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陶瓷涂层技术在液压启闭机中的应用研究

2016-07-14 11:44:54
作者:许旭东,袁尧,彭志芳
来源:《水利建设与管理》

20 世纪90 年代,陶瓷涂层应用到活塞杆上,它比镀铬层具有更好的耐腐蚀性和抗磨性,适合在工作环境恶劣、腐蚀性强的条件下使用。西方国家已将陶瓷涂层活塞杆液压缸广泛应用于核能、航天航空、石化等领域。

    1 前言


    20 世纪90 年代,陶瓷涂层应用到活塞杆上,它比镀铬层具有更好的耐腐蚀性和抗磨性,适合在工作环境恶劣、腐蚀性强的条件下使用。西方国家已将陶瓷涂层活塞杆液压缸广泛应用于核能、航天航空、石化等领域。


    随着我国水利工程自动化程度的提高和液压技术的发展,液压启闭机已经成为水利工程中常用的一种启闭设备,主要用于平面、弧形、人字及三角等闸门的启闭运行。液压启闭机主要组成部分是液压缸体、活塞杆、头部、底座、密封圈及检测装置等,其中密封圈为易耗件,定期进行更换,影响启闭机寿命的主要部件为活塞杆。活塞杆不仅要承受频繁的摩擦,还要承受各种潮湿环境和污染环境的腐蚀,其防腐、耐磨及日常维护等性能要求都相对较高。目前,液压启闭机活塞杆常用的防腐方式为表面镀铬和喷涂陶瓷。


   
2 传统与新型活塞杆主要参数指标

 

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    图1 传统镀铬活塞杆

图片2

图2 陶瓷喷涂活塞杆


    活塞杆镀铬层表面光滑,呈银色金属光泽; 陶瓷涂层表面光滑,多为深色,呈半透明状( 见图1 和图2) 。


    相比传统镀铬涂层,陶瓷涂层在表面孔隙率、表面硬度、表面粗糙度、涂层厚度及盐雾试验等方面的性能指标更加优异,陶瓷活塞杆启闭机采用内置式的数字化行程控制,对启闭机的行程控制更加精确、可靠( 主要指标如表1 所列[3]) 。

    表1 传统与新型活塞杆主要指标统计

 

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3 传统与新型活塞杆优缺点对比分析


    3. 1 传统工艺———表面镀铬缺点


    传统液压启闭机活塞杆多采用表面镀双层铬或者镀镍铬等防腐方式[1]。多年的工程实践表明,活塞杆表面镀铬受镀铬工艺、镀层质量和环境条件影响,涂层容易遭到腐蚀而剥落,导致活塞杆产生锈蚀,引起密封圈元件损坏和漏油,影响启闭机运行和使用寿命。与传统液压缸配套的行程测量装置多为钢丝绳等外置式机械结构,其行程测量装置稳定性差,测量精度低,故障率高,受外界环境工况影响大。


    3. 2 新型工艺———陶瓷喷涂技术优点


    陶瓷喷涂技术是利用高温等离子弧喷涂技术将陶瓷粉末喷涂至经过预处理的基体材料表面,从而形成一层致密的陶瓷保护层。而陶瓷活塞杆是在原普通液压缸的基础上研制而成,通过陶瓷喷涂技术将陶瓷保护层覆盖于经过特殊处理的活塞杆表面,其主要优点在于活塞杆的防腐工艺和液压缸行程检测装置的创新。


    3. 2. 1 耐腐蚀性能强


    陶瓷活塞杆的表面热喷涂致密的陶瓷涂层,具有极高的化学稳定性,耐水、耐大气腐蚀性能比较好,并通过5% 盐水溶液的盐雾试验。陶瓷活塞杆在恶劣工况下实际使用时,具有较长的耐腐蚀时间,相比普通镀铬活塞杆同条件下使用寿命可提高5 ~ 6 倍。


    3. 2. 2 耐磨性高


    陶瓷活塞杆的陶瓷涂层和母材的结合强度超过30MPa,有效避免了喷涂层的脱落; 陶瓷涂层的表面硬度超过了850HV,具有较高的耐磨性; 精加工后的陶瓷活塞杆表面光滑,表面粗糙度可控制在Ra0. 3 以内,有效降低了密封件和活塞杆的摩擦系数,减少了密封件和活塞杆磨损量,进一步延长了使用寿命。


    3. 2. 3 数字化控制启闭行程精度高


    陶瓷活塞杆基体由一系列等距离并具有一定深度的环形沟槽构成,利用导磁性基体和非导磁性陶瓷涂层通过脉冲传感器读取这些沟槽形成信息,直接转换成活塞杆的行程。这种集成于陶瓷活塞杆的内置式行程检测装置,可直接检测出活塞杆的位移,不需换算,也不存在累积误差,其检测精度可达到1mm。同时,行程检测装置具备对行程闸门全开、全关极限位置的控制和保护,并拥有多个开度位置预置的功能。


    3. 2. 4 维护方便


    行程控制装置传感器只需直接安装于液压缸的下端盖上,结构紧凑、体积小,且可以满足泡水使用的要求[2],维护与检修相对传统行程装置简单、方便。


    3. 2. 5 制造工艺环保


    普通电镀工艺含铬废水和废气严重致癌,属国家一类控制排放物,对环境和生产工人的危害极大。陶瓷喷涂技术无电镀工艺所造成的环境污染问题,属环保涂层技术。


   
4 工程实例


    4. 1 工程概况


    泰州引江河二期高港枢纽二线船闸位于一线船闸西侧,为Ⅲ级通航建筑物,设计最大船舶等级为1000t级,船闸尺寸为23m × 230m × 4m,船闸正常通航水位上游侧1. 00m,下游侧2. 50m。船闸采用三角门,输水系统采用短廊道对冲消能式集中输水系统,输水阀门为平板直升钢闸门。三角门和阀门启闭均采用液压启闭机,上、下闸首左、右岸三角闸门分别布置一台卧式液压启闭机,启闭容量350kN,最大行程4. 70m; 输水门启闭设备选用液压启闭机,启闭容量300kN,最大行程3. 80m。船闸三角门启闭机布置在闸首边墩空箱内,阀门启闭机布置在阀门井上方。上下游每个闸首设两个液压站,每侧三角门和输水门共用1 套液压系统。


    4. 2 活塞杆性能指标检测


    泰州引江河二期高港枢纽二线船闸启闭机采用了陶瓷活塞杆液压启闭机。在启闭机制造及组装过程中,采用金属硬度计、涂层测厚仪、粗糙度仪及钢卷尺等仪器对活塞杆部分质量指标进行了检测( 结果如表2 所列) 。检测结果表明,陶瓷活塞杆的表面硬度、表面粗糙度、陶瓷涂层厚度、活塞杆行程检测精度均达到设计要求。

 

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    4. 3 调试及运行情况


    2014 年6 月,泰州引江河二期高港枢纽二线船闸工程通过水下验收, 2015 年6 月,通过投入使用验收,目前已正式通航。闸门启闭机现场安装完毕后,在保证闸门及液压缸运行不受阻卡的情况下进行联合调试。启动液压站油泵,调整溢流阀,使油泵在工作压力的50%、75%和100% 的情况下分别连续运转15min,系统未发现异常振动、杂音、温升过高现象,启闭机阀件及管路未发现漏油现象。启闭机运行时,无阻卡、异常振动等现象,行程检测装置显示准确,两侧油缸同步性较好。船闸廊道阀门24h 内因油缸内部泄漏而产生的沉降量小于100mm,沉降试验合格。船闸运行期间,定期对启闭机活塞杆检查,均未发现腐蚀、磨损等现象。


    闸门启闭机调试及运行情况表明: 陶瓷活塞杆启闭机各项指标均达到设计及相关规范要求。


   
5 结语


    陶瓷活塞杆液压启闭机在泰州引江河二期高港枢纽二线船闸的使用表明: 陶瓷涂层技术具有耐腐蚀、耐磨损、启闭行程精度高、维修方便、制造工艺环保等特点,将有效提高设备的使用年限和工作效率,保障工程安全可靠运行。

    参考文献略

 

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责任编辑:王元

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标签: 陶瓷涂层, 活塞杆, 腐蚀, 耐蚀, 抗磨性, 航天, 航空, 石化, 启闭机

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