純水液壓技術的回顧與展望.doc

用心專注，服務專業(yè)隨著社會的發(fā)展，人們對人類賴以生存的環(huán)境有了一個更高的要求，希望有一個安全無污染、高度文明、美好的環(huán)境。因此也要求科學技術向安全、生態(tài)化、藝術化、環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的目標發(fā)展。水介質本身獨有的一系列特點正好滿足了現(xiàn)代社會提出的這一要求，因此，純水液壓技術就應運而生了，它標志著液壓傳動技術正向更高的階段發(fā)展。純水液壓技術，尤其是深海純水液壓技術已經成為現(xiàn)代液壓界關注的熱點： 隨著新材料的研發(fā)成功、精密加工技術的不斷進步，以及各種新結構的液壓元件研制成功，使水壓傳動技術在最近10年內取得了長足的進步，并重新開始進入了有嚴格要求無污染的領域，具有十分誘人的應用和發(fā)展前景。同時，鑒于國防建設與某些特殊經濟領域的迫切需要，以及未來市場的誘惑，西方國家一直在集中力量研究該項技術，并已取得了突破性進展，部分已進入實用階段：目前，國外已經生產出專為純水液壓系統(tǒng)設計的液壓元件，如德國Hauhinco公司生產的Ehk-3k系列柱塞泵，英國于1988年研制成功14MPa的海水柱塞泵及10MPa的海水柱塞馬達。國外的純水液壓技術已進入包括海洋開發(fā)、水下作業(yè)、原子能動力工廠、鋼鐵工業(yè)、食品、醫(yī)藥等諸多領域中，創(chuàng)造了很大的經濟效益。 國內自20世紀初也開展了純水液壓傳動技術的研究，華中理工大學進行了海水液壓傳動技術的研究，現(xiàn)已成功地研究出軸向柱塞式海水液壓泵，該泵能用含有微細沙粒的海水工作，額定工作壓力為3MPa，最高工作壓力為6.3MPa，額定流量為100L/min，容積效率達到了85%。同時，浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室也投人大量的人力、物力從事純水液壓技術的開發(fā)和研究工作。安徽理工大學也從2002年起投人人力、物力，進行純水液壓元件的設計與開發(fā)，已設計出用于純水液壓系統(tǒng)的齒輪轉子泵(馬達)系列。 2純水液壓技術的特點與技術難題 所謂純水是指純粹的天然水，即不含任何添加劑的水。關于純水的分類見表1。 純水作為液壓傳動的工作介質，具備如下特點：無污染，有利于全民綠色意識的提高；成本低、阻燃性、安全性(這對大量使用液壓油的冶金行業(yè)來說其前景十分看好)、系統(tǒng)沿程損失和局部損失都非常?。豁憫?采用純水作為工作介質可以使液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構實行更準確的定位)、溫升小；系統(tǒng)維護保養(yǎng)方便、維護監(jiān)測成本低等項優(yōu)點。同時也存在腐蝕性強、腐蝕嚴重、防漏性差等缺陷。但這些缺陷正隨著科學技術的不斷進步，被逐步克服。 (1)潤滑磨損問題的解決，有兩種方式。一種是，元件的軸承部分用油來潤滑，通過密封件與高壓純水分開，純水僅作為能量和控制信號進行傳遞；另一種是，水參與潤滑。選用合適的制作材料對純水液壓系統(tǒng)是最基礎的工作。目前考慮的材料有工程塑料、結構陶瓷、高分子材料等。結構陶瓷由于其優(yōu)越的耐磨性、抗氣蝕性能好、良好的化學穩(wěn)定性、較低的摩擦系數(shù)等特性倍受青睞，在液壓元件中用結構陶瓷代替部分金屬材料將會大大改善液壓元件的性能。 (2)泄漏問題的解決。液壓元件中大部分的運動副采用間隙配合方式，其縫隙量對泄漏量影響極大。密封間隙的減小，又會使?jié)櫥ず穸葴p小，元件的磨損加大，繼而導致密封迅速失效。因此，僅以采取減小間隙的配合方式是不行的。目前有研究結果表明，在水壓傳動元件中用組合密封形式是較為理想的防泄漏手段。 (3)氣蝕問題的解決。由于水的汽化壓力高，加之水中含有2%左右的空氣，特別容易誘發(fā)汽化，導致氣蝕現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，在維修的泵中，10%是因為氣蝕而損壞。對于液壓泵，容易發(fā)生氣蝕的部位是配流盤吸、壓窗口的交界處，以及泵的吸入口。研究結果表明，氣蝕現(xiàn)象可通過在泵的人口加壓解決。 3純水液壓傳動的應用 現(xiàn)在一般認為，純水液壓傳動的應用可分為四個階段。第一階段主要是一些特殊領域，如高壓清洗、噴霧、消防等；第二階段主要是食品加工行業(yè)，例如面包機、肉類切割等；第三階段則擴展到工程機械及通用機械。在此階段，純水傳動將會逐漸擴大市場份額，其函數(shù)關系如圖1所示，第四階段將主要應用于深海采礦。 圖1 純水液壓傳動的應用比例與趨勢 3.1 用于消防 我國現(xiàn)代建筑正逐漸向高層化發(fā)展，但高層建 筑的消防滅火問題卻存在著嚴重的隱患。高層建筑起火而無法迅速有效撲滅的一個重要原因是高層消防用水壓力不足，特別是在滅火的后期，即使在裝有自動噴水滅火系統(tǒng)的地方，由于水壓較低，水噴淋系統(tǒng)所噴出的水覆蓋的空間小。這樣滅火的效果需要以縮小住戶的有效住宅空間來作為代價。而純水液壓傳動的基本特征就是能夠輸出高壓水流。如果采用高壓高效純水液壓滅火系統(tǒng)的話，則和現(xiàn)有的噴水滅火系統(tǒng)不一樣，在樓層中間再額外地設置幾個中轉加壓泵站，這樣不僅可以顯著提高高層建筑噴水滅火系統(tǒng)的滅火效果，大大減少滅火系統(tǒng)成本，而且還有效地擴大了高層樓房的實際使用面積。同時，高效水霧化具有動力消耗小、系統(tǒng)簡單、占用空間小、布置方便等優(yōu)點。但其形成條件是消防水必須具有足夠高的壓力，一般來說，不得低于10MPa，純水液壓系統(tǒng)的輸出壓力通常在10-32MPa，高壓細水霧滅火系統(tǒng)在噴水方式、成霧原理、滅火機理、滅火效能、應用范圍及系統(tǒng)經濟性能上均產生了質的飛躍，工程應用前景十分樂觀，同時，水的高壓霧化也是射流技術在滅火領域新的應用。這一套系統(tǒng)同樣可用在其它用高壓水射流的場合，例如：鋼板的切割及鋼板的除銹等，這會比以往的高壓水射流的獲得方法節(jié)省許多能量。 3.2 用于海洋開發(fā) 評價一個國家的綜合國力強弱的標準是對外層空間和海洋的利用能力。開發(fā)和利用公海海底礦產資源日益引起國際社會的廣泛關注。大洋采礦技術是較航天技術難度更大的一項綜合高新技術，涉及到勘探、海洋；機械、電子、自動化、船舶、通訊諸多技術領域。設備制造難度大，正因為如此，大洋采礦技術才構成海洋高科技的前沿和制高點，并以空間的廣闊性和時間的長期性向人類展示一個全新的高新技術的應用和發(fā)展領域。 對于深海采礦的純水液壓傳動技術，至今仍處于萌芽時期，還沒有成熟的經驗、技術可供我們借鑒。許多國家包括中國都已把深海純水液壓技術作為未來液壓技術的前沿課題。例如深海采礦的液壓系統(tǒng)如改用海水液壓，將為工作的進行帶來很大的方便而且會產生很高的經濟和社會效益。日本及法國已于上世紀80年代研究開發(fā)出用于海洋作業(yè)的水液壓系統(tǒng)；大洋金屬結構開發(fā)采用流體提升采礦的方法如圖2， 圖2 流體提升采礦法 這是目前國際上公認最具有實用價值和工業(yè)應用前景的方法，該方法是當采礦船到達采區(qū)后，將集礦機和揚礦管接好并逐步放人海底，揚礦管上端懸置于采礦船。柔性軟管將集礦機與主揚礦管道連接呈拱形浮在水中，允許集礦機偏離主揚礦管左右移動繞過障礙，且在地形高度變化時可補償揚礦管下端距海底的高度變化。當采礦作業(yè)區(qū)出現(xiàn)臺風或熱帶風暴時，采礦船與水下系統(tǒng)脫開，駛往安全地帶避風，而水下系統(tǒng)仍然留在采區(qū)，風暴過后，采礦船返回原位，重新接上水下系統(tǒng)。集礦機用于采集海底沉積物中的結核并進行初處理。在除去大結核的同時將合格尺寸的結核輸入揚礦管底端，以水力或氣力提升方法使管內的水以足夠的速度向上運動，將結核輸送到海面采礦船上。該方法可配用自行式遙控集礦機，具有較好的靈活性，且有避開海底障礙物與不利地形的能力、較高的采礦效率、開采規(guī)模大、技術難度小等優(yōu)點。該系統(tǒng)由自動集礦機、揚礦機(提升)子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、采礦船和運輸支持子系統(tǒng)五大部分組成。其中，集礦機和提升泵等關鍵設備都涉及到液壓傳動與控制技術。其中，集礦機采用水力和機械裝置結合的復合式集礦方法達到采集、分選結核目的，為滿足結構簡單、重量輕、壓陷深度淺、牽引力大、對海底破壞輕、跨越或繞過海底障礙物容易、通過性較好的要求，采用履帶行走方式。其中的液壓系統(tǒng)用電機驅動，泵、電機、閥組均裝在耐壓倉內，預壓進行水壓平衡補償。而且可以預見，如何將水壓傳動技術用于大洋采礦工程應當作為液壓界的重點課題，這一課題必將成為液壓技術的前沿課題。 目前，我國在深海采礦基礎理論和原理性試驗方面取得重要突破，研制出了復合式集礦模型機，完成水力提升、氣力提升機理研究及不同體積、濃度輸送參數(shù)試驗，并對工業(yè)開采水力提升參數(shù)進行了預測和初步優(yōu)化，建成了既可進行集礦技術研究和設備性能試驗，又可進行管道提升方法和工藝參數(shù)研究的大型海洋采礦綜合試驗室。 3.3 用于礦山開采 純水液壓傳動技術在煤礦機械例如在MXG500/4.5H型電牽引采煤機上的應用已取得了一定的進展，而且在液壓鑿巖機械和液壓鉆機中水壓傳動應用的前景也十分看好。 長久以來，煤礦的現(xiàn)場生產條件十分惡劣。同時，生產對地表以下環(huán)境的污染也十分嚴重。產生這種污染很大的一個原因就是液壓油和高水基乳化液的使用，面對愈來愈重視環(huán)境保護的將來，逐步解決這些問題，改善煤礦的生產環(huán)境，純水液壓技術的使用是有效的方法之一。純水與液壓油和高水基乳化液相比，不僅有良好的抗燃性、散熱性，而且價格也便宜。所以使用純水液壓，對降低煤礦的生產成本是有益的。在煤礦生產中廣泛使用的液壓支柱，大量消耗著乳化液。調查發(fā)現(xiàn)，很多煤礦的工人在液壓支架和液壓支柱的使用中，很少按規(guī)定要求混加乳化液，以使乳化液濃度只有5%左右，有些煤礦的乳化液濃度連1%都不到，甚至是純水，但液壓支架仍可以在液壓支架中得到應用，這在煤炭行業(yè)中，將大大地改善礦井的工作和安全條件，例如，用純水液壓提供高壓水，然后用高壓水射流采煤，這將是純水液壓技術在煤炭行業(yè)應用的雛形。這對于有豐富煤炭資源，距離水源很近的淮南來說是很可取的，而且這不但可以提高采煤機的除塵效果，而且使電牽引采