1. 水液压技术的特点及研究难点
直接应用水作为液压系统的传动介质,具有很多优点，但水所具有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，也给该项技术的研究带来了困难。
(1) 密封与润滑问题。水的粘度为0.55mm2/s~1mm2/s,约为矿物型液压油的1/50~1/40,故若在同等压力下,通过相同密封缝隙的泄漏流量将是油介质的20倍以上,这将大大降低系统的容积效率。由于泄漏增加,密封间隙中的高速液流将对所经过的表面材料产生强烈的冲刷作用,使泄漏进一步加剧。为了提高容积效率,就必须减小密封间隙,而密封间隙减小后,又会使磨损加大,从而会导致密封迅速失效。
(2) 耐磨损问题。由于在水中润滑困难,摩擦副的固体表面常处于直接接触状态,很快便会受到磨损。同时,水的腐蚀作用也会大大加速磨损的进程和加剧磨损的破坏程度。加之介质中的微细污染物和内部残留磨屑的侵入,甚至导致三相磨损,使得水液压元件的寿命缩短,系统发生故障。
(3) 耐腐蚀问题。水的导电性比矿物型液压油高数亿倍甚至数百亿倍,它能引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和大多数高分子材料的化学老化,使液压元件的材料受到破坏。即使应用陶瓷材料作为金属零件的表面涂层,也有可能引起涂层或粘结层中特定相的选择性析出及基体界面的缝隙腐蚀。
(4) 抗气蚀问题。水的汽化压力高(如50℃时为12.2 MPa),是液压油的近千万倍,加之水中存在约2%(体积比)的空气和许多微生物,特别容易诱发水汽化,导致气蚀,剥蚀零件表面材料,破坏过流的固体表面和密封件。气蚀还会使系统的流量发生变化,产生压力波动、振动和噪声,带来许多不良影响。
为了解决这些问题,必须进行水介质中的润滑、磨损、腐蚀和气蚀的机理研究,应用新材料如精细陶瓷、增强塑料及新的表面处理方法来提高元件的耐磨、抗蚀能力,优化结构以减小或避免泄漏、磨损、腐蚀和气蚀等的影响,并采用先进制造技术,保证加工精度和质量。
2. 液压技术的国内外研究现状
正是由于国防建设和某些特殊经济领域的迫切需求,以及对巨大的潜在市场前景的预测,英国、日本、芬兰、丹麦和德国等西方国家也于80年代初期。相继加入了这一领域的竞争,并一直投入巨大的人力、物力和财力,现已取得突破性进展。我国的水液压技术研究也已经起步。华中科技大学现已制造出1台压力为3.5 MPa、流量为100L/min的海水液压泵。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室在有关部委的资助下,已着手进行关键应用基础技术的研究和新材料的使用。
3. 液压技术的发展方向
为提高液压传动的竞争力,扩大其应用领域,液压传动应抓住主要的核心技术问题,改进技术,移植先进的技术成果,不断改进自身缺点、发挥自身优势,使液压传动创造新的活力,以满足未来发展的需要。液压技术的发展动向主要有以下几方面。
3.1 提供工作效率
液压传动作为动力传动装置,包含了从机械能转换到液压能、液压能传输和从液压能再转换到机械能并对外做功的过程;因此,在能量转换和传输过程不可避免地存在能耗问题,为此,需要采取的节能技术如下：
(1) 液压泵的变量调节装置采用压力补偿、负载传感系统,使它具有流量适应控制和负载压力自动补偿功能,这样,效率可提高30%以上;如日本某公司生产的比例压力流量控制变量柱塞泵用于塑料注射机,可节省能耗达45%。采用二次调节技术实现能量的再生控制,如挖掘机升降臂的多余能量和回转制动能量的再利用等。
(2) 通常,液压泵和马达在小排量的使用工况下,其容积效率比较低,这限制了其排量工作范围。要提高液压泵和马达的总效率并扩大其排量工作范围,重点应研制新型密封和减摩材料,改进相对运动件间油膜润滑设计方法,以有效地减少润滑泄漏损失,提高容积效率。
(3) 利用现有的先进技术,如采用交流变频调速电机驱动定量液压泵,达到系统节能的目的。这种控制方法可根据系统压力、流量要求来控制电机转速,使功率消耗最少,可节省能耗达50%,而在系统保压时,电机以极低转速运行来补偿泄漏,使得系统发热小,并延长液压泵的使用寿命。
3.2 注重环保
液压系统噪声大、泄漏污染环境多年来一直是液压技术难以解决的两大难题,这极大地影响了液压技术的竞争力。在实现新型工业化的过程中,噪声、环保问题已经引起社会和生产企业越来越大的关注,液压技术必须走低噪声、无污染的发展方向。
3.3 提高工作压力
提高工作压力将使液压元件重量减轻、体积减小,也就使功率质量比和功率体积比提高,这对于在重量、体积方面有严格要求的航空、航天、行走机械和船舶等工程领域的应用显得更为重要,这将使主机实现轻量化、小型化、节能化。
3.4 新材料、新工艺、新技术的应用
新材料、新技术、新工艺的发展与应用,特别是新工艺和工程陶瓷、工程塑料、聚合物等复合材料的应用,不仅提高了产品质量,而且降低了生产成本,增强了产品的竞争力。比如:铸造工艺的发展,在阀体和集成块中实现了铸造流道,这不仅减少了液体流动的压力损失、降低噪声,还可实现元件小型化。工程陶瓷具有优异的耐磨性、抗腐蚀性、低摩擦系数等优点,在液压元件中用工程陶瓷代替部分金属材料将会大大改善液压元件的性能。国外大公司所生产的柱塞泵,采用成熟的复合耐磨材料以提高产品质量,采用高速冲压工艺生产零部件以提高生产效率,从而增强产品的核心竞争力。
4. 结语
水液压技术的研究和应用将给我国的经济建设带来巨大的经济效益和社会效益,在当今科学技术飞速发展的情况下,液压技术必须充分发挥自身优点和借鉴其他领域的先进技术成果,不断创新,以提高液压元件和系统性能,降低成本,并符合节能、环保和可持续发展的要求,才能保持强大竞争力并不断扩大应用领域。
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