纯水液压传动研究现状综述

尹杰

纯水液压传动研究现状综述

能源与动力工程学院 机械电子工程 尹杰 122080202012

摘要：用纯水作为工作介质的液压传动技术是近年来国内外液压领域普遍关注的研究方向和前沿课题之一。文中详细论述了纯水液压传动介质的优势及存在的一些问题, 并概述了纯水液压的研究现状和国内外的研究进展和展望，指出了纯水液压传动的发展趋势、应用领域及关键技术难题。

关键词：纯水液压　优势　传动介质　展望

一 、引言

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。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。

二 、研究现状

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。国内开展水压传动技术的研究较早的是华中理工大学。总之,这方面的研究工作仍局限于高等学校,缺乏大型企业的参与。

国外研究现状

日本神奈川大学研制的淡水溢流阀，压力 14 MPa，主阀采用双节流口的平板阀，从而减小气蚀和冲蚀。三菱重工研制的水压伺服阀压力为 21 MPa，流量 100 L/ min，频率 47 Hz 。日本小松制作所于 1991 年成功地研制出用于水下作业机械手的海水伺服阀，其额定压力21 MPa 、流量 415 L/ min，响应频率 200 Hz，流量精度 ±1%。萱场液压公司于1993 年研制出压力 21 MPa 、流量 10 L/ min 的纯水液压阀。丹麦 Danfoss 公司研制的系列液压阀压力 14MPa，流量 15～140 L/ min 。美国 Elwood 和 Hunt 公司已研制出可用水、高水基等作工作介质的液压阀系列产品，其溢流阀最高工作压力可达 42MPa 以上。英国目前有 16 家公司，分别生产采用海水、淡水或高水基液体 (含 95% 的水) 作为工作介质的各类水压阀。芬兰 Tampere 科技大学已成功地研制出采用比例控制的纯水液压系统，比例阀最高工作压力达 40MPa，流量 136 L/ min。德国 Hauhinco 公司研制的先导控制式水压比例阀压力可达 40 MPa 以上。

三 、纯水液压传动的优缺点

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。

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。

四 、研究方法

研究纯水液压传动时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,研究方法中综合运用材料学、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。

五 、纯水液压传动存在的问题及展望

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。

六 、总结:

由于纯水液压技术具有上述优势并存在一系列技术难题，近年来日益引起我国液压传动和流体动力界的广泛关注和兴趣，但随着我国材料科学的飞速发展，各种新型工程材料 (如工程陶瓷、高分子材料和耐蚀合金等) 的出现，以及机械加工工艺水平的不断提高，为纯水液压传动技术的研究提供了必要的物质条件，只要坚持走基础研究与试验研究相结合的道路，这些问题必将得到圆满解决，取得了引人注目的成果。

参　考　文　献

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