低流阻双向密封海水液压电磁截止阀设计

李东林,闫有朋,王菲菲,马先帅,刘银水

(1.河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003;2.华中科技大学 机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

建设海洋强国是国家战略,以“奋斗者”号载人潜水器、“海斗”号无人潜水器等为代表的深海装备是中国建设海洋强国的重要支撑[1]。浮力调节系统是潜水器的核心子系统,用于补偿海水介质特性及潜水器排水体积变化所引起的浮力改变[2-3]。以海水为工作介质的海水浮力调节系统,具有与海洋环境相容、海深压力自动补偿、系统组成简单、无油液泄漏带来的失效风险等突出优点,在潜水器中使用具有先天优势[4-6]。

海水液压电磁截止阀是海水液压浮力调节系统的核心元件,面临系统复杂工况和海水介质特殊性的挑战[7]。与常规液压系统不同,海水液压浮力调节系统中,截止阀设置在海水泵的入口端,如果阀的流阻过大,将严重影响系统排水效率并产生较大针对噪声,甚至造成海水泵吸入不足而损坏,这就要求电磁截止阀流阻小。同时,由于潜水器工作在不同水深,压载水舱内压力和外界海洋环境压力不断变化,电磁截止阀两端高低压不断切换,需要实现可靠的双向密封,才能保证潜水器的安全性和节能性,这又要求电磁截止阀双向密封[8]。

由于截止阀的特殊性要求,无货架产品可用,多个学者对此开展了研究工作,包括结构设计、阀口密封形式、配对材料和流阻分析等[9-12]。在结构设计方面,文献[13]提出了电磁铁驱动海水液压浮力调节控制阀集成结构,并对其功能和性能进行了较为详细的设计和验证,但吸入效率有待提高。文献[14]提出了一种采用套筒压力平衡式的截止阀结构,实现了双向密封,但是该阀旋转开启方式不适于采用电磁铁驱动。在阀口密封形式方面,文献[15]研究了深海工况对球阀阀座密封性能的影响,得出了变形与密封比压的关系。文献[16]提出了一种锥阀密封形式的水液压比例阀结构,研究了阀的动静态特性,但是该阀存在一定的内泄漏。文献[17]研究了球阀的双向密封性能,获得了密封压力范围,但该阀启闭扭矩较大,操纵较困难。在阀口配对材料方面,文献[18]提出了深海水液压三位四通换向阀结构,该阀采用铝青铜与不锈钢配合密封,泄漏量较大。文献[19]面向8 000 m大深度海水液压浮力调节系统,研究了高压密封、高压形变等对控制阀的影响,研制了超高压浮力调节控制阀组,该阀采用陶瓷与不锈钢“硬对硬”密封,需单独配置液压油源控制换向,驱动方式较复杂。在阀流阻分析方面,文献[20]研究了控制阀流道对海水液压浮力调节系统吸入效率的影响规律,对控制阀组流道进行了结构优化,注排水效率提高10%以上。文献[21]研究了先导式深海通海阀流阻特性,并优化了流道流阻系数。

综上所述,现有研究主要集中在结构、材料和密封形式上,对适合电磁铁驱动的双向密封结构和阀口开度对流阻影响的研究较少。因此,本文针对潜水器海水液压浮力调节的需求,提出满足双向密封要求的电磁截止阀总体结构。基于密封和流阻对电磁截止阀进行优化设计,研制电磁截止阀样机,并测试其性能参数,以提高潜水器海水液压浮力调节系统的效率。

1 电磁截止阀总体设计

1.1 结构设计

1.螺塞;2.弹簧;3.阀套;4.阀芯;5.阀座;6.推杆图1 电磁截止阀总体结构

针对100 m工作水深,注排水流量不小于3 L/min指标要求,结合系统工作原理,电磁截止阀正向入口和反向入口均需满足1.0 MPa下的密封要求。电磁截止阀的总体结构如图1所示,阀芯和阀座采用密封性能良好的锥阀结构,以满足密封低黏度海水的要求。在阀芯内部开设小孔,将阀芯上腔和下腔连通,阀芯上腔与阀芯下腔直径相同,以尽可能减小阀芯两腔面积差,满足电磁截止阀正反向工作要求。

1.2 受力分析

当电磁截止阀正向入口有压力时,海水通过推杆和阀芯中部小孔作用至阀芯下腔,与阀芯上腔液压作用力平衡,抵消大部分作用力(仅相差推杆作用面积),阀芯在弹簧和液压力作用下关闭,实现正向密封功能。当电磁截止阀反向入口有压力时,因阀芯上腔和阀芯下腔直径相同,阀芯不受液压力作用,阀芯在弹簧力作用下关闭,实现反向密封功能。因此,电磁截止阀关闭时,阀芯受到的作用力需满足：

Ft=Fm=Am·pm,

(1)

其中：Ft为弹簧力,N,其值为Ft=k(h0+h);k为弹簧刚度,N/m;h0为弹簧预压缩量,m;h为阀口开度,m;Fm为密封力,N;Am为密封带面积,m2;pm为密封比压,其值为pm=km·p;km为密封特性系数。

当电磁截止阀开启瞬间,电磁铁推力作用至推杆上,需克服弹簧力、摩擦力和阀芯两腔面积差产生的液压力,即：

F1+Ff+ΔA·p≤Fd,

(2)

其中：p为工作压力,Pa;ΔA为阀芯上下腔的面积差,m2;Fd为电磁铁推力,N;Ff为阀芯摩擦力(含密封圈的摩擦),N,根据文献[12],其值可表示为Ff=fπDW[0.2πeE+μ(1+μ)p]/(1-μ2);f为摩擦因数;D为密封圈外径,m;W为密封圈线径,m;e为压缩量,m;E为密封圈弹性模量,Pa;μ为泊松比。当电磁截止阀达到最大开度时,电磁铁推力需大于弹簧力、摩擦力、阀芯两腔面积差产生的液压力和稳态液动力,即：

Ft+Ff+ΔA·p+Fy≤Fd,

(3)

当同时满足式(1)～(3)的受力条件时,电磁截止阀可正常工作。

2 电磁截止阀性能优化

2.1 结构参数对截止阀流阻特性的影响

由于电磁截止阀内部结构不规则,难以通过理论公式精确计算流阻,故采用ANSYS Fluent软件进行流阻仿真分析。具体步骤和方法见课题组之前的研究工作[20]。截止阀流阻与阀的通径和开度直接相关[18,19,22],但受限于结构和制造因素,通径过小将导致弹簧设计困难,通径过大则造成阀的质量增加。基于课题组前期研究基础,设定电磁截止阀通径为14 mm,通过优化阀口开度,以减小流阻。为了研究阀口开度结构参数对流阻的影响,分别在阀口开度为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5mm,进口流量为1 L/min、2 L/min、3 L/min、4 L/min、5 L/min进行仿真,计算不同参数下的流阻,结果如图2所示。由图2可知：相同开度下,电磁截止阀流阻随着流量的增加而增大。相同流量下,电磁截止阀开度越大,流阻越小,0.5 mm小开度时,流阻远大于其他阀口开度的数据,说明阀口小开度对流阻的影响较大,因此要尽可能增加开度,降低流阻。

图2 阀口开度对电磁截止阀流阻的影响

2.2 相关参数对截止阀密封比压的影响

由于选用锥阀形式的密封结构,阀芯和阀座实际接触情况是影响密封性能的关键因素,即阀座上的微倒角和密封力等相关参数对密封比压的影响是关键评价指标。为了精准分析微倒角和密封力对密封比压的影响,采用ANSYS软件进行静力分析。由于阀芯与阀座为轴对称结构,为提高计算效率,便于分析接触应力(密封比压),简化为二维模型进行仿真分析,如图3所示。从图3a应力云图可知：阀座微倒角与阀芯锥面形成较小的接触区域,产生了较大的应力,两者的接触应力超过5 MPa。从图3b应变云图可知：由于阀芯(聚四氟乙烯)的弹性模量远小于阀座(316L不锈钢),阀芯产生明显形变,最大变形量约为0.018 mm,这使得接触区域由理论上的点接触变为线接触,接触宽度约为0.07 mm。

(a) 应力云图

为了研究阀座微倒角和密封力对密封比压的影响,分别在倒角半径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时计算阀芯和阀座的密封比压,结果如图4所示。从图4可以看出：密封比压随着倒角半径的增加而减小,随着密封力的增加而增大。按照1.0 MPa的工作压力,取密封系数km为2,密封比压pm为2.0 MPa。为了便于阀座加工和弹簧设计,选择倒角半径R为0.3 mm,密封力10 N,所产生的密封比压可满足要求。

图4 相关参数对电磁截止阀密封比压的影响

2.3 电磁截止阀综合性能优化

根据电磁截止阀的受力分析,计算阀芯上作用力的取值。主要计算参数如下：工作压力p=1.0 MPa,流量q=3 L/min,阀芯上下腔的液压力ΔAp=2.65 N,阀芯摩擦力Ff=10.2 N,电磁铁推力Fd由文献[12]所研制的专用测试台测试。阀口开度(气隙行程)与电磁铁推力、摩擦力、液压力的关系如图5所示。由图5可知：为保证电磁阀动作可靠,设置安全裕度空间(5 N),结合式(2)的计算方法,可得到弹簧力许用区间,其值随着阀口开度的增加逐渐减小。

图5 弹簧力许用值与阀口开度的对应关系

根据式(1)的计算方法,结合弹簧力许用值,可绘制密封力与阀口开度的关系图。按照流阻仿真分析方法,可绘制流阻与阀口开度的关系图,将两者综合,可得到密封与流阻综合性能的阀口开度优选图谱,如图6所示。从图6可以看出：设置电磁截止阀流阻不大于800 Pa,获得满足流阻要求的可用区间(阀口开度不小于1.84 mm)。根据阀口密封性仿真分析,设置电磁截止阀密封力不小于10 N,获得满足密封要求的可用区间(阀口开度不大于2.19 mm)。两者的重叠区域,即阀口开度1.84～2.19 mm,为阀口开度优选区间。结合工程需要,选用阀口开度2 mm为设计值。

图6 基于密封和流阻综合性能的阀口开度优选图谱

3 样机研制与测试

3.1 电磁截止阀样机的研制

根据前面的分析和计算,完成电磁截止阀的设计和加工,样机如图7所示。考虑到海水的强腐蚀性,阀座、阀套、推杆、弹簧、螺堵等功能部件选用耐腐蚀性能优异的316L不锈钢制作;阀芯采用低摩擦、耐腐蚀、硬度适中的聚四氟乙烯制作;阀体作为结构件,为减轻系统质量,选用7075铝合金制作。

图7 海水液压电磁截止阀样机

3.2 电磁截止阀流阻特性测试

参考JB/T10365—2014《液压电磁换向阀》标准要求,建立电磁截止阀流阻特性测试回路。使用海水泵为测试系统供压,电磁截止阀出口接大气,入口处安装压力表测试流阻。主要测量仪器参数如下：流量计,测量范围：0.1～7.0 L/min,精度：0.1级;压力表,量程：0 ～ 0.1 MPa,精度：1.6级。分别在流量1～ 5 L/min测试电磁截止的流阻,并与仿真数据对比,测试结果如图8所示。由图8可知：仿真结果与实测值趋势变化一致,均随着流量的增加而增大,实测值略大于仿真值,这是因为受到压力表至电磁截止阀入口管路和接头流阻的影响。总体上看,电磁截止阀流量3 L/min时流阻小于640 Pa,压力损失小,流道设计合理。

图8 电磁截止阀的流阻特性

3.3 电磁截止阀密封性能测试

参考GB/T13927—2008《工业阀门压力实验》等标准要求,建立电磁截止阀密封性能测试回路。由空压机提供气压,减压阀调节压力,分别接入电磁截止阀的正向和反向,截止阀的出口浸入水中,通过观察水中气泡数量以测试密封性,结果如表1所示。由表1可知：电磁截止阀正向和反向均具有很好的密封性能,1 MPa下双向零泄漏,满足设计要求。

表1 电磁截止阀密封性能测试数据

3.4 吸入效率测试

图9为电磁截止阀吸入效率测试系统,根据海水液压浮力调节系统原理,模拟注水/排水工况,在海水泵入口回路上安装或去掉电磁截止阀,测试泵出口的流量。由于系统流量较小,流量传感器精度不够,采用称质量法测试平均流量,具体如下：使用秒表记录海水泵工作时间,使用电子秤(量程：1 g ～ 30 kg,精度：1 g)测试海水泵排出水的质量,换算为平均流量,进而计算吸入效率(等于接入阀流量与不接阀流量的比值),重复测试3次以提高精度。通过控制电机的转速,可获得不同系统流量下的吸入效率,结果如表2所示。

图9 电磁截止阀吸入效率测试系统

由表2可知：由于海水泵在空载下运行,不接电磁截止阀的流量可认为是理论流量,接入电磁阀后系统流量略有下降,吸入效率随着系统流量的增加而下降。这是由于电磁截止阀的流阻随着流量的增加而增大,使得系统吸入回路流阻增加,造成海水泵的流量减小。但是,额定流量3 L/min时,系统的吸入效率超过98.7%,超过了文献[12]所记录的87%和文献[18]所记录的92.5%,说明所设计电磁截止阀的流阻小,可提高海水液压浮力调节系统的注水和排水效率。

表2 电磁截止阀吸入效率测试数据

4 结束语

本文提出了具有双向密封功能的海水液压电磁阀结构,对电磁截止阀进行了总体方案设计和基于流阻特性和密封要求的综合性能优化,研制了电磁截止阀样机,并通过样机性能测试。样机在额定流量3 L/min时,流阻小于640 Pa,在1 MPa时,实现双向零泄漏,吸入效率超过98.7%,表明电磁截止阀设计合理,性能良好。