【毕业学位论文】海水电液换向阀的研究

分类号 学校代码 10495 621 学 号 0915113008武汉纺织大 学硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文海水电液换向阀的研究海水电液换向阀的研究海水电液换向阀的研究海水电液换向阀的研究作者姓名：作者姓名：作者姓名：作者姓名：黄俊鸣黄俊鸣黄俊鸣黄俊鸣指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：王王王王东东东东学科门类：学科门类：学科门类：学科门类：工工工工学学学学学学学学科：科：科：科：机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程专业方向：专业方向：专业方向：专业方向：流体传动及控制技术流体传动及控制技术流体传动及控制技术流体传动及控制技术完成日期：完成日期：完成日期：完成日期：二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月E. 012独创性声明本人 郑重声 明 ： 所呈 交的学 位论文 ， 是本 人在导 师的指 导下 ， 独立 进行研 究工作 所取得 的成果 。 除文 中已经 注明引 用的内 容外 ， 本论 文不包 含任何 其他个 人或集 体已经 发表或 撰写过 的作品 成果 。 对本 文的研 究作出 重要贡 献的个 人和集 体 ， 均已 在文中 以明确方式 标明。 本人完 全意识 到本声 明的法 律结果 由本人 承担。学位 论文作 者签名 ： 签字 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本 学位 论 文作 者 完全 了 解武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学有 关保 留 、使 用 学位 论 文的 规 定。 特 授权武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学可 以将 学位 论文 的全 部或 部分 内容 编入 有关 数据 库进 行检 索， 并采 用影印 、 缩印 或扫描 等复制 手段保 存 、 汇编 以供查 阅和借 阅 。 同意 学校向 国家有 关部门 或机构送 交论文 的复印 件和磁 盘。（保 密的学 位论文 在解密 后适用 本授权 说明）学位 论文作 者签名 ： 导师 签名：签字 日期： 年 月 日 签字 日期： 年 月 日论文题目：海水电液换向阀的研究 专业：机械电子 工程硕士生： 黄俊鸣指导教师： 王东摘要 海水 电液换 向阀是 液压支 架系统 的一个 重要组 成部分 ， 其性 能的好 坏直接 影响到 支架工 作的稳 定 。 目前 ， 国外 发达国 家在轮 船支架 开发中 已取得 了显著 的成效 ， 其开 发的支架 自动化 程度高 、 安全 可靠 、 经济 实用 。 因此 ， 研究 以海水 为工作 介质的 电液换 向阀对我 国海洋 事业的 发展具 有划时 代的意 义。 由于 海水机 理不同 于油液 ， 不能 把油压 元件直 接应用 到水液 压系统 中 。 本文 分析了国内 外海水 电液换 向阀 研究 现状 ， 吸收 国外先 进海水 电液换 向阀的 成熟技 术 ， 提出 了符合我 国国情 的海上 专用海 水电液 换向阀 的研究 方案 。 通过 分析海 上工作 环境以 及海水 机理的 特殊性 ， 选用 新型材 料和密 封形式 在一定 程度上 解决工 作介质 带来的 泄漏和 磨损问题 ， 为换 向阀的 研制提 供了前 提条件 ； 对比 分析各 类阀芯 结构形 式 ， 确定 了以球 阀式先导、 锥阀式 为主阀 的阀芯 结构可 行性。 在此基 础上对 先导阀 和主阀 运动过 程进行 研究 ，建立 先导阀 、 主阀 开启和 关闭的 动态数 学模型 ， 利用 im 真 软件对 数学模型进 行仿真 分析 ， 其结 果表明 该方案 的合理 性 。 根据 先导阀 的工况 ， 对海 水电液 换向阀所用 的电磁 铁结构 进行 态建 模仿真 ，分析 电磁铁 外轭、 衔铁、 底座、 线圈之 间的结 构参数 对电磁 吸力的 影响 。 分析 结果为 节约材 料 、 缩小 尺寸 、 减少 功耗提 供了理 论依据 ，为最 终实现 海水电 液换向 阀向小 型化方 向发展 奠定了 基础。关键 词： 海水 介质 ； 电液 换向阀 ；动态 特性； 系统仿 真；电 磁铁研究 类型： 应用 研究 H im At of it m of s of of s. ic m m im of 2of m K K ic 1绪论 . 背景 和意义 .海水 电液换 向阀发 展现状 .海水 介质及 液压元 件关键 技术 . 基本 任务 . 结 .液换 向阀结 构设计 研究 .海水 电液换 向阀结 构分析 及控制 形式 .分析 .形式 .海水 电液换 向阀结 构计算 .结构 计算 .结构 计算 .海水 电液换 向阀密 封形式 .海水 电液换 向阀关 键部件 材料的 选择 .料 .阀套 材料 .本章 小结 .液换 向阀动 态特性 分析研 究 .动态 特性数 学模型 .海水 电液换 向阀动 态特性 分析 .海水 电液换 向阀数 学模型 的建立 .的运 动分析 以及启 闭数学 模型 .运动 分析以 及启闭 数学模 型 .海水 电液换 向阀性 能计算 .力损 失 .力损 失 .的内 泄漏量 .本章 小结 .液换 向阀动 态特性 仿真 .仿真 技术在 液压阀 中的应 用 .现代 液压系 统仿真 技术特 点以及 实施步 骤 .压系 统仿真 技术特 点 .压系 统仿真 的实施 步骤 .识 .海水 电液换 向阀仿 真模型 的建立 .运动 仿真模 型 .动仿 真模型 .力损 失模型 .动态 数学模 型仿真 .数设 置 .果分 析 .果总 结 .本章 小结 .结构 研究 .电磁 铁结构 计算 .学中 的应用 .电磁 铁静态 磁场分 析和建 模 .静态 磁场分 析 .有限 元模型 的建立 .仿真 分析 .度与 衔铁高 度比值 对吸力 影响 .铁半 径对电 磁吸力 影响 .度与 宽度之 比对吸 力影响 .度对 吸力影 响 .线半 径对电 磁吸力 影响 .仿真 结果分 析 .本章 小结 .展望 .本文 总结 .课题 研究展 望 . . 59目录献 .课题的背景和意义人 类陆 地 资源 的 不断 耗 尽必 将 迫使 人 类在 50年 之内 把 生存 发 展空 间 向海 洋 转移 ，海洋 中蕴含 的矿产 资源总 量是陆 地总和 的 300倍 以上 ， 这就 是世界 各国拼 死争夺 海洋资源的 根本原 因 。 海洋 资源的 开采不 同于陆 地 ， 它对 设备的 要求更 高 、 更苛 刻 ， 因此 各国都致 力于海 洋设备 的研发 。 为了 使船上 工作设 备能安 全 、 可靠 的工作 ， 就必 须有稳 定的工作 平台 ， 而液 压支架 具有支 撑和控 制工作 面的作 用 ， 因此 用于轮 船的支 架支护 保证海上人 员安全 和作业 设备正 常工作 ， 提高 工作效 率起到 了关键 性作用 。 国外 大中小 船只基本实 现了液 压支架 支护工 作面 ， 完成 了液压 支架的 自动化 和远程 控制化 ， 而我 国国内 一些中 小船只 依然采 用比较 老的木 支架、 金属摩 擦支架 等传统 支架结 构来支 护作业 设备 ，工作 效率低 ， 安全 性差 ， 成为 安全事 故发生 的重要 隐患之 一 。 因此 ， 液压 支架对 海上作业安 全生产 显得尤 为重要 ， 也是 未来发 展的趋 势 。 而可 靠的海 水电液 换向阀 ， 是实 现液压支 架自动 化和远 程化的 关键元 件 ， 所以 研制出 节能 、 高效 、 轻巧 的海水 电液换 向阀是各国 首要解 决的问 题。图 海上 设备工 作支架 平台工 作情况 ，海水 电液换 向阀保证 了平台 支护工 作的稳 定性、 自动性 ，保障 了工作 人员的 作业安 全。图 海上 支架控 制系统 基本采 用以液 压为主 要组成 部分 ， 海水 电液换 向阀正 因为其结 构简单 、 动作 灵敏 、 工作 可靠 、 节能 ， 环保 等特点 ， 成为 液压系 统的主 要控制 元件 ，通过 计算机 辅助工 具容易 实现自 动化和 远程控 制化 。 近年 来 ， 我国 海上作 业综合 机械化水平 的提高 ， 利用 液压支 架进行 设备支 护在中 大型船 只中得 到了一 定的应 用 ， 但是 国内海水 液压技 术仍然 落后 ， 主要 以手动 控制为 主 、 结构 不合理 、 自动 化程度 低等 ， 这种 控制方 式虽然 结构简 单 、 控制 方便 、 造价 低廉等 优点 ， 但液 压支护 设备的 控制技 术水平 低 ，工人 操作环 境差、 对操作 人员的 经验和 技术要 求高、 安全性 低、支 架故障 率高。 因此 ，实现 液压支 架的自 动控制 ， 是克 服以上 缺点的 关键 ； 同时 可以进 行多种 控制方 式的选 择 ，操作 员可以 进行远 程控制 。 为了 实现支 架的远 程控制 和自动 化 ， 开发 稳定 ， 高性 能的海水电 液换向 阀成了 首要解 决的问 题 【 1】 。海水 电液换 向阀是 保证液 压支架 可靠支 护工作 设备的 重要元 件 ， 直接 影响整 个液压支架 的正常 工作 。 电液 阀作为 最精密 、 最关 键的元 件 ， 它设 计合理 性直接 决定液 压支架的稳 定性和 使用寿 命 。 目前 ， 先进 液压控 制系统 要求海 水电液 换向阀 具有万 次以上 的换向能 力，甚 至达到 数十万 次以上 ，而传 统的液 压控制 系统实 验标准 仅要求 几千次 【 2】 。 可见 ， 电液 控制系 统对元 件的使 用寿命 要求远 远比传 统要高 ， 为了 保证液 压系统 的正常 工作 ， 需要 采用比 传统控 制系统 更高的 液压元 件 。 采用 海水作 为工作 介质的 海水电 液换向阀在 国内还 未形成 成熟的 产链 ， 开发 此类电 液阀势 在必行 ， 同时 也符合 国家发 展和环 保要求 。 本文 在吸收 国内外 经验的 基础上 ， 并结 合理论 知识和 仿真分 析完成 初期海 水电液换向 阀的研 究。海 水具 有不 同于 传统 液压 油的 理化 性质 【 3， 即流 动特 性、 泄漏 特性 、气 蚀特性及 热传导 特性不 同于油 压元件 ，见下 表 绪论3表 水和海水的主要 O 、 型理化性能 指标 油 淡水 海水导率 ( ) 动粘度 ( )s/m m 2 5040 1 ) )3m 850900 100 1025传导率 ( )CW om/ )o/ ) 面张力 ( ) 速 ( )1300 1480 1522工作范围 温度 ( )020 504 504由表 可知 ： 海水 的理化 性能与 油相比 差异很 大 ， 水压 元件的 研制及 使用面 临许多 新的问 题需要 解决， 这些问 题主要 是包括 以下四 个方面 。 （ 1） 腐蚀 及磨损由 于 水 有 腐 蚀 和 锈 蚀 作 用 ， 其 电 导 率 约 是 液 压 油 的 一 千 多 倍 ， 特 别 是 海 水 中 含 份 及大量 氯离子 、 溶解 氧 、 一氧 化碳 、 硫化 氢 、 二氧 化硫等 ， 具有 极强的化学 及电化 学腐蚀 性 ， 从而 大大降 低零件 强度及 表面质 量 ， 导致 运动件 卡死 、 阀的 寿命大大 降低等 严重后 果 。 因此 ， 所有 水压元 件材料 必须能 够与水 相容 ， 具有 优异的 抗水腐蚀性 能。水 压元件 选材主 要根据 以下原 则： 耐腐 蚀，包 括化学 及电化 学腐蚀 ； 具有 自润滑 性能 ， 在高 速重载 工况下 磨损性 能良好 ， 即磨 损率低 、 摩擦 系数小 ； 具有 良好的 机械性 能，抗 黏着磨 损、磨 粒磨损 、腐蚀 磨损及 疲劳磨 损性能 好； 成型 、加工 工艺性 好； 良好 的抗冲 蚀磨损 、气蚀 性能；1绪论4 热稳 定性好 ，热膨 胀系数 小，吸 水率低 ； 无毒 、环境 友好； 良好 的经济 性；在油 压控 制阀 中， 通常 液膜 厚度 约为 在 海水 控制 阀中 ，由 于水 的黏 度低 ， 水的 弹流润 滑膜厚 度仅为 液压油 的 计算 可知 ， 在海 水控制 阀对偶 摩擦副 间的润 滑膜 厚度 仅为 所 以不 能形 成良 好强 度的 边界 膜， 很容 易产 生干 摩擦 ， 加剧 磨损 。 由于 水的润 滑膜厚 度低 ， 在摩 擦器件 表面质 量和工 作环境 相同的 情况下 ，必然 产生器 件表面 的直接 摩擦 ， 同时 ， 由于 水的润 滑性差 ， 在高 速 、 重载 运动下 ， 发生严重 的疲劳 磨损。 在海上 恶劣环 境下工 作，海 水还会 掺杂微 小沙粒 以及内 部磨损 粉末 ，将发 生三体 摩擦， 产生颗 粒磨损 ，加剧 摩擦副 的损坏 。在海 水控制 阀中 ， 阀体 采用奥 氏体不 锈钢 ， 同时 阀芯和 阀座采 用工程 陶瓷 、 耐蚀 合金和 增强塑 料等材 料即能 有效防 止腐蚀 。以陶 瓷为表 层，以 金属为 基材的 复合材 料 ， 即保留 金属柔 性的同 时 ， 又保 留了陶 瓷高强 度 、 抗磨 、 抗腐 性 ， 因此 广泛应 用在以 海水为工作 介质的 海水控 制阀中 。 另外 ， 进行 阀体表 面镀铬 、 镍等 工艺处 理 ， 也可 以很好 的符合海 水液压 控制阀 要求。 （ 2） 密封 与润滑密封 和泄漏 问题是 严重影 响液压 元件性 能 、 工作 效率和 使用寿 命的重 要因素 。 水的黏度 低会增 大泄漏 损失 ， 在间 隙和压 差相同 时 ， 同样 规格的 海水控 制阀泄 漏损失 为油压控制 阀的数 十倍。 因此， 在滑阀 类油压 控制阀 中常用 的间隙 配合不 适于海 水控制 阀 。 如果仍 然采用 间隙配 合，而 且要保 证内泄 漏不变 ，则必 须减小 配合间 隙。在同 等压力 、 间隙 量的条 件下 ， 水的 泄漏量 是油的 30120倍 。 根据 流体力 学理论 ，液压 元件运 动副配 合间隙 在层流 条件下 的流量 与间隙 量的立 方成正 比 。 推算 可知 ， 海水控制 阀的配 合间隙 是油压 控制阀 间隙的 如此 小的配 合间隙 给阀的 加工工 艺提出了相 当严格 的要求 ， 大大 增加了 加工难 度 。 根据 目前的 工艺水 平 ， 阀芯 和阀体 孔在加 工工艺 上很难 保证设 计要求 。 因此 ， 合理 提高水 压元件 的加工 质量和 配合精 度 ， 适当 增加配合 间隙长 度 ， 选用 尺寸稳 定性能 好 、 顺应 性好且 耐磨的 摩擦副 材料及 密封材 料 ， 尽可能减 小泄漏 损失。 目前 ， 在现 在的水 控制阀 应用中 ， 更多 地采用 带有衬 套结构 的锥阀 和球阀 形式 【 6,7】 ，基本 达到零 泄漏 ， 而且 结构小 。 为了 达到密 封的目 的 ， 阀体 和阀套 之间一 般采用 直接密封的 形式 。 实践 证明 ， 以橡 胶类制 成的密 封件更 适合海 水控制 阀 ， 例如 橡胶制 成的 、方 形密封 圈、阶 梯形密 封圈等 密封件 都是理 想的选 择。同 时采用 润滑性 好 ， 抗磨性 高的摩 擦副零 件，都 是成功 研制海 水控制 阀所采 取的有 效措施 。1绪论5（ 3） 气穴 及气蚀 侵蚀常温 下 ， 水的 蒸汽压 力约是 液压油 的 10倍 ， 与液 压油相 比易于 汽化和 沸腾 ； 同时 ，水的 密度比 油大 ， 高速 流动时 惯性也 大 ， 水中 溶解的 气体析 出而产 生大量 气穴 ， 使振 动 、噪声 加剧 ， 并导 致元件 表面发 生气蚀 ， 材料 受到侵 蚀 。 因此 ， 在水 压元件 的结构 设计上要充 分注意 到气蚀 发生的 可能性 ， 并尽 量减小 水流速 度 。 例如 ， 在元 件设计 中采用 平滑流边 ，在节 流阀口 采用多 级降压 的方式 等。气蚀 现象在 海水控 制阀中 影响非 常严重 ， 在同 等条件 下 ， 海水 控制阀 比油压 控制阀更容 易遭受 到气蚀 破坏严 重上百 倍，特 别是在 变流量 工况、 大压差 下的海 水控制 阀 ， 在节流 口处产 生气蚀 现象更 加严重 ，直接 导致控 制阀工 作失效 ，缩短 使用寿 命。 通过 改变阀 口的结 构 ， 可以 有效的 防治气 蚀现象 的产生 ， 例如 海水控 制阀中 用来减轻气 蚀的高 压引流 结构， 如图 图 是在 阀芯上 开细长 的流道 口把高 压水流 引到阀 口的出 口处 ， 从而 提高出 口压力， 降低进 、出口 压差， 以便实 现减轻 气蚀现 象。除了 以上的 抗气蚀 结构外 ， 国内 外还研 发了多 种特殊 结构的 海水控 制阀 ， 通过 改变阀芯 头部结 构 ， 使之 成为抛 物面 ， 可以 更合理 的分布 流畅 ， 进一 步减少 气蚀发 生的几 率 。（ 4） 压力 冲击、 振动和 噪声。由于 水的弹 性模量 比油大 50%， 密度 大 10%以上 ， 且声 速在水 中比在 液压油 中也高出约 10%，压 力波在 水压系 统中的 传递速 度要比 在油压 系统中 快得多 而且衰 减很慢 ， 导致剧 烈震动 和噪声 。此外 ，水的 黏度低 ，黏性 阻尼小 以及气 蚀作用 ，特别 是在高 压 、 大流量 工况下 ， 水压 系统的 振动 、 噪声 更大 ， 使得 控制阀 工作不 稳定 ， 更严 重的话 导致控制阀 爆裂。 因此， 在减小 水流速 度的同 时，阀 体材料 的选择 就显得 尤为重 要，防 冲击 、吸噪 材料的 使用， 可以延 长水压 控制阀 的使用 寿命和 安全性 。1绪论6总之 ， 为了 适应水 介质的 特殊物 理化学 性能 ， 研制 海水控 制阀必 须从结 构入手 进行有针 对性的 研究 【 8】 。 实践 证明 ， 在海 水控制 阀中采 用一些 特殊的 结构形 式及材 料的合 理选用 搭配对 于提高 性能、 延长使 用寿命 是非常 有效的 措施。 本课 题研究 的难点 及关键 技术（ 1） 水的 理化特 性与矿 物型液 压油差 别很大 ， 因此 不能直 接套用 油压电 液控制 阀的结 构以及 数学模 型 ， 需要 重新对 水压控 制阀进 行结构 设计和 数学建 模 ， 给水 压电液 控制阀 的研究 带来了 严峻的 技术挑 战。 水的 润滑性 能差 ， 而且 水的腐 蚀性强 ， 对金 属钝化 膜具有 极强的 腐蚀作 用 。 因此 阀体材 料的选 取十分 关键。 （ 2） 对电 液控制 阀的先 导阀以 及主阀 动态特 性进行 准确分 析 ， 是正 确建立 海水电液换 向阀数 学模型 的关键 ， 选择 合适的 仿真工 具和算 法使之 更容易 对建立 的数学 模型进行求 解。（ 3） 对控 制先导 阀的电 磁铁主 要构件 建立二 维静态 模型。电液 换向阀 设计中 遇到的 技术问 题 ， 本课 题对以 下的几 个方面 进行了 相关研究工 作：（ 1） 对 海水 电 液换 向 阀结 构 方案 的 比较 分 析， 选 取满 足 本文 工 况条 件 下较 为 合理的结 构形式 ；（ 2） 通过 分析海 水电液 换向阀 的运动 情况， 建立相 应的运 动方程 数学模 型；（ 3） 利用 的 具 箱对建 立的数 学模型 进行仿 真 ， 并且 分析仿真 结果； （ 4） 对电 磁铁的 主要构 件进行 研究， 采用 态模 型进行 仿真， 分析出各个 构件对 电磁吸 力影响 的程度 。 在满 足电磁 吸力要 求的前 提下， 力求提 高经济 指标 ，如节 约材料 、缩小 尺寸、 减少功 耗和提 高抗冲 击能力 等目的 。绍了 国内外 海上控 制阀的 发展 现状 ； 详细 分析 了所 设计的 海水电 液换向 阀的工作 场合 ； 了解 了海上 电液阀 研究的 难点 ； 针对 海上工 况 ， 确定 本文的 基本任 务和需 要解决 的问题 ，并且 明确研 究方向 和研究 方法。2海水电液 换向阀结构设计 研究72海水 电液 换向 阀结构 设计 研究本文 设计是 以海水 为工作 介质的 海水电 液换向 阀 ， 由于 工作环 境和工 作介质 的特殊性 ， 要求 额定流 量大 、 工作 可靠 、 抗污 能力强 、 耐久 性好 、 无泄 漏 ， 同时 不允许 出现卡死等 状况 。 根据 以上条 件 ， 本文 采用插 装式海 水电液 换向阀 结构形 式 ， 并针 对工作 介质特 殊 的 机 理 性 对 海 水 电 液 换 向 阀 关 键 部 件 的 材 料 进 行 选 择 以 便 达 到 海 上 支 架 用 海 水 电液换 向阀的 要求 ； 同时 对该阀 密封形 式和阀 的关键 部件材 料进行 研究 ， 为电 液阀泄 漏少甚至 无泄漏 奠定基 础。架是 现代海 洋作业 设备不 可缺少 支护部 分 ， 其性