纯水液压技术的应用与展望
文章来源：刘希福 人气： 发表时间：2019-04-18 23:10
1. 技术发展的历史与作用
自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。本世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。
液压传动技术在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。它的发展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程项目、重大技术装备的基本保证，更是机电产品和重大工程项目和装备可靠性的保证。所以说液压传动技术的发展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。随着社会的发展，人们对人类赖以生存的环境有了一个更高的要求，希望有一个安全无污染、高度文明、美好的环境。因此也要求科学技术向安全、生态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。水介质本身独有的一系列特点正好满足了现代社会提出的这一要求，因此，纯水液压技术就应运而生了，它标志着液压传动技术正向更高的阶段发展。纯水液压技术，尤其是深海纯水液压技术已经成为现代液压界关注的热点。
2技术特点与技术难题的解决
所谓"纯水"是指纯粹的天然水，即不含任何添加剂的水。关于纯水的分类见表1。
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分 类 |
来 源 |
污染物含量 |
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未处理的天然水 |
自来水 |
自来水处理厂 |
污染物多 |
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天然淡水 |
江河湖泊等 |
污染物，多酸及溶解的颗粒 |
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海水 |
海洋和内陆咸水湖 |
污染物多，含盐度高 |
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处理过的天然水 |
去矿物质水 |
去Ca、Mg 的软水 |
一些溶解的颗粒及钠盐 |
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去离子水 |
去除所有正负离子的水 |
微生物 |
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蒸馏水 |
去除所有生物体和非生物
颗粒的水 |
纯净水 |
纯水作为液压传动的工作介质，具备如下特点：无污染，有利于全民绿色意识的提高；成本低、阻燃性、安全性(这对大量使用液压油的冶金行业来说其前景十分看好)、系统沿程损失和局部损失都非常小；响应快(采用纯水作为工作介质可以使液压伺服系统的执行机构实行更准确的定位)、温升小；系统维护保养方便、维护监测成本低等项优点。同时也存在腐蚀性强、腐蚀严重、防漏性差等缺陷。但这些缺陷正随着科学技术的不断进步，被逐步克服。
(1)润滑磨损问题的解决，有两种方式。一种是，元件的轴承部分用油来润滑，通过密封件与高压纯水分开，纯水仅作为能量和控制信号进行传递；另一种是，水参与润滑。选用合适的制作材料对纯水液压系统是最基础的工作。目前考虑的材料有工程塑料、结构陶瓷、高分子材料等。结构陶瓷由于其优越的耐磨性、抗气蚀性能好、良好的化学稳定性、较低的摩擦系数等特性倍受青睐，在液压元件中用结构陶瓷代替部分金属材料将会大大改善液压元件的性能。
(2)泄漏问题的解决。液压元件中大部分的运动副采用间隙配合方式，其缝隙量对泄漏量影响极大。密封间隙的减小，又会使润滑膜厚度减小，元件的磨损加大，继而导致密封迅速失效。因此，仅以采取减小间隙的配合方式是不行的。目前有研究结果表明，在水压传动元件中用组合密封形式是较为理想的防泄漏手段。
(3)气蚀问题的解决。由于水的汽化压力高，加之水中含有2%左右的空气，特别容易诱发汽化，导致气蚀现象。据统计，在维修的泵中，10%是因为气蚀而损坏。对于液压泵，容易发生气蚀的部位是配流盘吸、压窗口的交界处，以及泵的吸入口。研究结果表明，气蚀现象可通过在泵的人口加压解决。
随着新材料的研发成功、精密加工技术的不断进步，以及各种新结构的液压元件研制成功，使水压传动技术在最近10年内取得了长足的进步，并重新开始进入了有严格要求无污染的领域，具有十分诱人的应用和发展前景。同时，鉴于国防建设与某些特殊经济领域的迫切需要，以及未来市场的诱惑，西方国家一直在集中力量研究该项技术，并已取得了突破性进展，部分已进入实用阶段：目前，国外已经生产出专为纯水液压系统设计的液压元件，如德国Hauhinco公司生产的Ehk-3k系列柱塞泵，英国于1988年研制成功14MPa的海水柱塞泵及10MPa的海水柱塞马达。国外的纯水液压技术已进入包括海洋开发、水下作业、原子能动力工厂、钢铁工业、食品、医药等诸多领域中，创造了很大的经济效益。
国内自20世纪初也开展了纯水液压技术的研究，华中理工大学进行了海水液压技术的研究，现已成功地研究出轴向柱塞式海水液压泵，该泵能用含有微细沙粒的海水工作，额定工作压力为3MPa，最高工作压力为6.3MPa，额定流量为100L/min，容积效率达到了85%。同时，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也投人大量的人力、物力从事纯水液压技术的开发和研究工作。安徽理工大学也从2002年起投人人力、物力，进行纯水液压元件的设计与开发，已设计出用于纯水液压系统的齿轮转子泵(马达)系列。
3纯水液压技术的应用
现在一般认为，纯水液压技术的应用可分为四个阶段。第一阶段主要是一些特殊领域，如高压清洗、喷雾、消防等；第二阶段主要是食品加工行业，例如面包机、肉类切割等；第三阶段则扩展到工程机械及通用机械。在此阶段，纯水传动将会逐渐扩大市场份额，其函数关系如图1所示，第四阶段将主要应用于深海采矿。
图1 纯水液压技术的应用比例与趋势
3.1 应用于消防
我国现代建筑正逐渐向高层化发展，但高层建筑的消防灭火问题却存在着严重的隐患。高层建筑起火而无法迅速有效扑灭的一个重要原因是高层消防用水压力不足，特别是在灭火的后期，即使在装有自动喷水灭火系统的地方，由于水压较低，水喷淋系统所喷出的水覆盖的空间小。这样灭火的效果需要以缩小住户的有效住宅空间来作为代价。而纯水液压传动的基本特征就是能够输出高压水流。如果采用高压高效纯水液压灭火系统的话，则和现有的喷水灭火系统不一样，在楼层中间再额外地设置几个中转加压泵站，这样不仅可以显著提高高层建筑喷水灭火系统的灭火效果，大大减少灭火系统成本，而且还有效地扩大了高层楼房的实际使用面积。同时，高效水雾化具有动力消耗小、系统简单、占用空间小、布置方便等优点。但其形成条件是消防水必须具有足够高的压力，一般来说，不得低于10MPa，纯水液压系统的输出压力通常在10-32MPa，高压细水雾灭火系统在喷水方式、成雾原理、灭火机理、灭火效能、应用范围及系统经济性能上均产生了质的飞跃，工程应用前景十分乐观，同时，水的高压雾化也是射流技术在灭火领域新的应用。这一套系统同样可用在其它用高压水射流的场合，例如：钢板的切割及钢板的除锈等，这会比以往的高压水射流的获得方法节省许多能量。
3.2 应用于食品、医药、粮食、生物工程等要求无污染的行业
在美国纯水液压缸系统已进入食品、医药、粮食、生物工程等要求无污染的行业，如肉联企业的肉品压制设备、骨肉分离设备、罐头的制作设备、食品的生产及包装设备、药品的生产及包装等设备中已开始采用纯水液压系统，大大改善了生产环境，为生产无公害产品打下了基础。
3.3 应用于矿山开采
长久以来，煤矿的现场生产条件十分恶劣。同时，生产对地表以下环境的污染也十分严重。产生这种污染很大的一个原因就是液压油和高水基乳化液的使用，面对愈来愈重视环境保护的将来，逐步解决这些问题，改善煤矿的生产环境，纯水液压技术的使用是有效的方法之一。纯水与液压油和高水基乳化液相比，不仅有良好的抗燃性、散热性，而且价格也便宜。所以使用纯水液压，对降低煤矿的生产成本是有益的。在煤矿生产中广泛使用的液压支柱，大量消耗着乳化液。调查发现，很多煤矿的工人在液压支架和液压支柱的使用中，很少按规定要求混加乳化液，以使乳化液浓度只有5%左右，有些煤矿的乳化液浓度连1%都不到，甚至是纯水，但液压支架仍可以在液压支架中得到应用，这在煤炭行业中，将大大地改善矿井的工作和安全条件，例如，用纯水液压提供高压水，然后用高压水射流采煤，这将是纯水液压技术在煤炭行业应用的雏形。这对于有丰富煤炭资源，距离水源很近的湖南来说是很可取的，而且这不但可以提高采煤机的除尘效果，而且使电牵引采煤机完全实现无油化，真正成为绿色环保产品。
3.4 应用于海洋开发
评价一个国家的综合国力强弱的标准是对外层空间和海洋的利用能力。开发和利用公海海底矿产资源日益引起国际社会的广泛关注。大洋采矿技术是较航天技术难度更大的一项综合高新技术，涉及到勘探、海洋；机械、电子、自动化、船舶、通讯诸多技术领域。设备制造难度大，正因为如此，大洋采矿技术才构成海洋高科技的前沿和制高点，并以空间的广阔性和时间的长期性向人类展示一个全新的高新技术的应用和发展领域。目前，我国在深海采矿基础理论和原理性试验方面取得重要突破，研制出了复合式集矿模型机，完成水力提升、气力提升机理研究及不同体积、浓度输送参数试验，并对工业开采水力提升参数进行了预测和初步优化，建成了既可进行集矿技术研究和设备性能试验，又可进行管道提升方法和工艺参数研究的大型海洋采矿综合试验室。
4 结束语
综上所述，纯水液压技术因其特有的优势，已经成为现代液压传动技术新的发展方向之一。面对国际上纯水液压技术的快速发展和我国加入WT0这一历史性机遇与挑战，大洋采矿是海洋高科技的前沿，是海洋资源开发的制高点，如何开发和利用国际海底资源，开辟我国新的矿产资源基地是实现国民经济建设可持续发展的重要战略目标。相信在21世纪，纯水液压技术的应用前景将更加广阔。
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