.2 纯水液压溢流阀

按照额定工作压力的高低来选择溢流阀结构形式，压力较低的定压溢流阀或压力较高的安全阀一般采用的是直动型结构，而压力较高的定压溢流阀一般采用的是先导型结构。

2.2.1 溢流阀主阀结构形式

由于溢流阀的主阀芯有着多种配合形式，其先导型结构可大致分为滑阀式结构、三级同心结构以及二级同心结构3种类型。在3种类型当中，工作压力与控制压力精度最低的是滑阀式结构，由于纯水液压元件所允许的配合间隙很小，给加工工艺增加了不少的难度。同时阀芯与阀套之间的摩擦会产生热量，导致卡紧现象的出现，因此滑阀式结构并不适用。

目前，应用最广的是三级同心结构，该结构相当成熟，其特点是工作压力较高。为进一步改善溢流阀的结构形式，本文设计了一种二级同心结构，如图1所示。该结构与三级同心结构相比有着以下优势［11］。

（1）运行效果。当两者规格相同时，二级同心结构的动作比三级同心结构的更为灵敏，其原因是二者溢流阀的阀口面积梯度不同，而二级同心结构的比较大使得灵敏度也随之增大。当两者阀芯的运动距离相同时，比较两者的通流能力，同样是二级同心结构的占优。

（2）结构复杂度。二级同心结构比三级同心结构要简单，一些主要零件的加工工艺要求也比三级同心结构的低，在很大程度上降低了制造成本。在装配或使用时，三级同心结构的准备时间远远大于二级同心结构，且需要格外小心，稍不谨慎便会影响到它的动作可靠性，在某程度上降低了工作效率。

图1 二级同心溢流阀结构

（3）压力稳定性。二级同心结构的压力不太稳定，其原因是在主阀打开之后，阀的开口会随着阀芯受压面积的增大而增大。而这样的问题很好解决，可在主阀末尾加设减震尾，这样其阀芯受压面积就不会在主阀打开后增大，且高速的液流容易在阀口形成减压趋势，从而使压力稳定性达到要求。

（4）工艺性上。二级同心结构的溢流阀比三级同心结构好，如图2所示。三级同心结构必须保证主阀阀芯A、B、C、D面的同心度，而对于二级同心结构而言，只需保证A′、B′两面的同心度。另外，由于二

级同心结构的配合面比三级同心结构的少，对阀芯、阀套及阀体间的配合要求也就相对较低。

水的密度比油大，流动惯性也随之增大，容易产生水击现象，综合以上对二级同心结构溢流阀的特点分析，水击形成的压力冲击会使得振动加剧，促使纯水液压溢流阀的磨损加快，因此选用设有减震尾的二级同心结构的溢流阀较为合适。

2.2.2 溢流阀先导阀结构形式

图2 二级同心阀芯与三级同心阀芯结构

溢流阀的先导结构也有两种类型：1）直动式；2）差动式。直动式的溢流阀按照其阀芯的不同又可分为球阀型与锥阀型。比较直动式的两种阀芯结构，随着阀芯慢慢与阀座分离，两者阀芯的开口量也会同时增大，但两者的过流面积不一样，球阀结构的相对较大，其主阀开启速度较快，从而缩短了升压时间。而新的问题又来了，速度快的同时也伴随着振动的产生，导致阀芯的动作欠缺稳定性，从而使主阀需要更长的时间才能恢复稳定。

差动式阀芯具有调压稳定性高、调压弹簧设计简单的优点，它能够利用承压面的面积差来减小作用在阀芯上的液动力。而考虑到元件的加工难度，需要做两个配合面明显比直动式的更加复杂，这样就会花费更多的成本在加工工艺上。

因此，纯水液压溢流阀的先导阀结构形式应选择直动式锥阀阀芯结构。

2.3 纯水液压节流阀

纯水液压节流阀是在纯水液压系统中负责调节流量、给泵加载的重要控制元件之一，其设计要求主要考虑两个方面：1）噪声的控制；2）最小稳定流量的问题［12］。

有一种节流阀口形式叫做轴向三角通槽式，它主要是对节流阀的流量实现微量调节。在中高压条件下工作时，这种形式的节流口在小开口过流时不容易被杂志所阻塞，加上其液压径向力可以透过其阀芯端部的贯通布置来达到平衡。在高压条件下工作时，要在阀芯中部轴里面开出斜向的小孔才便于平衡压力，并采用可调式结构使节流阀的调节力降低。这样既保证了低压工作时的可靠性，又实现了高压条件下工作时的简单调节。

由于水具有腐蚀性，其导电率超过液压油1 000倍［13］，若继续使用油压装置的材料来制作水压装置，必将造成大量锈蚀并引发运动件的卡死现象，不仅减慢了工作速度，而且会降低节流阀的寿命。因此，选料时必须慎重考虑与水介质的相容性，如具有自润滑性能、抗腐蚀性强、性能稳定、抗疲劳性高等特点的材料，奥氏体不锈钢就是很好的选择［14］。对其进行表面镀铬、镍等工艺处理，可提高材料的抗磨防腐性能。

由于水容易沸腾和气化，导致纯水液压节流阀中极易出现气蚀现象。在相同条件下，其气蚀破坏程度比油压节流阀强数百倍［15］。因此，避免或减轻气蚀损坏尤为重要。

图3 纯水液压节流阀结构

如图3所示的纯水液压节流阀结构，本研究对阀口截面的几何形状、阀腔结构进行了特殊设计，为满足防腐蚀、防气蚀、防冲蚀的要求，对不锈材料进行耐蚀处理后用于表面构造。另外，利用仿真软件对流场进行计算，对阀口的水回流腔的面积大小进行了一系列优化设计，使水流通过时所产生的噪声

大小得到了有效控制。

3 小结

本文在分析国内外纯水液压传动技术的研究现状的基础上，根据目前我国研究遇到的技术难点，以纯水液压控制阀的设计为例，结合水介质的特点，对传统油压控制阀上进行改造。详细介绍转向阀、溢流阀和节流阀结构形式的选择，为我国对纯水液压传动技术的研究提供参考。

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【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Research of pure water hydraulic transmission and control valve design

TANG Shu-guang
（Department of Mechatronics Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

This paper simply reviews the current research situation of pure water hydraulic transmission by comparing the traditional hydraulic transmission technology,summarizes the advantages and disadvantages of purewater hydraulic transmission.Then taking the design of the throttle valve,relief valve and steering valve as examples,thispaper introduces the design idea andmethod ofpurewater hydraulic valve.

pure water hydraulic transmission;steering valve;relief valve;throttle valve

TH137

A

1008-0171（2015）05-0012-05

2014-11-09

国家星火计划资助项目（2013GA780052）；广东省数控一代机械产品创新应用示范工程专项资金资助项目（2012B011300068）；广东省教育厅特色创新资助项目（2014KTSCX156）；佛山科技创新平台资助项目（2013AG10007，2013B1018）；禅城区科技计划资助项目（2013A1021）

唐曙光（1968-），男，湖南永州人，佛山科学技术学院实验师。