【摘要】：海(淡)水液壓傳動(dòng)技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上流體傳動(dòng)及控制學(xué)科前沿的、有廣闊應(yīng)用前景的一門新興技術(shù)。海水液壓換向閥是海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要也是最基礎(chǔ)的控制元件之一,其主要功能是實(shí)現(xiàn)海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的作動(dòng)元件(如液壓缸、液壓馬達(dá)等)可靠動(dòng)作,可在水下作業(yè)裝備、消防、冶金、食品、農(nóng)業(yè)機(jī)械、高壓水清洗、核工業(yè)以及海水淡化等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。海水液壓換向閥的研制涉及流體傳動(dòng)與控制、新材料、摩擦學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等學(xué)科前沿,集中反映了水壓傳動(dòng)的許多關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。因此,對(duì)于海水液壓換向閥的研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文以面向深海的水液壓換向閥為研究對(duì)象,針對(duì)海水環(huán)境中液壓閥的關(guān)鍵技術(shù)問題,對(duì)比研究了海水液壓閥口密封常用配對(duì)材料的摩擦磨損機(jī)理和電化學(xué)腐蝕機(jī)理,定量分析了材料的腐蝕磨損交互作用;提出了一種基于濕式電磁鐵的壓力自平衡采樣閥技術(shù),探討了海水液壓電磁閥用全浸式電磁鐵方案的可行性,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證;建立了海水液壓錐閥閥口密封泄漏量分形模型,揭示了密封比壓對(duì)閥口泄漏量的影響;基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論,考慮失效模式相關(guān)性開展了閥口密封彈簧可靠性分析;以所研制的海水三位四通插裝式電磁換向閥為例,進(jìn)一步完善了海水液壓換向閥實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和海上試驗(yàn)方法。本文的具體研究工作分述如下:(1)分析概述了目前國(guó)內(nèi)外水液壓換向閥的研究進(jìn)展,比較了國(guó)內(nèi)外水液壓換向閥的性能特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r,重點(diǎn)闡述了插裝式水液壓換向閥的應(yīng)用前景,概括了海水環(huán)境下的材料腐蝕磨損和液壓閥口密封可靠性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出了本文的關(guān)鍵技術(shù)問題和主要研究?jī)?nèi)容。(2)闡釋了海水環(huán)境對(duì)閥口密封副材料的腐蝕磨損機(jī)理,定量描述了腐蝕磨損交互作用數(shù)學(xué)關(guān)系;搭建了海水腐蝕磨損電化學(xué)綜合試驗(yàn)裝置,通過摩擦學(xué)試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn),得到了閥口密封材料腐蝕磨損重要參數(shù);深入探討了腐蝕與磨損的交互作用,對(duì)比分析了腐蝕磨損的“負(fù)”交互作用。(3)介紹了靜水壓能驅(qū)動(dòng)的深海采樣方法,提出了一種基于濕式電磁鐵的壓力自平衡采樣閥技術(shù),利用多物理場(chǎng)耦合理論對(duì)電磁鐵進(jìn)行了仿真分析,研究了濕式電磁鐵的靜動(dòng)態(tài)性能,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并研制了深海采集用兩位三通電磁換向閥,開展了實(shí)驗(yàn)室和深海模擬試驗(yàn)研究,通過仿真和試驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證了采樣器樣機(jī)能夠在深海環(huán)境下完成天然氣水合物的采集工作。(4)在考慮海水腐蝕磨損、高壓流量、高可靠性的前提下,提出一種基于全浸式電磁鐵的海水插裝閥設(shè)計(jì)方案,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了海水電磁閥用全浸式電磁鐵的可行性,建立了海水插裝式三位四通電磁換向閥數(shù)學(xué)模型,并對(duì)換向閥的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了單參數(shù)影響因素和多參數(shù)遺傳算法研究,通過對(duì)比分析實(shí)現(xiàn)了影響換向閥動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化,提高了換向閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。(5)針對(duì)海水液壓錐閥閥口密封泄漏失效問題,建立了錐閥閥口泄漏量分形模型,開展了海水背壓下閥口密封副材料的全面均勻腐蝕試驗(yàn),修正了海水背壓情況下的材料腐蝕衰減模型,提出了海水液壓閥口密封失效相關(guān)的可靠性分析方法,基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型,對(duì)閥口密封彈簧進(jìn)行了多失效模式可靠性分析,為水壓換向閥閥口密封可靠性提供了理論依據(jù)。(6)在以上研究的基礎(chǔ)上,研制了全浸式海水插裝式三位四通電磁換向閥樣機(jī),搭建了海水液壓換向閥試驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)研究了海水換向閥性能測(cè)試方法,完成了海水換向閥樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)室動(dòng)靜態(tài)性能試驗(yàn)研究、深海模擬試驗(yàn)和海上試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)額定壓力為14 MPa,額定流量為160 L/min,動(dòng)態(tài)開啟時(shí)間為109 ms,動(dòng)態(tài)關(guān)閉時(shí)間為128 ms,滿足既定技術(shù)指標(biāo)要求,能夠在深海環(huán)境下正常工作。最后,對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié),并指出了進(jìn)一步的研究方向。
【圖文】：

a) 原理圖a) Working principle diagramb) 實(shí)物圖b) Physical map圖 1-5 MIDLAND-ACS 二位四通水液壓換向閥[52]Fig.1-5 Water hydraulic 4/2 directional valve by MIDLAND-ACS德國(guó) Rexroth 公司生產(chǎn)的以水或高水基作流體介質(zhì)的二位二通閥[53]，范圍 5-55℃。閥的幾何尺寸符合 DIN（德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的標(biāo)準(zhǔn)化孔徑油筒式閥互換。閥的額定工作壓力可達(dá) 42 MPa。Rexroth 公司生產(chǎn)的水壓電磁開關(guān)閥有直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩種結(jié)構(gòu)形式如圖 1-6 所示，，先導(dǎo)開關(guān)閥最大工作壓力可達(dá) 42 MPa，額定流量有 12 L/min、25 L/min，該系列的開關(guān)閥響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定[48]。

磁鐵 2.閥體 3.左閥套 4.右閥套 5.彈簧座 6.彈簧 7.套筒 8.閥芯 9.圖 1-7 水壓三位四通電磁換向閥結(jié)構(gòu)示意圖[33, 54-60]ig.1-7 Schematic diagram of water hydraulic 4/3 directional va李塔研制出了額定壓力為 14 MPa，額定流量為 16電磁換向閥樣機(jī)，但仍然存在諸如體積過于龐大、路流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室從 1997~1998 年開，已從國(guó)外引進(jìn)一套淡水液壓元件試驗(yàn)臺(tái)。重點(diǎn)考察瓷、不銹鋼-工程塑料、陶瓷-陶瓷三種配對(duì)的摩擦學(xué)系數(shù)，材料的質(zhì)量損失或體積損失。經(jīng)過多年的努力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在水壓控制閥的研究方面取得了初制元件種類包括純水控制閥、純水壓力控制閥和純水過對(duì)水壓控制閥的研究，該實(shí)驗(yàn)室不僅在摩擦磨損機(jī)材料選擇等關(guān)鍵共性技術(shù)上有了一定的積累，而且在、加工制造等方面獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。積累的研究成制和實(shí)用化進(jìn)程提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[48, 64]，如圖
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH137.52

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671570