低流阻雙向密封海水液壓電磁截止閥設(shè)計(jì)

李東林,閆有朋,王菲菲,馬先帥,劉銀水

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

建設(shè)海洋強(qiáng)國是國家戰(zhàn)略,以“奮斗者”號(hào)載人潛水器、“海斗”號(hào)無人潛水器等為代表的深海裝備是中國建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要支撐[1]。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是潛水器的核心子系統(tǒng),用于補(bǔ)償海水介質(zhì)特性及潛水器排水體積變化所引起的浮力改變[2-3]。以海水為工作介質(zhì)的海水浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng),具有與海洋環(huán)境相容、海深壓力自動(dòng)補(bǔ)償、系統(tǒng)組成簡單、無油液泄漏帶來的失效風(fēng)險(xiǎn)等突出優(yōu)點(diǎn),在潛水器中使用具有先天優(yōu)勢[4-6]。

海水液壓電磁截止閥是海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心元件,面臨系統(tǒng)復(fù)雜工況和海水介質(zhì)特殊性的挑戰(zhàn)[7]。與常規(guī)液壓系統(tǒng)不同,海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,截止閥設(shè)置在海水泵的入口端,如果閥的流阻過大,將嚴(yán)重影響系統(tǒng)排水效率并產(chǎn)生較大針對(duì)噪聲,甚至造成海水泵吸入不足而損壞,這就要求電磁截止閥流阻小。同時(shí),由于潛水器工作在不同水深,壓載水艙內(nèi)壓力和外界海洋環(huán)境壓力不斷變化,電磁截止閥兩端高低壓不斷切換,需要實(shí)現(xiàn)可靠的雙向密封,才能保證潛水器的安全性和節(jié)能性,這又要求電磁截止閥雙向密封[8]。

由于截止閥的特殊性要求,無貨架產(chǎn)品可用,多個(gè)學(xué)者對(duì)此開展了研究工作,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥口密封形式、配對(duì)材料和流阻分析等[9-12]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)[13]提出了電磁鐵驅(qū)動(dòng)海水液壓浮力調(diào)節(jié)控制閥集成結(jié)構(gòu),并對(duì)其功能和性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,但吸入效率有待提高。文獻(xiàn)[14]提出了一種采用套筒壓力平衡式的截止閥結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了雙向密封,但是該閥旋轉(zhuǎn)開啟方式不適于采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)。在閥口密封形式方面,文獻(xiàn)[15]研究了深海工況對(duì)球閥閥座密封性能的影響,得出了變形與密封比壓的關(guān)系。文獻(xiàn)[16]提出了一種錐閥密封形式的水液壓比例閥結(jié)構(gòu),研究了閥的動(dòng)靜態(tài)特性,但是該閥存在一定的內(nèi)泄漏。文獻(xiàn)[17]研究了球閥的雙向密封性能,獲得了密封壓力范圍,但該閥啟閉扭矩較大,操縱較困難。在閥口配對(duì)材料方面,文獻(xiàn)[18]提出了深海水液壓三位四通換向閥結(jié)構(gòu),該閥采用鋁青銅與不銹鋼配合密封,泄漏量較大。文獻(xiàn)[19]面向8 000 m大深度海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng),研究了高壓密封、高壓形變等對(duì)控制閥的影響,研制了超高壓浮力調(diào)節(jié)控制閥組,該閥采用陶瓷與不銹鋼“硬對(duì)硬”密封,需單獨(dú)配置液壓油源控制換向,驅(qū)動(dòng)方式較復(fù)雜。在閥流阻分析方面,文獻(xiàn)[20]研究了控制閥流道對(duì)海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸入效率的影響規(guī)律,對(duì)控制閥組流道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,注排水效率提高10%以上。文獻(xiàn)[21]研究了先導(dǎo)式深海通海閥流阻特性,并優(yōu)化了流道流阻系數(shù)。

綜上所述,現(xiàn)有研究主要集中在結(jié)構(gòu)、材料和密封形式上,對(duì)適合電磁鐵驅(qū)動(dòng)的雙向密封結(jié)構(gòu)和閥口開度對(duì)流阻影響的研究較少。因此,本文針對(duì)潛水器海水液壓浮力調(diào)節(jié)的需求,提出滿足雙向密封要求的電磁截止閥總體結(jié)構(gòu)?；诿芊夂土髯鑼?duì)電磁截止閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),研制電磁截止閥樣機(jī),并測試其性能參數(shù),以提高潛水器海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的效率。

1 電磁截止閥總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.螺塞;2.彈簧;3.閥套;4.閥芯;5.閥座;6.推桿圖1 電磁截止閥總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)100 m工作水深,注排水流量不小于3 L/min指標(biāo)要求,結(jié)合系統(tǒng)工作原理,電磁截止閥正向入口和反向入口均需滿足1.0 MPa下的密封要求。電磁截止閥的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,閥芯和閥座采用密封性能良好的錐閥結(jié)構(gòu),以滿足密封低黏度海水的要求。在閥芯內(nèi)部開設(shè)小孔,將閥芯上腔和下腔連通,閥芯上腔與閥芯下腔直徑相同,以盡可能減小閥芯兩腔面積差,滿足電磁截止閥正反向工作要求。

1.2 受力分析

當(dāng)電磁截止閥正向入口有壓力時(shí),海水通過推桿和閥芯中部小孔作用至閥芯下腔,與閥芯上腔液壓作用力平衡,抵消大部分作用力(僅相差推桿作用面積),閥芯在彈簧和液壓力作用下關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)正向密封功能。當(dāng)電磁截止閥反向入口有壓力時(shí),因閥芯上腔和閥芯下腔直徑相同,閥芯不受液壓力作用,閥芯在彈簧力作用下關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)反向密封功能。因此,電磁截止閥關(guān)閉時(shí),閥芯受到的作用力需滿足：

Ft=Fm=Am·pm,

(1)

其中：Ft為彈簧力,N,其值為Ft=k(h0+h);k為彈簧剛度,N/m;h0為彈簧預(yù)壓縮量,m;h為閥口開度,m;Fm為密封力,N;Am為密封帶面積,m2;pm為密封比壓,其值為pm=km·p;km為密封特性系數(shù)。

當(dāng)電磁截止閥開啟瞬間,電磁鐵推力作用至推桿上,需克服彈簧力、摩擦力和閥芯兩腔面積差產(chǎn)生的液壓力,即：

F1+Ff+ΔA·p≤Fd,

(2)

其中：p為工作壓力,Pa;ΔA為閥芯上下腔的面積差,m2;Fd為電磁鐵推力,N;Ff為閥芯摩擦力(含密封圈的摩擦),N,根據(jù)文獻(xiàn)[12],其值可表示為Ff=fπDW[0.2πeE+μ(1+μ)p]/(1-μ2);f為摩擦因數(shù);D為密封圈外徑,m;W為密封圈線徑,m;e為壓縮量,m;E為密封圈彈性模量,Pa;μ為泊松比。當(dāng)電磁截止閥達(dá)到最大開度時(shí),電磁鐵推力需大于彈簧力、摩擦力、閥芯兩腔面積差產(chǎn)生的液壓力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力,即：

Ft+Ff+ΔA·p+Fy≤Fd,

(3)

當(dāng)同時(shí)滿足式(1)～(3)的受力條件時(shí),電磁截止閥可正常工作。

2 電磁截止閥性能優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截止閥流阻特性的影響

由于電磁截止閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)則,難以通過理論公式精確計(jì)算流阻,故采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行流阻仿真分析。具體步驟和方法見課題組之前的研究工作[20]。截止閥流阻與閥的通徑和開度直接相關(guān)[18,19,22],但受限于結(jié)構(gòu)和制造因素,通徑過小將導(dǎo)致彈簧設(shè)計(jì)困難,通徑過大則造成閥的質(zhì)量增加?；谡n題組前期研究基礎(chǔ),設(shè)定電磁截止閥通徑為14 mm,通過優(yōu)化閥口開度,以減小流阻。為了研究閥口開度結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流阻的影響,分別在閥口開度為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5mm,進(jìn)口流量為1 L/min、2 L/min、3 L/min、4 L/min、5 L/min進(jìn)行仿真,計(jì)算不同參數(shù)下的流阻,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：相同開度下,電磁截止閥流阻隨著流量的增加而增大。相同流量下,電磁截止閥開度越大,流阻越小,0.5 mm小開度時(shí),流阻遠(yuǎn)大于其他閥口開度的數(shù)據(jù),說明閥口小開度對(duì)流阻的影響較大,因此要盡可能增加開度,降低流阻。

圖2 閥口開度對(duì)電磁截止閥流阻的影響

2.2 相關(guān)參數(shù)對(duì)截止閥密封比壓的影響

由于選用錐閥形式的密封結(jié)構(gòu),閥芯和閥座實(shí)際接觸情況是影響密封性能的關(guān)鍵因素,即閥座上的微倒角和密封力等相關(guān)參數(shù)對(duì)密封比壓的影響是關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了精準(zhǔn)分析微倒角和密封力對(duì)密封比壓的影響,采用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析。由于閥芯與閥座為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),為提高計(jì)算效率,便于分析接觸應(yīng)力(密封比壓),簡化為二維模型進(jìn)行仿真分析,如圖3所示。從圖3a應(yīng)力云圖可知：閥座微倒角與閥芯錐面形成較小的接觸區(qū)域,產(chǎn)生了較大的應(yīng)力,兩者的接觸應(yīng)力超過5 MPa。從圖3b應(yīng)變?cè)茍D可知：由于閥芯(聚四氟乙烯)的彈性模量遠(yuǎn)小于閥座(316L不銹鋼),閥芯產(chǎn)生明顯形變,最大變形量約為0.018 mm,這使得接觸區(qū)域由理論上的點(diǎn)接觸變?yōu)榫€接觸,接觸寬度約為0.07 mm。

(a) 應(yīng)力云圖

為了研究閥座微倒角和密封力對(duì)密封比壓的影響,分別在倒角半徑R0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和密封力5.0 N、7.5 N、10.0 N、12.5 N、15.0 N時(shí)計(jì)算閥芯和閥座的密封比壓,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：密封比壓隨著倒角半徑的增加而減小,隨著密封力的增加而增大。按照1.0 MPa的工作壓力,取密封系數(shù)km為2,密封比壓pm為2.0 MPa。為了便于閥座加工和彈簧設(shè)計(jì),選擇倒角半徑R為0.3 mm,密封力10 N,所產(chǎn)生的密封比壓可滿足要求。

圖4 相關(guān)參數(shù)對(duì)電磁截止閥密封比壓的影響

2.3 電磁截止閥綜合性能優(yōu)化

根據(jù)電磁截止閥的受力分析,計(jì)算閥芯上作用力的取值。主要計(jì)算參數(shù)如下：工作壓力p=1.0 MPa,流量q=3 L/min,閥芯上下腔的液壓力ΔAp=2.65 N,閥芯摩擦力Ff=10.2 N,電磁鐵推力Fd由文獻(xiàn)[12]所研制的專用測試臺(tái)測試。閥口開度(氣隙行程)與電磁鐵推力、摩擦力、液壓力的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：為保證電磁閥動(dòng)作可靠,設(shè)置安全裕度空間(5 N),結(jié)合式(2)的計(jì)算方法,可得到彈簧力許用區(qū)間,其值隨著閥口開度的增加逐漸減小。

圖5 彈簧力許用值與閥口開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)式(1)的計(jì)算方法,結(jié)合彈簧力許用值,可繪制密封力與閥口開度的關(guān)系圖。按照流阻仿真分析方法,可繪制流阻與閥口開度的關(guān)系圖,將兩者綜合,可得到密封與流阻綜合性能的閥口開度優(yōu)選圖譜,如圖6所示。從圖6可以看出：設(shè)置電磁截止閥流阻不大于800 Pa,獲得滿足流阻要求的可用區(qū)間(閥口開度不小于1.84 mm)。根據(jù)閥口密封性仿真分析,設(shè)置電磁截止閥密封力不小于10 N,獲得滿足密封要求的可用區(qū)間(閥口開度不大于2.19 mm)。兩者的重疊區(qū)域,即閥口開度1.84～2.19 mm,為閥口開度優(yōu)選區(qū)間。結(jié)合工程需要,選用閥口開度2 mm為設(shè)計(jì)值。

圖6 基于密封和流阻綜合性能的閥口開度優(yōu)選圖譜

3 樣機(jī)研制與測試

3.1 電磁截止閥樣機(jī)的研制

根據(jù)前面的分析和計(jì)算,完成電磁截止閥的設(shè)計(jì)和加工,樣機(jī)如圖7所示?？紤]到海水的強(qiáng)腐蝕性,閥座、閥套、推桿、彈簧、螺堵等功能部件選用耐腐蝕性能優(yōu)異的316L不銹鋼制作;閥芯采用低摩擦、耐腐蝕、硬度適中的聚四氟乙烯制作;閥體作為結(jié)構(gòu)件,為減輕系統(tǒng)質(zhì)量,選用7075鋁合金制作。

圖7 海水液壓電磁截止閥樣機(jī)

3.2 電磁截止閥流阻特性測試

參考JB/T10365—2014《液壓電磁換向閥》標(biāo)準(zhǔn)要求,建立電磁截止閥流阻特性測試回路。使用海水泵為測試系統(tǒng)供壓,電磁截止閥出口接大氣,入口處安裝壓力表測試流阻。主要測量儀器參數(shù)如下：流量計(jì),測量范圍：0.1～7.0 L/min,精度：0.1級(jí);壓力表,量程：0 ～ 0.1 MPa,精度：1.6級(jí)。分別在流量1～ 5 L/min測試電磁截止的流阻,并與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：仿真結(jié)果與實(shí)測值趨勢變化一致,均隨著流量的增加而增大,實(shí)測值略大于仿真值,這是因?yàn)槭艿綁毫Ρ碇岭姶沤刂归y入口管路和接頭流阻的影響?？傮w上看,電磁截止閥流量3 L/min時(shí)流阻小于640 Pa,壓力損失小,流道設(shè)計(jì)合理。

圖8 電磁截止閥的流阻特性

3.3 電磁截止閥密封性能測試

參考GB/T13927—2008《工業(yè)閥門壓力實(shí)驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)要求,建立電磁截止閥密封性能測試回路。由空壓機(jī)提供氣壓,減壓閥調(diào)節(jié)壓力,分別接入電磁截止閥的正向和反向,截止閥的出口浸入水中,通過觀察水中氣泡數(shù)量以測試密封性,結(jié)果如表1所示。由表1可知：電磁截止閥正向和反向均具有很好的密封性能,1 MPa下雙向零泄漏,滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 電磁截止閥密封性能測試數(shù)據(jù)

3.4 吸入效率測試

圖9為電磁截止閥吸入效率測試系統(tǒng),根據(jù)海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理,模擬注水/排水工況,在海水泵入口回路上安裝或去掉電磁截止閥,測試泵出口的流量。由于系統(tǒng)流量較小,流量傳感器精度不夠,采用稱質(zhì)量法測試平均流量,具體如下：使用秒表記錄海水泵工作時(shí)間,使用電子秤(量程：1 g ～ 30 kg,精度：1 g)測試海水泵排出水的質(zhì)量,換算為平均流量,進(jìn)而計(jì)算吸入效率(等于接入閥流量與不接閥流量的比值),重復(fù)測試3次以提高精度。通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,可獲得不同系統(tǒng)流量下的吸入效率,結(jié)果如表2所示。

圖9 電磁截止閥吸入效率測試系統(tǒng)

由表2可知：由于海水泵在空載下運(yùn)行,不接電磁截止閥的流量可認(rèn)為是理論流量,接入電磁閥后系統(tǒng)流量略有下降,吸入效率隨著系統(tǒng)流量的增加而下降。這是由于電磁截止閥的流阻隨著流量的增加而增大,使得系統(tǒng)吸入回路流阻增加,造成海水泵的流量減小。但是,額定流量3 L/min時(shí),系統(tǒng)的吸入效率超過98.7%,超過了文獻(xiàn)[12]所記錄的87%和文獻(xiàn)[18]所記錄的92.5%,說明所設(shè)計(jì)電磁截止閥的流阻小,可提高海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的注水和排水效率。

表2 電磁截止閥吸入效率測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文提出了具有雙向密封功能的海水液壓電磁閥結(jié)構(gòu),對(duì)電磁截止閥進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和基于流阻特性和密封要求的綜合性能優(yōu)化,研制了電磁截止閥樣機(jī),并通過樣機(jī)性能測試。樣機(jī)在額定流量3 L/min時(shí),流阻小于640 Pa,在1 MPa時(shí),實(shí)現(xiàn)雙向零泄漏,吸入效率超過98.7%,表明電磁截止閥設(shè)計(jì)合理,性能良好。