【摘要】：海(淡)水液壓傳動技術(shù)是當前國際上流體傳動及控制學科前沿的、有廣闊應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系統(tǒng)中最重要也是最基礎的控制元件之一,其主要功能是實現(xiàn)海水液壓傳動系統(tǒng)的作動元件(如液壓缸、液壓馬達等)可靠動作,可在水下作業(yè)裝備、消防、冶金、食品、農(nóng)業(yè)機械、高壓水清洗、核工業(yè)以及海水淡化等領域得到廣泛的應用。海水液壓換向閥的研制涉及流體傳動與控制、新材料、摩擦學、機械設計等學科前沿,集中反映了水壓傳動的許多關鍵技術(shù)難點。因此,對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用價值。本文以面向深海的水液壓換向閥為研究對象,針對海水環(huán)境中液壓閥的關鍵技術(shù)問題,對比研究了海水液壓閥口密封常用配對材料的摩擦磨損機理和電化學腐蝕機理,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,并進行了試驗驗證;建立了海水液壓錐閥閥口密封泄漏量分形模型,揭示了密封比壓對閥口泄漏量的影響;基于應力-強度干涉理論,考慮失效模式相關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,進一步完善了海水液壓換向閥實驗室試驗和海上試驗方法。本文的具體研究工作分述如下:(1)分析概述了目前國內(nèi)外水液壓換向閥的研究進展,比較了國內(nèi)外水液壓換向閥的性能特點和發(fā)展狀況,重點闡述了插裝式水液壓換向閥的應用前景,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內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出了本文的關鍵技術(shù)問題和主要研究內(nèi)容。(2)闡釋了海水環(huán)境對閥口密封副材料的腐蝕磨損機理,定量描述了腐蝕磨損交互作用數(shù)學關系;搭建了海水腐蝕磨損電化學綜合試驗裝置,通過摩擦學試驗和電化學腐蝕試驗,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,對比分析了腐蝕磨損的“負”交互作用。(3)介紹了靜水壓能驅(qū)動的深海采樣方法,提出了一種基于濕式電磁鐵的壓力自平衡采樣閥技術(shù),利用多物理場耦合理論對電磁鐵進行了仿真分析,研究了濕式電磁鐵的靜動態(tài)性能,在此基礎上設計并研制了深海采集用兩位三通電磁換向閥,開展了實驗室和深海模擬試驗研究,通過仿真和試驗對比,驗證了采樣器樣機能夠在深海環(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計方案,通過試驗驗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)學模型,并對換向閥的動態(tài)性能進行了單參數(shù)影響因素和多參數(shù)遺傳算法研究,通過對比分析實現(xiàn)了影響換向閥動態(tài)性能的關鍵參數(shù)優(yōu)化,提高了換向閥的動態(tài)響應時間。(5)針對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,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的可靠性分析方法,基于應力-強度干涉模型,對閥口密封彈簧進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)在以上研究的基礎上,研制了全浸式海水插裝式三位四通電磁換向閥樣機,搭建了海水液壓換向閥試驗系統(tǒng),系統(tǒng)研究了海水換向閥性能測試方法,完成了海水換向閥樣機的實驗室動靜態(tài)性能試驗研究、深海模擬試驗和海上試驗研究,試驗結(jié)果表明樣機額定壓力為14 MPa,額定流量為160 L/min,動態(tài)開啟時間為109 ms,動態(tài)關閉時間為128 ms,滿足既定技術(shù)指標要求,能夠在深海環(huán)境下正常工作。最后,對本文的研究工作進行了總結(jié),并指出了進一步的研究方向。
【圖文】：

a) 原理圖a) Working principle diagramb) 實物圖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 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（德國工業(yè)標準）的標準化孔徑油筒式閥互換。閥的額定工作壓力可達 42 MPa。Rexroth 公司生產(chǎn)的水壓電磁開關閥有直動式和先導式兩種結(jié)構(gòu)形式如圖 1-6 所示，，先導開關閥最大工作壓力可達 42 MPa，額定流量有 12 L/min、25 L/min，該系列的開關閥響應速度快、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，但仍然存在諸如體積過于龐大、路流體傳動及控制國家重點試驗室從 1997~1998 年開，已從國外引進一套淡水液壓元件試驗臺。重點考察瓷、不銹鋼-工程塑料、陶瓷-陶瓷三種配對的摩擦學系數(shù)，材料的質(zhì)量損失或體積損失。經(jīng)過多年的努力國家重點實驗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水壓控制閥的研究，該實驗室不僅在摩擦磨損機材料選擇等關鍵共性技術(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。積累的研究成制和實用化進程提供了堅實的基礎。[48, 64]，如圖
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH137.52

【參考文獻】

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本文編號：2671570