纯水液压传动概述
文章来源：刘希福 人气： 发表时间：2019-04-19 12:09
1 引 言
现代液压传动技术在工业生产和其他领域应用十分广泛，而纯水液压传动技术是现代液压研究领域的前沿方向之一。由于纯水具有来源广泛、无污染、阻燃性好等优点，在我国积极开展纯水液压传动的研究与开发，对节约能源，保护环境，可持续发展及开发绿色液压产品，都具有十分重要的意义。因此如何利用纯水作为液压传动工作介质的课题引起了人们的普遍关注，纯水液压传动课题的研究已经成为当今液压界的一大热点。在纯水液压传动发展的20多年中，人们逐步发现了纯水液压传动的很多优点。这也使纯水液压传动受到了极大的重视，成为液压传动的新的热点技术。然而，由于纯水液压传动是一项新兴的技术，所以还存在很多不足和缺点。
2 什么是纯水液压传动
纯水液压传动是指以纯水(不含任何添加剂的天然水，含海水和淡水)为工作介质的液压传动。
a) 纯水的含义
纯水液压传动中的纯水是指纯粹的天然水(natural water),即不含任何添加剂的水。不同文献中用不同的词语来表达,如纯水(pure water)、自来水(tap water)、生水(raw water)、普通水(plane water)。纯水的分类如表1所示。
b) 纯水液压传动的研究内容
由于水固有的物理特性,纯水液压传动技术的研究主要集中在介质、材料、元件、控制等方面,如图1所示。
c) 纯水液压传动的应用
一般认为纯水液压传动的应用可分为三个阶段。第一阶段主要包括几个小的特殊领域,如高压清洗、消防、装卸等;第二阶段主要是食品加工业,如面包机、搅拌发酵机、肉联厂的切割系统;在第三阶段应用领域将扩展到工程机械占主要份额,通用机械也将有所应用。纯水的应用阶段如图2所示。
3 纯水液压传动的优缺点
a） 纯水液压传动的优势
纯水与矿物基液压油的物理化学性能存在着较大的区别，其优势主要表现在下述方面:
(1)安全性
液压油易燃烧,导致人身设备事故。纯水抗燃,安全性好,消除了火灾隐患,使液压系
统的应用领域更加广泛,特别适合高温明火等场合。
(2)环保性
液压行业针对液压油泄漏采取了不少有效措施,但根除泄漏是不可能的,泄漏使得工业污染产生的全球性环境恶化进一步加剧。而纯水在工作时的泄漏则不会产生污染,是一种无味、无毒的“绿色”液压介质,其泄漏和排放对周围环境无不良影响,特别适合食品工业、制药业、家具制造等行业。
(3)经济性
20世纪70年代初的石油危机表明了石油资源有限,已逐渐短缺且不可再生。每年消耗的液压介质据估计只有15%可回收利用。相反地,水随地可取且自身价格低廉,当同时考虑短缺成本(无)、储运成本(很少)、处理成本(可忽略)、清洁维护成本(较低)时,其经济性远远高于其他介质。
(4)其他比较
与液压油相比,纯水的粘度较小,粘度对温度变化不敏感,纯水液压系统的压力损失小,发热少,传动效率高,流量稳定性好;纯水密度高、压缩性较小,系统的刚性较大,可以提高动态性能;压缩系数小,压缩损失比矿物油小25%左右,可补偿一部分由于泄漏增加而造成的容积损失,可使控制系统的执行器实现更准确的定位。在水下作业时,可以省去回油管道、水箱等,使系统简化。
b） 纯水液压传动的劣势
(1)粘度低
纯水粘度低加大了密封间隙中的流体流速，对较软的金属容易产生拉丝腐蚀，从而使泄漏加剧，对于水压泵来说，容积效率会降低。
(2)腐蚀性
纯水具有较强的腐蚀性容易使材料表面脆化，受损的表面组织脱落，加速表面磨损，而且水的PH值、硬度及水中寄存的微生物也会对系统和元件产生不良影响。
(3)润滑性差
纯水产生的润滑薄膜只有矿物基液压油产生的1／3—1／20，液压元件无法实现润滑，高压时很容易造成相对运动表面的直接接触，使磨损加剧，液压元件的寿命缩短。
(4)气蚀性
纯水饱和汽化压力比矿物基液压油高出很多倍。汽化压力随着温度的升高上升很快。而且，随着压力的升高，水中的杂质会使材料表面产生物理和化学反应，极易产生气蚀现象。
(5)噪声
纯水液压传动噪声大容易产生水击，从而引起系统的振动和噪声等。
结合纯水液压传动的优缺点，从总体考虑，纯水液压传动优点大于缺点。而且，随着现代技术的飞速发展，其不足逐渐得到很好的解决和补偿。
4 纯水液压传动的发展现状
a） 国外研究现状
(1)美国于20世纪末60年代开始研究海洋水下液压作业工具。1980年，海军司令部等部门联合研制出叶片马达；1984年，研制出海水液压传动水下作业工具系统。1991年，美国研制成功了水压冲击钻和圆盘锯，组成水下作业工具系统，交付给海军水下工程队使用。
(2)南非也是从事水压传动研究较早的国家之一。20世纪70年代后期开始研制水压凿岩机；1990年，研制成乳化液凿岩机，稍后又研制出平持式纯水凿岩机，且成本较低。
(3)1983年，日本的川崎研究所研制成功了用于6km深潜调查船浮力调节的超高压海水柱塞泵，最高压力可达63MPa，流量为6～9L／min；1987年，研制成功了用于65km深潜调查船超高压海水柱塞泵，其最高压力为68．5MPa， 流量为5L／min，寿命达到200h。
(4)1978年，英国开始开发水下液压作业工具。1978年，Fenner公司研制成功了400m深海水下作业机器人。使用海水柱塞泵压力为14MPa。柱塞马达压力为10MPa；20世纪90年代Kiul1大学率先把水压传动技术用于海底油井液压控制系统。
(5)1995年，德国的Hauhinco机械厂研制成功了淡水径向柱塞泵陶瓷阀芯的水压滑阀产品。
(6)芬兰的Tampere大学等联合开发研制成功了用于内燃机喷射控制器、造纸、水切割等动力源的海水轴向柱塞泵和马达。1996年。Tampere大学又成功研制出了比例流量控制纯水液压系统。
(7)1989年，丹麦Danfoss公司等开始研究纯水液压元件；I994年，联合研制出Nesie系列淡水轴向柱塞泵、马达等。
b） 国内研究现状
国内纯水液压技术研究的起步相比西方国家来说较晚。1990年，华中理工大学在国内率先进行了纯水液压传动技术的研究；l996年，研制并成功地应用于国内第l台舰艇用海水轴向柱塞泵和海水液压泵性能试验台。目前。浙江大学已研制成功了最高压力为14MPa，流量为1OOL／min的纯水柱塞泵及一系列的纯水液压控制阀，并在摩擦副材料的研究上取得了重大进步。同时， 昆明理工大学对纯水液压齿轮泵也进行了研究，试验工作压力达到1OMPa。
5 纯水液压传动的主要研究方向
纯水的特点与矿物油不同,现有的液压元件和系统不能直接用于水压传动。应针对水压传动的特点重新研制和设计新的液压元件,认真分析水压传动所面临的关键技术问题,抓住主要课题重点研究,目前水压研究的主要课题大致如下:
(1) 水压元件及系统的计算机仿真创新。
液压仿真技术为预测液压系统的性能提供了有力的工具,不仅缩短了液压系统和元件的设计周期,避免了因重复实验及加工所带来的费用,而且有利于及早发现所研究的系统在动静态特性方面的薄弱环节并加以消除。还可以通过仿真对所设计的系统进行深入了解,从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。目前有许多成熟的仿真软件包广泛应用于液压领域的设计过程中,其中德国亚琛工业大学的DSH软件和英国Bath大学的Bath/fp是最早推出的软件,在行业中影响也最大。随着科学的发展,又有数十款液压仿真软件和通用的系统仿真软件应运而生。但是现有的大多数软件,包括一些通用仿真软件,存在以下问题:①面向原理图建模的图形界面,仅是一个工具;②只能对简单的液压系统进行仿真,即只能对简化的系统进行仿真;③仿真系统不利于创新思维的运用;④仿真与优化脱节,事实上仿真无法直接指导系统的设计优化;⑤仿真软件得不到强大的液压元件参数库的支持;⑥软件参数的确定带有很大的盲目性;⑦实验与仿真的对比分析功能不强;⑧仿真结果的再利用没有得到深入发掘。随着产品设计中强调源头创新,对仿真技术的研究与软件系统的开发提出了新要求。从国外的相关软件来看,液压仿真技术发展一直受到重视,并在不断的进行开拓和完善。仿真技术在液压元件与系统的创新设计中,发挥了重大的作用。与其它技术一样,液压仿真技术也将与时俱进,发展趋势可以归纳为几个方面:基于网络的仿真技术、协同仿真技术,基于仿真的工况监测与故障诊断技术、实时仿真技术和面向复杂系统的分布式建模与仿真技术等。液压元件及系统仿真软件的研究与开发将推动纯水液压技术的发展,所以液压仿真软件的研究对纯水液压的发展具有重大意义。
(2) 水压元件中摩擦学问题研究。
由于纯水中润滑困难,摩擦副的固体表面处于直接接触状态,很快便会磨损。材料的磨损形式主要有4种:粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和磨蚀磨损。在边界润滑和混合润滑状态下,粘着磨损和磨粒磨损占主要地位,表面疲劳磨损在滚动接触中明显可见。纯水的腐蚀作用可在较低的接触应力下去除腐蚀表面,而新鲜表面更容易受到腐蚀,这两个过程的相互作用形成了腐蚀磨损。对于大多数材料而言,上述4种形式的磨损在水中都比在油中大。由于低粘度,水压元件中的间隙流速很高,高速水流会对过流表面产生严重的冲刷作用,引起过流表面材料破坏,即冲蚀磨损,当介质中含有固体污染颗粒时,冲蚀磨损将更严重。因此,深入研究水压中的摩擦学问题,掌握其摩擦机理,合理利用水的有限润滑作用,切实有效的解决水压元件面临的严重粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损及冲蚀磨损等摩擦学问题,是能否研制出高性能水压元件和系统的关键。
(3) 各类水压元件及系统的开发与应用研究。
水介质与矿物油介质物理化学性能的巨大差别决定着不能将现有的液压元件用于纯水液压传动。通过对纯水液压元件的研究,系统对纯水液压传动的认识与分析以及对元件尺寸、静动态性能的研究所总结的规律及原理,对纯水液压传动的发展起着重要的作用,所以对纯水液压元件和系统的研究也是纯水液压传动研究的一个重要课题。
(4) 水压元件及系统气蚀、水击发生的机理、危害及控制政策研究。
气蚀和水击是液压阀中经常出现的问题,随着液压系统向高速、高压及微型化发展,特别是纯水液压的发展,气蚀和水击问题更为突出。水的汽化压力是油的千万倍,且水中溶解气体的提前析出又会诱发水在高于其汽化压力时产生气穴现象,从而导致气蚀破坏。相对于油压元件而言,纯水液压元件的气蚀机制发生了本质的改变,元件内部流场的气穴特性与对材料的侵蚀程度产生了显著差异。因此深入研究水压元件及系统中气蚀、水击发生的机理,充分认识其危害性,并采取合理有效的控制策略,避免气蚀、水击现象发生,是迅速推动纯水液压传动系统发展的重要基础。
(5) 新型工程材料在水压元件中的应用研究。
海水或纯水作为液压介质都具有强烈的腐蚀性,所以如何选用耐腐蚀材料是研究纯水液压元件的关键问题之一。目前采用的新型材料如工程陶瓷,工程塑料及复合材料都具有优异的耐腐蚀性能和耐摩擦性能,是理想的耐腐蚀材料。但是陶瓷的化学键主要是离子键和共价键,这种化学键方向性强结合能高,因此陶瓷在高温下很难发生塑性变形,其积聚的能量不能被及时吸收,在外载荷的重复作用下,疏松区陶瓷颗粒的边界等处的缺陷便成为裂纹源,裂纹逐渐扩展,导致材料脱落,产生疲劳断裂剥落坑。工程塑料热变形温度较低,不易获得较高的表面质量,而且吸水,尺寸稳定性差。因此结合纯水液压传动的实际情况研制新型的耐腐蚀材料是纯水液压传动研究的重要课题。
(6) 水压传动实验装置的设计与研究。
由于矿物油和水的物理化学性质不同,因此对液压元件的要求和性能影响也不同。而获得液压元件性能参数的最佳、最可靠的途径是实验测试。油压传动实验装置和实验技术已经比较成熟,由于油压传动与水压传动具有明显的差异,所以不能只对油压实验装置简单地修改就进行水压传动实验,必须结合水的物理化学性质进行纯水液压元件实验系统的设计,此实验系统的设计对纯水液压元件的设计起着举足轻重的作用,但我国水压传动实验技术还处于起步探索阶段,所以研究纯水液压传动实验系统也是纯水液压传动技术研究的重要课题。
(7) 水压传动系统综合特性的评估策略与方法研究。
如何从生命周期的角度来评定水压传动系统的技术性能、费用、对环境的影响程度、劳动保护、能源消耗、资源消耗、应用领域等综合特性,并与传统的液压系统比较,对于客观认识水压传动的突出优越性,为企业决策者及工程师提供切实可行的技术解决方案,推动水压传动技术迅速发展有非常重要的作用。纯水液压传动是一个多学科交叉的技术,必须重视基础研究,综合运用材料学、流体力学、理论力学、摩擦学、控制理论、计算机技术、精密加工及精密测量技术等相关学科的最新研究成果。从合理选材、结构设计、设计理论和方法、加工手段和制造工艺等入手,有效克服水压传动所面临的腐蚀、泄漏、摩擦磨损、气蚀、水击和污染问题,才能研发出高性能的水压元件和系统。
6 关于纯水液压传动的一些思路
阻碍纯水液压传动发展的主要问题来自于它自身的几个主要缺点，纯水的腐蚀性、粘度小和润滑性差。这几个缺点采用现有的技术很难解决，但是材料科学的发展特别是纳米材料的异军突起给这两个问题的解决带来了曙光。
为了解决纯水腐蚀性强、润滑性差的问题，一般总是优先考虑采用不锈钢、有色金属合金和工程塑料、铝合金、铜合金等抗腐蚀性强的材料,也可以通过在元件表面覆盖新型复合材料来解决,新型复合材料主要是具有耐磨、耐蚀、抗疲劳特性的陶瓷、高强度塑料、不锈钢等。为减小损失,还需要降低水流速度,提高过滤精度,注意防止缝隙腐蚀和点蚀,还可在纯水中滴加适量酸离子或碱离子。采用表面覆盖新型复合材料，如抗疲劳特性的陶瓷，虽然能产生比较理想的效果，但是又有寿命短，易发生脆性脱落等。而纳米陶瓷的研究方向就是提高这些耐磨材料的疲劳极限和韧性，因此，纯水液压传动和纳米材料特别是纳米陶瓷的结合，是解决这两个问题的必由之路。
我们也可以借鉴自润滑轴承的原理，用一些“水自润滑材料”来制作纯水液压传动的零件。在纯水液压传动系统运行过程中，这些“水自润滑材料” 制作的零件可以“分泌”一些添加物，比如乳化添加剂，在零件表面形成一层类似于鱼类身体上的粘膜，来降低摩擦，保护零件免受或少受侵蚀。这些粘膜的粘性会很大，有利于纯水液压传动系统的密封，可以弥补由于水的粘度低造成的密封困难问题。
7 结语
作为绿色环保的重要研究方向,国外的科研机构和企业已对纯水液压传动技术及系统进行了大力研究，国内的研究工作起步要比国外迟一些。目前纯水液压系统造价较高,综合成本约为石油基液压系统的2倍。材料科学的迅速发展和机械加工工艺水平的提高,为研究高性能的水压元件和系统提供了必要的条件,为克服纯水液压传动中的缺点带来了希望。纯水液压传动技术具有十分诱人的应用和发展前景，我国相对于西方国家研究和应用纯水液压传动的领域还比较少，技术水平与西方国家还有很大的差距，因此应该积极参与纯水液压传动技术的研究和应用工作，以缩小我国在此领域与西方国家的差距。
参 考 文 献
[1] 张利平.现代液压传动技术的新方向——纯水液压传动[J].制造技术与机床, 2000.
[2] 王东.纯水液压系统的发展及在钢铁工业中的应用[J].钢铁研究, 2002 (2).
[3] 王益群,曹栋璞,郎静.纯水液压传动及其展望[J].机床与液压, 2003 (1).
[4] 杨华勇,周华.纯水液压传动技术的若干关键问题[J].机械工程学报, 2002.
[5] 唐向阳,郑华文,吴张永,袁子荣.纯水液压系统的现状与未来[J].液压与气动, 2000 (4).
[6] 陈远玲,杨华勇,周华,范明豪.纯水液压传动技术极其在煤矿采掘机械中的应用[J].矿山机械,2001.
[7] 弓永军.纯水液压控制阀关键技术研究[D].杭州:浙江大学, 2005.
[8] 焦素娟.纯水液压柱塞泵及溢流阀关键技术的研究[D].杭州:浙江大学, 2004.
[9] 周华,杨华勇·环境友好的纯水液压传动技术[J].重庆工业高等专科学报(′99全国液体动力与机电一体化技术学术会议论文专辑), 1999.
[10] 肖 龙,陆立毅.液压传动技术[M].北京:冶金工业出版社,2001.
[11] 吴 跃,谢英俊,徐 立.液压仿真技术的现在和未来[J].液压与气动, 2002(11).
[12] 谢 伟,周 华,龚勇军.纯水液压阀气蚀实验系统研究[J].液压与气动, 2004(5).
[13] 贺小峰,张铁华,余祖耀,等.纯水液压传动技术的研究与应用[J].重庆工业高等专科学校学报, 1999(3).
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