新型复合材料海水液压元件关键技术与应用

作者:刘银水       发布于:2015-09-14 08:00:00       浏览次数:2793次

《机械学院科研进展简报》2015年第5总第15 

编辑:科研管理科  日期:2015910


 一、 项目背景

传统的液压技术以矿物型液压油作为工作介质,存在环境污染、易燃等突出问题。与之相比,以海、淡水直接作为工作介质的水液压技术具有无污染、不燃、使用维护方便等优点,是安全环保的绿色传动技术,在海洋中使用时具有如下突出优势:不需要水箱和回水管,结构简单;具有压力自动补偿功能;水的粘度低,流动阻力小,系统效率高;海水渗入系统中不会对系统造成破坏和引起失效,可靠性高。因此,海水液压已被公认为海洋工程装备的理想驱动方式。

然而,由于海水的低粘度、强腐蚀性、易汽化以及润滑性能差等特点,使得海水液压元件存在腐蚀与磨损、密封与泄漏、气蚀与振动等突出问题。在国家自然科学基金、863计划等科技项目的持续资助下,项目组经过近三十年的努力,将新型复合材料应用于海水液压元件中,针对大深度海洋环境,提出了新型复合材料液压元件的性能迁移理论,从材料、工艺、设计等方面突破了水液压元件腐蚀、摩擦磨损与泄漏等关键技术,开发了系列化的海水液压元件,在国家重大工程项目及其它军、民用领域得到广泛应用,取得了巨大的经济和社会效益。

二、 关键技术

1. 提出了大深度环境下液压元件的性能迁移理论

传统理论认为深海下的液压元件和系统只要进行了压力补偿即可应用于任何深度的海洋环境。实际上,大深度高压低温环境使海水介质特性如密度、弹性模量、粘度发生变化(流变),而且高压环境使元件结构产生形变,精密配合间隙失调(形变),使得摩擦运动副工作状态发生改变,从而导致元件的输入扭矩、效率、流量、压力等宏观性能发生变化(性变)。因此,即使进行了压力补偿,现有的液压元件和系统达到一定的海深将不能使用。基于此,项目组提出了大深度环境下液压元件的性能迁移理论,描述了性能迁移的路线图,揭示了性能发生迁移的机理:在流变、形变等微观因素的综合作用下,摩擦副的流场发生改变,导致宏观性能发生变化,为深海环境下海水液压元件及油液压的设计提供了依据。如图1所示。

大深度环境下液压元件性能迁移理论框架

2. 揭示了复合材料水液压元件摩擦副污染摩擦磨损机理

针对深海开放式水液压系统的污染问题,项目组研究了不同固体颗粒污染程度下以海水、淡水作为润滑介质的高分子材料、工程陶瓷、耐蚀合金等新材料以及表面涂层摩擦副的摩擦学特性,揭示了磨损机理及失效模式,厘清了结晶表面和腐蚀表面的差别,如图23所示。

a) 不同摩擦副稳态摩擦系数                    b不同摩擦副的磨损率

新型工程材料的摩擦学特性

 

a) 不同材料9个月的腐蚀

 

b) 结晶为主的表面EMSEDS分析

 

c) 腐蚀为主的表面EMSEDS分析

不同材料的腐蚀机理

获得了新的抗污染性能优良的材料配对副及其成型工艺方法,建立了不同压力等级下水液压元件材料的优选数据库。

3. 建立了复合材料水液压元件摩擦副的多场耦合设计方法

针对不同复合材料刚度和强度特性的巨大差异以及不良热传导性能,项目组建立了水液压元件摩擦副形变场、流场、温度场、应力场等多场耦合模型;研究了热变形、受压结构变形和流体润滑膜变形的相互作用,建立了大深度条件下机械效率和容积效率的平衡设计准则,如图45;研究了摩擦副微观变化与效率、温升、流量、压力等之间的非线性关联,获得了水液压元件微观性能和宏观性能之间的映射规律,建立了海深压力、温度、密度、粘度等多维坐标下的海水液压元件性能迁移特征图谱,图6所示。

不同材料柱塞配对摩擦副的热力学性能

配对副精密间隙随海深的变化特征      图6  溢流阀动态特性随深度迁移图谱

4. 发明了复合材料水液压元件的创新结构

针对水润滑摩擦副,提出了静压支撑和冷却的新方式;针对超高压海水液压泵高速重载摩擦副,提出了阶梯柱塞结构,大柱塞用于承受侧向力,小柱塞用于密封;针对水液压控制阀的气穴问题,发明了多级节流、出口压力反馈等多种结构形式;针对控制阀的振动,发明了双阻尼结构形式;针对深海特殊工况,发明了双向密封控制阀;研制出多类型、多规格的水液压元件。

阶梯柱塞

三、 推广应用情况

1.系列海水液压元器件

这类元器件应用于海洋环境中,工作介质是海水或淡水,但设备的安装空间是常压环境。已研制出系列海水液压元器件,包括水液压泵、阀等,形成30余种型号的产品,现场应用2000余台套,如海洋船舶、水下机器人以及钢铁、消防、电力、油田开采等行业,直接创造经济效益超过2亿元;用户包括中船重工、武汉钢铁集团公司、江汉油田、秦川发展公司、四川消防公司、潍柴动力公司、南京消防器材公司等。

   

a)定差组合阀                  b)三位三通阀               c)水液压溢流阀

              

d)舱底疏水泵          e)救生艇对口裙排水泵             f)全水润滑海水泵

系列海水液压元器件

2.海水液压浮力调节系统

水下潜器(包括无人和有人)是深海作业的必需装备,但是深海工作时的一些因素会引起其储备浮力发生变化。例如,取样后潜器重量的增加;环境因素(如压力、温度)引起海水密度的变化;随着下潜深度的增加,潜水器耐压结构发生弹性变形而引起排水体积变化等。为确保潜水器作业的机动性,需要对其进行浮力微调。

浮力调节超高压海水泵被作为大深度深潜器国产化的三大关键技术之一。项目组针对大深度深潜器的要求,开展了浮力调节技术的研究。如图94500米级超高压浮力调节海水泵,其转速为1000r/min,空载流量为6.3L/min48MPa时有5.7L/min48MPa时总效率为81%,容积效率91%,机械效率90%。目前,该泵已完成模拟环境试验,将于2016年应用于4500米载人深潜器,使我国大深度潜器的完全国产化迈出了重要的一步。

 

同时,项目组还研制成功了600米级的中浅深度海水泵、压力阀、平衡阀、电磁阀和系统,如图10所示,其压力为6.3MPa,流量为25L/min,泵组的噪声在65dB(A)以内。在完成了湖试、海试等现场试验后,已经小批量地生产应用。项目组是国内唯一具有海水浮力调节系统研发和配套能力的单位。

项目组正在开发12000米级的海水浮力调节系统,该系统可以应用于所有深度的水下潜器。

3 海水液压作业工具系统

已研制成功国内第一套海水液压作业工具系统。该系统通过过滤器从海洋或江湖直接吸水,输出的高压水通过流量调节阀及高压软管后被传送到往复型作业工具(如钢缆切割器),完成切割钢缆等水下作业任务;或被传送到旋转型作业工具(如清刷、打磨器),在海水液压马达的驱动下可完成清刷、打磨、钻孔等作业任务。高压水作功后直接排回海洋环境。已开发出十种海水液压工具,如图11所示,其中往复型工具四种:海水液压钢缆切割器、海水液压软缆割刀、海水液压扩张器、海水液压扭矩扳手;旋转型工具六种:海水液压冲击扳手、海水液压无齿锯、海水液压钻、海水液压清刷器、海水液压外圆打磨器、海水液压链锯。 

该系统已形成装备,应用于海洋搜救作业。目前正在进行6000米级的水下作业工具的研究。

4 高压细水雾系统

高压细水雾技术是将水加压后通过喷嘴雾化产生细水雾,其核心技术是高压水泵、控制阀及喷嘴。在水液压相关元器件取得突破的基础上,项目组对细水雾灭火机理、灭火效能等进行了大量的理论和试验研究研制出了系列雾化喷嘴(图12)和手提式细水雾灭火器(图13,推广应用于海洋船舶舱室水雾灭火、大型建筑机房、中控室细水雾消防、热电厂除尘、细水雾隐身等。

四、 社会效益

项目组是国内最早开展水液压传动技术研究工作的单位。2002年通过国军标GJB/Z9001-96《质量体系设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式》质量体系认证。

在技术成果方面,项目组获50余项专利授权,其中美国、日本和欧盟专利各1项,制定水液压元件和系统的标准3项,出版专著2部,发表论文SCI&EI收录50余篇,形成了从基础理论——核心技术——工程应用的完善的技术体系。

在人才培养方面,目前国内从事水液压技术的研究人员大部分是我校的毕业生或这些毕业生的学生。2011年,在项目组成功组织召开了全国第一届水液压技术研讨会,如图16

在成果转化方面,已转让专利使用权6项;孵化了国内第一家水液压行业的企业“无锡市华科力士水液压有限公司”。

 

16第一届全国水液压技术研讨会

 

 

(供稿:刘银水)