（机械电子工程专业论文）纯水液压控制阀耐久性实验研究与故障分析.pdf

摘要 摘要 纯水液压技术是当前流体传动及控制领域的学科l j f 沿研究方向之一。纯水液 压控制阀是纯水液压系统的重要关键基础元件。浙江大学流体传动及控制国家重 点实验室自行设计了三类纯水控制阀：溢流阀、换向阀和节流阀。这三类阀的样 机经实验证明了已经达到同类油压阀的标准，但其寿命仍然是一个需要探知的重 要问题。这是进入市场推广应用的关键环节。论文对各类阀进行了性能测试，设 计了耐久性实验控制电路，对各个阀进行了耐久性实验测试研究，并针对部分阀 进行了故障分析和改进。论文的主要内容如下： 第一章为绪论着重论述了纯水液压控制阀的现状和研究纯水液压元件面临 的关键技术问题。阐述了本课题的研究意义和论文的主要研究内容。 第二章为纯水液压控制阀性能实验台的改进。原实验台在实验过程中出现了 泄漏、部分元件调节失效等问题。经过对实验台原理的分析，逐个对各个元件、 系统管路连接等进行故障诊断，提出了改进方案，彻底解决了实验台的问题。 第三章为纯水液压控制阀的性能测试。对各个纯水溢流阀、换向阀和节流阀 进行了性能测试。溢流阀包括调压范围及压力稳定性试验、启闭特性试验、卸荷 压力试验、压力损失试验、压力流量特性试验、流量阶跃压力响应特性试验和卸 荷建压特性试验；换向阀包括压力损失试验、工作范围试验和动态响应试验；节 流阀包括开度流量特性实验、压差流量特性试验和动态响应特性试验。试验结果 证明，各类阀已经达到了同类油压阀的标准 第四章为纯水液压控制阀耐久性实验研究与故障分析。首先根据国家标准对 三类阀耐久性实验的要求，设计了频率可调式控制阀耐久性实验电路；然后用该 控制系统对三类阀逐个进行了耐久性实验研究，并针对部分故障阀进行了研究分 析，提出了改进方案。实验结果表明，大部分阀在万次寿命实验后，关键零部件 无任何磨损现象，压力平稳、可靠。一部分阀在改进后也完全达到了性能要求和 万次寿命。 第五章对全文做了总结，并对今后该课题的进一步开展作了一些展望。 关键词：纯水液压，动静态性能，控制电路，实验系统，耐久性实验，故障分析 a b s r a c t w a t e rh y d r a u l i c st e c h n o l o g yi so n eo ft h et o pr e s e a r c ha s p e c t si nf l u i dp o w e r t r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 w a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sa r ei m p o r t a n ta n dt h ek e y b a s ec o m p o n e n t si nw a t e rh y d r a u l i cs y s t e m t h r e ek i n d so fw a t e r h y d r a u l i cc o n t r o l v a l v e s , w h i c hc o n s i s to fr e l i e fv a l v e , d i r e d i o n a lv a l v ea n dt h r o t t l ev a l v e ，a r e d e s i g n e db yt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo ff l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o li n z h e j i a n gu n i v e r s i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h e s ev a l v e ss h o wu st h a t , t h e p e r f o r m a n c e so ft h e s ew a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sa c h i e v et h el e v e lo ft r a d i t i o n a l o i lc o n t r o lv a l v e s b u tt h el i v e so ft h e s ea r eu n k n o w n , a n dw em u s tf i n dt h ea n s w e r , t h i si st h ek e ys t e po fb r i n g i n gt h ev a l v e si n t om a r k e t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e sa r ec a r r i e do u t , a n dd e s i g nac o n t r o lc i r c u i to fl i f e e x p e r i m e n t a n da l s oc a r r i e do u tt h el i f ee x p e r i m e n t sw i t ha l lo ft h ew a t e rh y d r a u l i c v a l v e s 1a s t ，t h em a l f u n c t i o na n a l y s i sa n di m p r o v e m e n ta r ea c c o m p l i s h e d t h cm a i n c o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： c h a p t e r lp r e s e n t st h ei n t r o d u c t i o n , w h i c hi n c l u d e st h ek e yt e c h n o l o g y , t h e d e v e l o p m e n ts t a t u so fw a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sa n dt h et e c h n i c a ls o l u t i o n sf a c e d t or e s o l v eo fw a t e rh y d r a u l i c s 强er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h ep a p e ra n dt h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ee x p a t i a t e d c h a p t e r 2i n t r o d u c e s t h ei m p r o v e m e n t so nw a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s p e r f o r m a n c et e s tr i g t h eo r i g i n a lt e s tr i ga p p e a r ss o m ef a u l t s , s u c ha sl e a k a g e ，s o m e v a l v e so ft h es y s t e ma d j u s t i n gi n v a l i d a t i o n , a n ds oo i lt h r o u g ht h ea n a l y s i sw i t ht h e t e s tr i gp r i n c i p l e , a l lo ft h ec o m p o n e n t sa n da l lo ft h ep i p e l i n e si nt h es y s t e ma r e d i a g n o s e d t h e nt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r eg i v e n , a n ds o l v et h ep r o b l e m so ft h e t e s tr i gc o m p l e t e l y c h a p t e r 3i n t r o d u & 瞎t h ep e r f o r m a n c et e s to fw a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s a l l o ft h ew a t e rh y d r a u l i cr e l i e fv a l v e s ，d i r e c t i o n a lv a l v e sa n dt h r o t t l ev a l v e sa r e e x p e r i m e n t e di np e r f o r m a n c et e s t t h em a i nc o n t e n t so ft h er e l i e fv a l v ei n c l u d e e x t e n s i o no fp r e s s u r ea d j u s t i n gt e s t , o p e na n dc l o s ep e r f o r m a n c et e s t , u n l o a dp r e s s u r e t e s t , p r e s s u r el o s et e s t , p r e s s u r o - - f l o wp e r f o r m a n c et e s t , f l o wi m p u l s ep r e s s u r e r e s p o n s ep e r f o r m a n c et e s ta n du n l o a d - - - l o a dp e r f o r m a n c et e s t ；t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i r e c t i o n a lv a l v ei n c l u d ep r e s s u r el o s et e s t , w o r ks c o p el e s ta n dd y n a m i cr e s p o n s e p e r f o r m a n c et e s t ；t h em a i nc o n t e n t s o ft h et h r o t t l ev a l v ei n c l u d ee x t e n t - - f l o w p e r f o r m a n c et e s t , p r e s s u r ed i f f e r a n c e - - - f l o wp e r f o r m a n c et e s ta n dd y n a m i cr e s p o n s e p e r f o r m a n c et e s t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a t , t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s ew a t e r a b s 队c t h y d r a u l i cc e n t r e lv a l v e sa c h i e v et h el e v e lo ft r a d i t i o n a lo i lc e n t r e lv a l v e s c h a p t e r 4i n t r o d u c e st h el i f ee x p e r i m e n tr e s e a r c ha n dm a l f u n c t i o na n a l y s i so f w a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s f i r s t , d e s i g nal i f ee x p e r i m e n tc o n t r o lc i r c u i t , t h a ti t s f r e q u e n c yc a nb ec h a “g e d ，a c c o r d i n ga sn a t i o n a ls t a n d a r d t h e nw i t ht h ec o n t r o l s y s t e m , a l lo ft h ew a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sa r ec a r r i e do u ti nl i f ee x p e r i m e n t a n da l s os o m eb r o k e n - d o w nv a l v e sa r e d i a g n o s e d a n da n a l y z e d l a s t ，t h e i m p r o v e m e n tm e t h o d sa r eg i v e n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w 也“t h ev a l v e sm o s t l y p e r f o r m a n c ev e r yw e l l , t h ep r i m a r yp a r t sa r en o ts h a t t e r e da f t e rl i f ee x p e r i m e n t a n d $ o m ev a l v e sa l s oa c h i e v et h el e v e lo fo t h e r s a f t e ri m p r o v e m e n t s c h a p t e r 5m a k e sab r i e fs u m m a r y0 1 1r e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n a l s o s o m er e s e a r c h e st h a tn e e dt od ob yn e x ts t e pa r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：w a t e rh y d r a u l i c , s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e , c o n t r o lc i r c u i t , e x p e r i m e n t a ls y s t e m , l i f ee x p e r i m e n t , m a l f u n c t i o na n a l y s i s 学号2 丝型! ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 西签字日期 学位论文版权使用授权书 a | ，黾 ， 本学位论文作者完全了解澎鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权滥姿盘堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名稳彳争a 囝 签字日期：力。磊办声日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纯水液压传动技术卅7 1 纯水液压传动是以纯水( 不含任何添加剂，包括淡水和海水) 为工作介质的 液压传动技术l ”。 纯水液压传动技术具有介质来源广泛、环境友好、清洁安全的独特优势，是 2 1 世纪的新型绿色传动技术，也是国际上流体传动及控制领域最新的发展方向 之一哪 在1 7 世纪末，出现了最初的以水为介质作为动力传递、交换和控制的液压 传动，在后来的一百多年时间里，液压传动的所选介质一直是水。在电发明之前， 也就是电力尚未广泛应用之前，水液压传动就已经成功地作为一种功能强大、不 可或缺的传动方式，在各个领域得到了一定的应用，因此，它在液压传动技术的 发展进程中起着非常重要的作用，但发展迟缓。直到2 0 世纪初，矿物型液压油 取代水成为最主要的液压工作介质并得到广泛应用。2 0 世纪4 0 年代，人们开始 采用锭子油和汽轮机油作为工作介质。5 0 年代又采用专用液压油和液压导轨油。 这些油都是经过人工处理的，如有针对性地掺入添加剂等，使其具有了抗氧化、 消泡、防爬、改进粘度指数等不同性能的特点。这极大地增强了油压传动的可靠 性。同时，液压元件也飞速发展。液压泵向着高压、大流量、低噪音、长寿命的 方向迅速发展，在6 0 年代出现了具有抗磨损性质的液压油。不可否认，液压油 是一种较好的传动介质，在相当一段时间、一些领域内占据了重要地位。但是， 液压油也有其不尽入意之处，特别是具有易燃烧和易破坏生态环境这两个严重缺 点，这使得液压传动在5 0 - - 8 0 年代期间丧失了在诸如食品、医疗器械、电子、包 装等行业的应用。 我国乃至世界的矿产资源是有限的，随着人口的不断增长，更应该增强节能 的紧迫性、重要性。近年来，我国已经成为需要大量进口石油的国家，寻求一种 节约石油的新的动力传动介质，是十分必要的在2 0 世纪7 0 年代初发生过“石 油危机一，已经表明石油资源是有限的，已逐渐短缺且不可再生，这极大的促使 人们研究“不耗油”介质，来寻求一种节能的动力传动。 第一章绪论 根据1 9 8 1 年在内罗毕召开的新能源及再生能源会议上和1 9 8 3 年在伦敦召开 的世界石油会议上做出的估计：当时查明的世界石油总量只够3 0 年的使用。虽 然，现在的石油开采技术取得了长足的进步，一次开采到二次采油、三次采油等 等，但是1 9 9 7 年1 0 月在北京召开的第十五届世界石油大会也认为全球已探明的 石油储量只能维持今后4 0 年的需要。 在此情况下，西方国家大力推进对以难燃介质诸如高水基乳化液、合成液、 微乳化液和合成微乳化液等来替代矿物型液压油的研究、开发与应用、推广其 中，高水基液介质的理化特性与自然水十分接近，应用得比较广泛，它一般由 1 0 左右的多种化学添加剂溶于9 0 的去离子水中组成，由于水基液的多种优良 特性，采用水基液作为介质具有特别显著的优点，因此西方液压界评估，以水基 液作为介质的液压传动技术是8 0 年代液压技术的重要研究方向和发展方向。但 是，事实上虽然含有添加剂的水基液具有安全性的优点，但是环境兼容性还不够。 比如，添加剂可能会对生物和人类造成伤害，水基液中的某些物质可能会成为介 质中微生物的滋生床。 如果要求液压传动的介质既不易燃烧，具有安全性，又不污染环境，利于人 体健康，具有环境友好性，那么目前只能得到唯一答案：水。水对环境可以说是 没有任何污染。生态环境的重要性不言而喻。人类在自己的活动中引起生态环境 破坏的历史，同人类利用自然资源的历史一样悠久2 0 世纪3 0 年代以来，连续 出现了若干起重大环境污染事件，比如前些日子发生的松花江污染事件等等，曾 造成了重大人员伤亡的财产损失。人类已经逐步认识到了环境问题的严重性。现 代社会要求一个绿色的、无污染的生态环境来与人类相伴，这是人类走向文明、 进步的重要标志。同样，科学技术的发展进步也决不能以牺牲环境为代价，必须 考虑技术的安全化、生态化、环境友好化。 纯水液压传动与传统的油压传动相比具有十分明显的优点，主要体现在以下 几个方面： ( 1 ) 不易燃，安全性好。火是人类不可或缺的，但也可以毁掉人类的一切， 包括生命和财富。在某些特殊场合下，防火的要求特别高，这是油压传动系统有 其固有的危险性，势必增加人力、财力去监管、看护这时如用水压系统取代， 则大大降低的火灾危险性，无形中节约了管理成本 2 第一章绪论 ( 2 ) 无污染，环境友好。科学技术的发展，经济的增长，都必须坚持可持 续发展，都必须坚持以人为本在设计工作系统时，无论是水压系统还是油压系 统，都应该考虑到环境保护和人体健康。在一些特定领域，诸如制药、食品等行 业，水介质展示出了独特的优点。药品、食品等如被油液等污染，后果则不堪设 想。 ( 3 ) 成本低，节约能源。水便于就地取材，既来源广泛又价格低廉。而液 压油则十分昂贵，保养、更换等维护费用很高。虽然水压元件的制成材料为不锈 钢等相对贵重的新材料，但在较长的工作时间内计算，与介质等综合起来的总成 本与油压系统相比仍然是低廉的。 1 7 9 5 年英国人发明了人类历史上第一台真正意义上的液压设备水压 机，标志着现代液压技术的开端。虽然而后的相当一段时问，油压传动占据了统 治地位，但现在水压传动技术又重新受到了人们的关注，事实证明，水压技术是 有其特别应用领域的，是液压传动的重要组成部分，是不可缺少的。 当今时代，经济发展的好坏已经不再只看发展的速度，更重要的是要看发展 的效率和质量。衡量一种技术的先进与否，以及看其能否被人们所接受，不是看 它目前能多大程度的推进生产力，而是看它是不是一种“绿色”的技术，是不是 在“绿色”的前提下推进生产力。即使一种技术能够使我们在极短的时间内超英 赶美但却要留给子孙后代以黑色世界的话，这种技术也是不值一提的，也根本没 有立足的空间。回顾在1 9 8 7 年，世界环境与发展委员会首次提出了可持续发展 的概念，1 9 9 2 年6 月通过了里约宣言和 2 1 世纪议程，强调社会经济的发 展要与环境相协调，保护环境、保持生态平衡、提高人口素质和生活素质，应当 既满足当代人的要求，又不危及后代人满足其要求的可持续发展。大会后的一个 月内，中国政府就编制了中国2 1 世纪议程，该议程得到了中国企业界和科技 界的热烈响应，提出提高环境与资源保护意识，实现环境资源的经济价值的概念。 中国政府以及学术界对此都相当重视，液压行业也势必遵循这一理念，在这一大 环境下，水压技术的再度兴起是历史必然。 美国在2 0 世纪6 0 年代末最先开始了对海水液压传动技术的研究，英国也紧 随其后，在7 0 年代后期开始进行了对水压技术的研究，掀起了水压技术研究的 一个小浪潮此后，日本、芬兰、丹麦、德国等也纷纷加入了这一领域的竞争 3 第一章绪论 8 0 年代初期，以自然水或淡水作介质的液压元件如泵、马达，缸、压力阀、流 量阀、方向阀和伺服阀等相继问世并不断改进完善，并逐步重新进入许多诸如食 品、冶金等严格要求无污染的轻、重工业领域。这表明纯水或自然淡水在在某些 特殊领域的地位是不可替代的。 综上所述，再度兴起对纯水液压传动技术的研究是非常必要的，一方面它是 液压传动技术的重要组成部分，有历史渊源。另一方面在当今世界要求可持续发 展的大背景下，它符合时代的要求，在某些特殊领域、部门，其地位是无法替代 的。水压技术还有诸多关键技术尚未成熟，急待人们去研究、解决。浙江大学流 体传动及控制国家重点实验室从上世纪9 0 年代开始一直致力与纯水液压技术的 研究，并取得了一定的成果。 1 2 纯水液压控制阀的研究现状及面临的关键问题刚， 1 2 1 纯水液压控制阀的研究现状 纯水液压控制阀是纯水液压系统的关键基础件，其研究受到了广泛重视。美 国威格士( v i c k e r s ) 公司的j p r y a n z 在1 9 6 7 年首次发表了有关海水泵工程材 料的研究报告以来，国外的许多科研机构和企业已经开发研制出一系列纯水液压 阀，现在已经达到了1 4 2 1 m p a 中高压水平。日本的小松研究所在1 9 9 1 年成功研 制了压力为2 1 m p a 的海水伺服阀，其流量为4 5 l m i n ，频宽2 0 0 h z 。日本e b a r a 公司、神奈川大学、三菱重工等都研制了多种纯水控制阀，其压力可达1 4 m p a ： 德国的 l a u h i n c o 公司主要研究和生产中高压、大流量纯水液压控制阀，其压力 为2 1 m p a ，也研制出了2 1 m p a 的淡水柱塞泵以及陶瓷阀芯的水压滑阀；芬兰的 t a m p e r e 工业大学液压研究所与h y t a r 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，其压力等级可达3 2 m p a ；丹麦理工大学与d a n f o s s 公司合作，从1 9 8 9 年起开始纯水液压传动研究，共历时五年，已经设计生产出 了系列纯水液压控制阔。由于广泛采用了不锈钢、工程塑料、更紧的配合，正常 工作压力达1 4 m p a ，流量从1 5 1 4 0 i j m i n ，而且效率和寿命达到甚至超过矿物油 型液压元件。下面是国外一些纯水液压控制阀的照片 4 第一章绪论 图1 1 德国h a u h i n c o 公司的纯水比例阀和开关阀 图1 2 德国t i e f e n b a c h 公司纯水液压换向阀和h a u s h e r r 公司方向控制阀 图1 3t i e f e n b a c h 公司比例溢流阀 一些研究院所对纯水液压控制阀性能的提高进行了有益的探索。其中纯水液 压控制阀中的三大阀类主要研究现状如下： 纯水开关阀产品的压力和流量范围已经较广，最大压力可达2 1 m p a ，最大流 量可达1 5 0 l m i n ，但其性能和寿命并不理想，有待进一步提高；纯水比例阀产 品的流量和压力范围比较有限，其性能已经接近了现有油压比例阀的水平；纯水 液压伺服阀现有产品特别少，虽然取得了很大进步，但也只停留于实验样机，其 控制性能和可靠性与油压产品差距非常大，不能达到实用水平 5 第一章绪论 国内水液压技术的研究开展较晚。浙江大学、华中科技大学于九十年代初率 先在国内开展水液压技术的研究。华中科技大学从8 0 年代初开始的高水基液液 压传动重点科技攻关项目的研究，9 0 年代以来展开了海水液压传动的研究。目 前，所研制的控制阀品种和规格较少，其控制阀压力较低( 额定压力i o m p a 以下) ， 流量低于4 0 l m i n l s - 1 6 1 。浙江大学研制的纯水液压控制阀种类多，包括纯水方向 控制阀、纯水压力控制阀和纯水流量控制阀，其特点是控制压力高( 额定压力为 1 4 肝a ) ，流量大( 可达1 2 0 l r a i n ) ；同时阀的规格多，包括6 通径、1 0 通径和1 6 通径等1 1 7 - 2 4 。图1 4 为浙江大学研制的纯水液压控制阀的实物照片。 图1 4 浙江大学研制的纯水液压阀 1 2 2 纯水液压控制阀面临的关键问题 水介质固有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等理化特性，给纯 水液压控制阀的研究与开发带来了很多技术难题。 纯水液压控制阀关键技术问题可用下图表示如下。 图1 5 关键技术问题 6 一一一一一 ltll_、jlllf 第一章绪论 从上图可以看出，研制纯水控制阀的关键技术主要为密封、新结构抗气蚀、 润滑、新材料等。 l 泄漏 水介质的粘度低，大约是液压油的1 3 0 1 4 0 ，因而在相同情况下水比油的 泄漏量要大的多。泄漏将对液压阀造成严重影响： 系统的容积效率下降，总效率降低 阀的加工变得困难。为了尽量避免泄漏将被迫减小零件间的配合间 隙，这势必要求提高加工精度，从而导致加工困难、成本增加。 在高压下，通过微小缝隙泄漏的水流速极高，易造成拉丝侵蚀。 气蚀 水介质的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在纯水液压控制阀中很 容易产生气蚀。气蚀过程中气泡溃灭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，压缩系数小，因此同矿物油相比，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可以超过1 g p a l 3 s 1 i i i 磨损 由于水的粘度低，在相同的条件下阀口的流速比油压阀高，在小开度、大压 差情况下更是如此，流速有时高达2 0 0 m s 。因此高流速水流经过节流口时，对 阀芯与阀座产生严重的冲刷作用，造成磨损。另外，水中夹杂的细小颗粒被高速 携带着冲向零件表面，刮出一条条痕迹，造成磨损。 i v 腐蚀 水和油相比具有特殊的理化特性，它对普通的钢和铁具有很强的腐蚀作用。 综上所述，密封、新结构抗气蚀、润滑、新材料抗磨损、腐蚀为纯水液压控 制阀研制与开发需要解决的关键技术问题。 纯水液压传动不仅具有液压传动的共性优点，而且还具有无污染、安全、清 洁卫生、结构简单、效率高等突出优越性，已成为国际上液压技术的一个十分重 要的发展方向。由于水具有特殊的物理化学特性，与矿物基液压油有很大区别， 使的纯水液压元件的设计与加工存在着诸多技术难点。随着新材料的不断进步、 制造技术的不断提高，这些关键技术逐渐迎刃而解。 7 第一章绪论 1 3 课题的研究意义和主要研究内容 1 3 1 课题的研究意义 纯水液压控制阀作为纯水液压控制系统的关键基础元件，引起了人们广泛研 究。它的性能好坏直接决定着纯水液压控制系统能否正常工作。浙江大学流体传 动及控制国家重点实验室研制出了纯水液压控制阀，其流量和压力已经达到了比 较高的水平，经实验测试，性能好且稳定可靠。但这些样机尚未形成产品，它们 可能潜在诸多问题。 本课题主要就是针对这些样机，对其性能再次进行澳4 试，观察它们在同样实 验条件下是否具有可重复性。另外，本课题重在对纯水液压控制阀进行耐久性实 验，并进行分析寿命测试是检验阀的综合性能以及验证其结构合理性与材料选 择正确性与否的关键步骤。实验结果能为后续对纯水液压控制阀结构等的进一步 改进提供一定的、有价值的参考。因此，本课题的深层意义在于为加速纯水液压 控制阀的产品化贡献一份绵薄之力。 此外，本课题由于实验的需要，研制了纯水液压控制阀耐久性实验电路，为 后续阀的寿命测试的自动控制提供了一种新的思维。 1 3 2 本课题的主要研究内容 纯水液压控制阀在系统中处于核心地位，本课题主要围绕验证阀性能的可重 复性、耐久性实验电路的研制、寿命测试以及实验不合格阀的故障分析等展开研 究。本文主要进行的工作具体如下： ( 1 ) 控制阀性能的可重复性验证。针对已经研制出的纯水液压溢流阀、节 流阀和换向阀，参照油压控制阀的国家标准进行各项性能的测试。此次测试属于 重复性试验，意在验证阀的性能在相同条件下是否具有可重复性，因此这一环节 是十分必要的。 ( 2 ) 耐久性实验电路的研制。纯水溢流阀、节流阀和换向阕在耐久性实验 中，要求每分钟电磁阀动作的次数是不同的。也就是说，他们要求不同的电磁阔 动作频率。因此，必须设计一个频率可调的能够自动控制电磁阀动作的实验电路， 这样才能对三种控制阀具有普适性电路还必须能够实时显示当前电磁阀动作的 频率和已经动作的次数。本文解决了这个问题。 8 第一章绪论 ( 3 ) 控制阀i l i ! 久性实验极其相关故障分析。本文将对三类阀、各种样机进 行寿命测试。令电磁阀按照规定频率动作1 0 0 0 0 次，然后拆卸被试阀，观察其阀 芯等主要零部件是否被破坏。然后对不合格的阀进行故障分析 本课题得到了“十五”国家科技攻关计划和国家自然科学基金的资助，经 费来源上有保障。 1 4 本章小结 本章首先介绍了纯水液压传动技术的发展概况、发展的时代趋势和必然性， 然后介绍了纯水液压控制阀的国内外研究现状，说明了研究纯水控制阀所面临的 关键技术问题，最后简单阐述了本论文的研究意义和主要研究内容 9 第二章纯水液压拧制阀件能实验台的改进 第二章纯水液压控制阀性能实验台的改进 2 1 纯水液压控制阀性能实验台的故障分析 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制了纯水液压控制阀性能实验台， 如图2 1 所示 图2 1 纯水控制阀性能实验台 该实验台主要用于测试纯水换向阀和节流阀的各项性能指标这个实验台无 压力源，需要纯水液压综合性能实验台来供压。图2 2 为浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室自行设计的纯水液压综合性能实验台。 纯水液压控制阀性能实验系统的技术指标和工作参数如下： 装机功率：4 5 k w ( 3 8 0 v ，5 0 h z ) 额定压力：1 4 m p a 最高压力：2 1 m p a 额定流量：6 0 - 1 2 0 i m i n 转速范围：7 5 0 - - 1 5 0 0r p m ( 用变频器控制) 允许转矩：o o n m 工作温度：5 4 5 1 0 第二章纯水液压控制阀性能实验台的改进 t 作介质：自来水 图2 2 纯水液压综合性能实验台 纯水液压综合性能实验台上可以做泵、纯水溢流阀等元件的性能测试，同时 也能给外界提供压力源。 图2 1 中的纯水控制阀性能实验台在实验过程中出现了一些异常现象，本章主 要讨论的就是对该实验台的故障分析与改进完善。 2 1 1 实验台管路联接的诊断分析 如图2 1 所示，纯水液压控制阀性能实验台有两条试验支路，对应分别可以测 试纯水液压节流阀和换向阀的各项性能指标。两条支路的选取用开关阀来实现。上 图中四个红色圆形手柄的就是用来选择的开关阀。 实验台原理图如下图2 3 所示。 l l 第二章纯水液压拧制同性能实验台的改进 l 被试换向阀2 单向节流阔3 溢流阔被试节流阀5 节流阔6 二位 二通换向阀7 流量计 图2 3 纯水液压控制阀性能实验台原理图 图中s w i 、s w i i 、s w i l l 、s i l v 为从浙江奉化某液压件厂购入的开关截止阀， 它们用来选择所取的支路是测试换向阀还是节流阀；p i p v 为耐震压力表，带二次 仪表显示。p i 用来监测进水口处的压力，p i i 用来显示被试换向阀的背压，p i l l 用 来显示节流阀弘a 的出口压力，p i v 用来测试被试节流阀的出口压力，p v 用来测试 系统回水压力。 实验中，关闭开关阀s w i 、s w i i ，打开s w i l l 、s w i v ，即选择纯水节流阀试验 支路。当换向阀得电时，调节节流阀5 - a 、5 - b 并直至全部关闭，发现没有作用， 即压力表的示数没有变化。经过仔细检查实验台管路连接，找到了问题所在：两根 钢管与过度块的连接错位，导致节流阀5 - a 、5 - b ，换向阀6 均被短路，实质未连入 系统中。如图2 4 所示 第二章纯水液压控制闷性能实验台的改进 图2 4 原实验台管路的错位连接 2 1 2 实验台元件的故障分析 如上图2 3 所示，实验中，打开开关阀s w i 、s w i i ，关闭开关阀s w i i i 、s w i v ， 即选择被试换向阀支路。发现压力表p i i 、p i i i 、p i v 都为高压，与p i 十分接近。 这说明溢流阀3 堵塞不通，开关阀s w i i i 不能全部关闭。实验条件不变，将溢流 阀3 和开关阀s w i i 中间处断开，重新实验。发现各个压力表的示数同前，没有变 化，且管路断开处无水流出。因此，溢流阀3 完全堵塞无疑。将回水箱的水管取 出，发现水流很大，说明开关阀s w i i i 、s w i v 都不能正常关闭。将s w i 逐渐关小 直至全部关死，发现各个压力表的示数没有变化，开关阀s w i 也已经失效。 针对有问题的各种元件，分别拆开进行内部检查。发现：溢流阀3 中的主阀 芯与阀套之问，在密封圈处被水垢及各种杂质牢牢粘连，在水压作用下根本不能 移动。 开关阀的失效原因是主阀芯锈蚀严重，导致阀芯锥面的横截面已经不是标准 圆。开关阀的结构功能示意如下图2 5 所示。 阀座 图2 5 开关阀结构功能原理简图 第二章纯水液压控制阀性能实验台的改进 开关阀的流量控制就是通过主阀芯追面与阀座圆孔之间的配合来实现的。因 此，阀芯追面的圆度要求非常高，当发生锈蚀时，必然导致泄漏。 2 2 纯水液压控制阀性能实验台的改进 针对原来实验台出现的种种故障，提出了改进方案。由于错位的两根钢管与 过度块螺纹连接处的尺寸完全一样，因此没有必要更换过度块，只需重新调整两 钢管的位置即可。 因此实验台做了如下改进：回水管换成了高压软管，然后与传感器所在钢管 位置互换。由于回水管为钢管，长度不可伸缩，故不能与传感器直接交换位置， 必须换成软管后方可实现。下图2 6 为改进后的管路连接。 图2 6 改进后管路结构 针对已经堵塞的溢流阀和锈蚀的开关截止阀也进行了处理。对溢流阀3 的阀 芯、阀套等进行了清洗，并更换了已经胶着的密封圈。 开关阀之所以出现严重锈蚀，是因为材料为碳钢，纯水液压元件必须是不锈 钢材料。重新更换成不锈钢开关阀，解决了锈蚀失效问题。 2 3 本章小结 本章对纯水液压控制阀性能实验台的故障分析与结构改进进行了详述。首先 对出现的现象进行了分析，推断出现问题的原因，然后逐一排查，确定后再逐步 1 4 第二章纯水液压控制阀性能实验台的改进 给以解决。 纯水液压系统由于水的特殊理化特性，使得各个液压元件非常容易发生水垢 堵塞和锈蚀等现象，造成元件无法正常工作。作者对实验台进行了故障分析，并 对故障的液压元件进行了拆卸、清洗或更换，解决了堵塞、锈蚀问题。 本章对实验台的故障分析与改进从侧面说明了水压元件的易锈蚀、易堵塞的 特性，需要经常对一些重要元件进行清洗等维护工作。 第三章纯水液眯 卒制阍的甘能测试 第三章纯水液压控制阀的性能测试 浙江大学研制出了各种溢流阀、换向阀和节流阀样机，并经过性能测试说明 这些溷已经达到甚至超过了同类油阀的水平。为了验证其性能是否具有可重复性， 对这些样机进行再测试是非常必要的。而且为这些阀的耐久性实验测试研究做好 准备。 3 1 纯水溢流阀的性能测试 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制了直动式和先导式纯水溢流 阀，其中一部分先导式溢流阀为电磁卸荷溢流阀。图3 1 为阀的照片。 图3 1 纯水溢流阀 纯水溢流阀的性能测试在综合2 1 1 实验台上进行，实验台如下图3 2 所示。 图3 2 纯水液压综合性能实验台 第三章纯水液压拧制阁的件能测试 纯水溢流阀性能测试原理图如图3 3 所示 1 纯水掖压彖2 槛流阀3 被试 盏梳阀4 二位二通换同阔5 节疯阀 6 疯量计 图3 3 纯水溢流阀实验原理图 纯水液压泵1 由芬兰1 ) a n f o s 公司购入，为排量是8 0 l r a i n 的轴向纯水液压柱 塞泵，由功率为4 5 k w 的电机驱动。泵的额定压力为1 4 s p a ，最大工作压力为2 1 m p a 溢流阀2 作安全阀，换向阀4 _ a 、4 - b 用于在关闭时调节安全阀压力，其中4 - b 关 闭时用来测试被试溢流阀的特性，控制它的不断通断来进行被试阀的耐久性测试， 节流阀5 - a 用于调节被试溢流阀3 的背压，流量计6 用来测试通过被试阀的流量。 压力表i 、1 1 分别用来测量被试阀进、出口的压力。 3 1 1 纯水溢流阀静、动态特性测试 实验主要内容包括： 一、静态特性测试 1 调压范围及压力稳定性试验 将被试纯水液压溢流阀置于图3 3 中3 处，调节实验回路中的溢流阀2 比被试 阀的调压范围上限高1 5 左右，使通过被试阀的流量为试验流量。分别进行下列 试验： ( 1 ) 调节被试阀的调压手轮从全松至全紧，再从全紧至全松，观察进口压力 1 7 第三章纯水液压控制阀的性能测试 上升与下降情况，并测量调压范围。 ( 2 ) 调节被试阀至调压范围最高值，测量压力振摆。 ( 3 ) 调节被试阀至调压范围最高值，测量l m i n 内的压力偏移。 2 启闭特性试验 在启闭特性实验中，将被试溢流阀3 调定在实验压力下，逐渐调节溢流阀2 ， 从全松直至被试阀的开启压力，即可得到开启特性：然后逐渐松开溢流阀2 ，直至 被试阀关闭。即可得到闭合特性。 3 卸荷压力试验 在卸荷压力试验中，使通过被试阀的流量从零逐渐加大到实验流量，其问取 几个测量点，逐点测量被试阀的卸荷压力，绘制流量一卸荷压力曲线。 4 压力损失试验 试验中，使通过被试阀的流量从零逐渐加大到实验流量，其间取几个测量点， 逐点测量被试阀的压力损失，绘制流量一压力损失曲线。 5 压力流量特性试验 分别把被试阀调定在较低值、中间值和较高值，使通过被试阀的流量均为实 验流量，然后改变系统压力，逐点测量被试阀进口压力与通过被试阀的流量。 二、动态特性试验 1 流量阶跃压力响应特性试验 将被试阀调定在所需的实验流量与压力下，操作换向阀4 - b 使实验系统的压 力下降到初始压力( 保证被试阀进口处的初始压力不大于最终稳态压力值的 2 0 ) ，然后迅速关闭换向阀4 b ，这时在被试阀进口处测被试阀的压力响应。 2 卸荷，建压特性试验 操作电磁阀，使被试阀建压和卸荷，记录被试阀进口压力建压和卸荷过程， 得出建压时阃、卸荷时间和压力超调量 3 1 2 纯水溢流阀试验结果与分析 一、静态特性测试 1 调压范围及压力稳定性试验 如图3 3 ，令换向阀铀得电，调节溢流阀2 比被试阀3 的调压范围上限高1 5 左右通过调节变频器的设定值来调节定量泵l 的转速，从而使流过被试阀的流 1 8 第三章纯水液压榨制阀的性能测试 量为试验流量。在某一试验流量下，将被试阀从全松到全紧进行连续调节，然后 反向由全紧至全松，由压力传感器i 可测得被试阀3 的入口压力，再由数据采集、 处理系统得到试验数据。 分别将泵1 的转速调定在1 0 0 0 r m i n ( 对应流量为8 0 1 m i n ) 和1 4 5 0 r m i n ( 列 应流量为1 2 0 1 _ r a i n ) ，记录被试阀连续调节时的入口压力，得出试验曲线。 男 叼 零