纯水液压控制阀的现状研究

潘娜++易金玲

摘要：对比油压带来的不利因素，对水液压元器件进行简要介绍的同时并对纯水液压控制阀的研究现状进行相关的论述。主要分析国内外纯水液压控制阀的研究现状，针对纯水液压控制阀研制的关键技术要求提出相关的解决方案。简要介绍了几种典型纯水液压控制阀的研究。

关键词：水液压传动；纯水液压控制阀；材料；密封

中图分类号：TH13752文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.006

Research of the water hydraulic valve

Pan Na， Yi Jinling

（Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou 451191，China）

Abstract：Compared with the adverse of hydraulic， a brief introduction of water hydraulic control valve and the status of its research are discussed. Analysis the domestic water hydraulic control valve of the status ， the hydraulic control valves for water developed by the key technical requirements for a solution. Briefly describes research of several typical water hydraulic control valve.

Keywords： water hydraulic；water hydraulic control valve；material；seal

基金項目：河南省教育技术装备和实践教育研究课题（GZS013）

1水液压简介

20世纪初期，矿物油型液压油以其良好的综合理化性能成为液压传动技术最主要的工作介质，液压元件和系统的性能在较大程度上也得以提高，但矿物油型液压油作为液压传动介质存在着易燃和环境污染等系列问题。随着世界经济的发展，全球人口快速增长，能源过度消耗，环境污染问题日益严重。全世界都在大力提倡发展绿色循环经济。水压传动技术具有节能环保优势，适应现代社会发展的需求，有着良好的市场前景，因此在全世界迅速流行起来。

传统液压油因其良好的润滑性，保证了油压系统元件的可靠润滑，延长了系统寿命。但油压系统中液压油介质来源于石油，易污染环境且具有可燃性，导致系统使用成本高，污染严重，安全性差。水作为一种纯天然的介质，相比液压油有着十分突出的优势：（1）水资源来源广泛，价格低廉；（2）水无污染，环境相容性好；（3）水介质不燃，安全性高；（4）水介质无需回收处理，降低了成本。以水作为传动介质的水压传动技术是一项节能环保的绿色清洁技术，是油压传动技术良好的替代。水压传动技术目前已经成为流体传动及控制领域国际学科前沿的重要研究方向，是液压行业新的经济增长点。

2国内纯水液压控制阀的研究现状

20世纪70年代末80年代初西方发达国家开始展开了纯水液压控制阀的研究，目前业已进入实际应用阶段[1]。而在我国相应也开展了一些实质性的研究，但仍处于起步阶段，因此水液压的发展有着巨大的发展空间。

华中科技大学于1990年起率先在国内开始了海淡水元件的研究和开发，经过十多年的努力，已经成功研制出多种阀件：1998年和2000年成功研制出“定差组合阀”和“三位三通海水气动换向阀”，现已成功应用于潜艇诱饵发射装置，成为固定的军工产品用潜艇诱饵发射装置，成为固定的军工产品。2002年华中科技大学研制出了额定压力为14 MPa，流量为40 L/min的系列海水压力控制阀和调速阀，并用这些元件成功研制出了300 m水深的深海水压动力源及其驱动的海水液压旋转型和往复型水下作业工具。

浙江大学流体传动与控制国家重点实验室目前已研制出一系列额定压力为14 MPa、流量为100 L/min的纯水液压换向阀、纯水液压溢流阀及纯水液压节流阀，其性能基本能够达到同类油压阀的水平。

北京工业大学聂松林教授在纯水液压传动系统上也有一定的研究，在国家863计划项目“深海水压动力元件关键技术的研究”支持下，研制出斜轴柱塞式、配流盘配流的结构海水泵。该泵在工作压力14 MPa时，额定转速750 r/min，排量为173 mL/r，容积效率83.3%。其中柱塞副的密封采用了自动间隙补偿的方式来密封，海水泵的轴承采用陶瓷轴承。该泵噪声指标有些超标，有待进一步的完善改进。

3纯水液压控制阀研制的关键技术

纯水液压阀对液压传动系统的稳定性和可靠性起着至关重要的作用，是液压传动系统的重要原件之一。由于海水性能的影响，纯水液压控制阀需要解决的难点主要包含以下几点：

31腐蚀问题

电偶腐蚀、磨损腐蚀和氧化腐蚀是液压元件在海水介质中主要发生的腐蚀问题。电偶腐蚀是指元件内部的异种金属在腐蚀介质中接触时电位较低金属的加速腐蚀[4] 。元件在高速流动的腐蚀介质海水中及摩擦副在腐蚀介质中存在的腐蚀称为磨损腐蚀。腐蚀过的材料表面遭到破坏后使得金属材料在水中产生的腐蚀称为氧化腐蚀。在纯水液压阀设计过程中，需要适当选择一些较为亲水的材料，如不锈钢的金属材料、工程陶瓷、高分子复合材料等。除了材料的选择也可以选择一些特殊的表面处理工艺，如表面喷涂、表面镀层，以及其他特殊的电化学防腐等措施来降低液压元件存在的腐蚀问题。

32润滑与密封

润滑性主要是看介质的液膜厚度，液膜厚其润滑性能就好，水的润滑膜厚度约是油介质的1%。由于水的黏度较低，因此水压阀中的液膜厚度会随之减小。油压阀的液膜厚度为0.5～2.5 μm，则水压控制阀的润滑膜厚度为0.005～0.025 μm。在保证密封的同时，如何利用水的有限润滑作用是纯水液压阀研发面临的又一难题[8]。

油压控制阀中的滑阀结构通常采用间隙配合，而在水压中由于水的黏度比油低，压差相同的间隙就会产生约是油压控制阀的十倍的泄漏量[5]。在水压中，在泄漏量不变的前提下如果采用滑阀结构，就必须减小阀芯与阀套的配合间隙。纯水控制阀的配合间隙量应为油压的0.32倍[6]，较大压力的油压阀的阀芯与阀套之间的配合间隙有0.012～0.025 mm，那么纯水控制阀的配合间隙就只能是0.003 8～0.008 mm。根据现在的加工水平，小于0.01 mm的尺寸就很难保证其加工精度，即使加工出来，精度也存在较大误差，因此单纯靠减小配合间隙的方法在水压控制阀中根本无法实现[7]。

33气蚀问题

由于油的汽化压力低，空气在油中的溶解度较高，而水的汽化压力（50 ℃时12 kPa）比液压油（50 ℃时110 MPa）高100多倍，空气在水中的溶解度约为液压油的20%[3]，所以水压阀的气蚀现象比油压阀严重。纯水控制阀中经常采用多级节流结构减小气蚀问题的发生。多级节流结构是指设计两个串联的节流口，共同分担节流口两端的压差，从而降低每个节流口两端的压差，最终减轻气蚀的发生。

34材料

在纯水控制阀中，为有效防止纯水腐蚀阀体一般采用奥氏体不锈钢。阀芯和阀座可采用耐蚀合金、工程陶瓷和增强塑料以及金属为基材，陶瓷为表层的复合材料等材料。由于复合材料保留了金属的强韧性和陶瓷的高硬度及优良的抗磨抗腐性能，且克服了陶瓷的脆性。另外，对奥氏体不锈钢进行表面镀铬、镍等工艺处理，也可以提高材料的防腐抗磨性能。在水液压系统中一些关键金属材料还要从摩擦学角度考虑，现在水压阀中也采用一些非金属材料，如高分子复合材料，但非金属材料需要考虑其吸水性、热膨胀性和导热性。所选择的材料不仅要有较强的抗腐蚀性、较好的自润滑性能，还要具备在水介质中性能稳定、良好的抗疲劳性能等特点。

35振动和噪声

由于水的低黏度使得声音在水中的传播速度比在油中快10%，因此导致纯水液压系统的冲击、振动和噪声严重[9]。通过合理的设计结构和材料选择，能够有效地减小液压元器件在水中产生的振动和噪声。

4国外典型纯水液压控制阀的研究

丹麦：Danfoss公司自1989年起开始与丹麦理工大学（DTU）展开合作，于1994年研制出Nessie系列水压元器件[8]。其研制出的方向阀额定压力为14 MPa，最大流量为60 L/min；流量阀的额定压力为14 MPa，最大流量为30 L/min。由于材料采用了奥氏体不锈钢、工程塑料等以及采用较小配合公差带的配合，使其水压元件性能不仅性能上能够完善油压产品，寿命更是达到甚至超过了矿物油型液压元件。

美国：Elwood公司主要生产各种阀、泵、液压缸以及控制系统[5]。其中该公司所生产的先导式水压溢流阀流量大，调压范围大，温度适应能力强。该阀能够在更换主阀阀芯、弹簧、对换进出口后实现减压阀与溢流阀的功能互换。其工作压力范围在2～51 MPa，最大流量380 L/min，并且该控制阀的响应时间约为110 ms，开启压力约为调定压力的88%～90%。

德国：Hauhinco公司[6]主要研究和生产高压、大流量水压元器件，水压阀品种较为齐全，产品主要包括球阀、锥阀和滑阀三种形式，压力分别可达到70 MPa、32 MPa和16 MPa，并于1995年成功研制出最大流量达到800 L/min陶瓷阀芯的水压滑阀。Hauhinco公司生产的水压阀产品己经广泛应用在焊接机器人和金属压力成型等设备。

Rexroth公司主要生产以水或高水基作流体介质的两位两通阀[7]，阀的几何尺寸符合德国工业标准的标准化孔径，可与矿物油筒式阀互换。该公司生产的ATEX系列水压电磁开关阀主要有两种结构，直动式和先导式。其中先导式水压电磁开关阀额定流量有12 L/min、25 L/min及40 L/min，最大工作压力能达到42 MPa，该系列的开关阀具有响应速度快，工作稳定等优点。

日本：Ebara公司[9]最新研制出了水压比例控制阀，其额定压力为7 MPa，最大流量为35 L/min，换向频率为25 Hz，内泄漏量低于0.7 L/min，阀芯的遮盖量约为全行程的5%，性能良好。

芬兰：坦佩雷工业大学和HYTAROY公司联合研制了多种纯水液压开关控制阀、纯水液压比例流量控制阀以及阀芯材料为陶瓷的比例阀，其压力可达32 MPa。

5结论

纯水液压控制阀作为纯水液压系统的重要原件之一，且以水作为工作介质，其优良性能使得纯水液压控制阀具有广阔的应用前景。但是纯水液压阀的研制必须充分考虑水介质特殊的理化性能，整体结构设计不能简单的依靠改变油压控制阀的设计参数和材料来获得，必须对纯水液压控制阀的摩擦磨损机理、气蚀腐蚀特性及密封技术等关键性的问题进行针对性的研究。为推进水液压系统的快速发展，对水压控制阀的材料选择、新型结构设计，加工制造等方面进行必要的深入研究和探讨。

参考文献：

[1]贺小峰， 王学兵， 刘银水. 先导式水压溢流阀的设计[J]. 中国机械工程，2005， 16（18）：162-162.

[2]刘银水， 黄艳，贺小峰，等. 水压阀的研究与发展[J]. 液压与气动，2001（5）：10-13.

[3]赵恩刚， 数字式纯水液压溢流阀的设计研究： [D]. 昆明理工大学，2008.

[4]阮俊， 聂国念， 聂松林， 等. 船用细水雾灭火系统用海水轴向柱塞泵设计及其实验研究[J]. 液压与气动， 2010 （4）：75-78.

[5]韩新苗. 水压先导式电磁溢流阀的研制. [D]华中科技大学，2009.

[6]弓永军. 纯水液压控制阀关键技术研究： [D]. 浙江大学，2005.

[7]杨署东， 李壮云. 水压传动的发展及其关键基础技术[J]. 机床与液压，2000（5）： 6-9.

[8]朱碧海， 李壮云， 贺小峰，等. 水液压阀关键技术的研究[J]. 润滑与密封，2004（3）：132-133.

[9]焦素娟. 纯水液壓柱塞泵及溢流阀关键技术的研究： [D]. 浙江大学， 2004.

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