基于混合润滑的深海溢流阀动特性研究

　　目前,世界许多国家积极向海洋挺进,海洋油气田勘探与开采、海洋矿物的开采、海底救援等在内的涉海行为逐渐从浅海走向深海。深海探测设备已成为人类进行深海活动必不可少的工具。这些设备中的大部分都可采用电液比例进行控制和驱动。因易于实现复杂控制,远距离电信号及反馈高精度控制,电液比例系统在深海探测中得到了广泛的应用。笔者以“国家863项目”———“深海节能型集成动力源开发”为背景,对动力源关键部件之一的电液比例溢流阀进行相关理论分析和技术研究。陆用电液比例溢流阀的设计和研究已趋于成熟[2],但当面临高压、低温和海水腐蚀等深海极端条件时,其润滑特点及控制特性尚需做大量深入的研究工作。在大气环境下,郁凯元等[3]对电液比例溢流阀动特性进行了计算机仿真和参数优化研究,但未考虑库伦摩擦和粘压特性等因素的影响。文献[4]开展了混合润滑的基理研究,阐明了混合润滑是两接触表面间的主要润滑形式。将混合润滑机理运用于深海溢流阀两接触元件表面,兼顾陆上工况溢流阀其余组件的润滑特点,二者的有机结合更符合溢流阀深海下实际工况特点。笔者基于混合润滑的基理,采用经典控制理论建立较精确的数学模型,实现深海溢流阀动态仿真和求解。通过与拟深海高压舱试验结果比较,表明所建数学模型比较准确合理,是研究深海溢流阀工作性能的一种快速、有效的方法。

　　1　结构和原理

　　深海节能型集成动力源的压力控制元件是电液比例溢流阀,其结构和原理如图1所示。主要由线圈、轴套、衔铁推杆、传力弹簧、锥阀芯、阀座和阀体组成,阀芯和衔铁间通过弹簧连接,阀口前有一固定液阻,衔铁上开有一增大液压阻尼的小孔。

　　由图1可知,当给比例控制线圈输入一定电流i时,输出与它成比例的电磁力Fem。电磁力推动衔铁,通过传力弹簧Ks作用在锥阀芯上,平衡进口处的液压力py,可得到与输入电流成一定比例关系的输出压力po。

　　2　数学模型

　　液压系统工作介质的粘度随水深环境的外部压力变化,因此粘性阻尼是影响深海溢流阀的性能指标的重要因素之一。为此,针对溢流阀组件不同接触表面间的润滑特点,建立不同粘性阻尼模型。

　　2·1　混合润滑模型[5]

　　当衔铁外表面与轴套内表面在承受载荷后,将有一部分粗糙峰因接触压力较大导致液体润滑边界破裂,产生两表面直接接触,从而承担一部分载荷,如图2中的微凸体A所示,还有一部分通过液体膜S和空腔B隔开,其中油膜润滑部分在运动中产生流体动压润滑效应而承受另一部分载荷,空腔承受载荷很小,可忽略不计。