純水液壓傳動概述

1、純水液壓傳動概述摘要純水液壓以其綠色環(huán)保等特性成為液壓界的重要研究方向。本文論述了純水液壓傳動的含義，討論了其研究內(nèi)容和應(yīng)用趨勢，分析了純水液壓傳動的優(yōu)勢和劣勢然后介紹了國內(nèi)外純水液壓傳動的基本狀況和發(fā)展趨勢，并相應(yīng)展開分析了純水液壓傳動的主要研究方向。最后，本文提出了一些新的解決純水液壓傳動缺點的思路。關(guān)鍵詞純水液壓油壓應(yīng)用優(yōu)勢關(guān)鍵技術(shù)1引言現(xiàn)代液壓傳動技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，而純水液壓傳動技術(shù)是現(xiàn)代液壓研究領(lǐng)域的前沿方向之一。由于純水具有來源廣泛、無污染、阻燃性好等優(yōu)點，在我國積極開展純水液壓傳動的研究與開發(fā)，對節(jié)約能源，保護環(huán)境，可持續(xù)發(fā)展及開發(fā)綠色液壓產(chǎn)品，都具有十分重要

2、的意義。因此如何利用純水作為液壓傳動工作介質(zhì)的課題引起了人們的普遍關(guān)注，純水液壓傳動課題的研究已經(jīng)成為當今液壓界的一大熱點。在純水液壓傳動發(fā)展的20多年中，人們逐步發(fā)現(xiàn)了純水液壓傳動的很多優(yōu)點。這也使純水液壓傳動受到了極大的重視，成為液壓傳動的新的熱點技術(shù)。然而，由于純水液壓傳動是一項新興的技術(shù)，所以還存在很多不足和缺點。2 什么是純水液壓傳動純水液壓傳動是指以純水(不含任何添加劑的天然水，含海水和淡水)為工作介質(zhì)的液壓傳動。a)純水的含義純水液壓傳動中的純水是指純粹的天然水(naturalwater),即不含任何添加劑的水。不同文獻中用不同的詞語來表達，如純水(purewater)、自來水(

3、tapwater)、生水(rawwater)、普通水(planewater)。純水的分類如表1所示。表1純水的分類類型來源污染物含噴自來水水處理廠污染物多卡處理他天熱水，大燃淡水湖泊.江河和山泉污染物乳制及溶解的粒網(wǎng)海水施水t部仃；內(nèi)皓咸湖)it度麻.污柒物X去爐物質(zhì)水去空晨K地叫芾解的用M.及鈉Alt處理的及然水L西水去除所仃正離廣水我摘水去除所有生物體和盛瞄小業(yè)生物體璇粒的水他生.，分純凈水b)純水液壓傳動的研究內(nèi)容由于水固有的物理特性，純水液壓傳動技術(shù)的研究主要集中在介質(zhì)、材料、元件、控制等方面，如圖1所示。純水液座傳動介質(zhì)材料元件控制圖I鈍水液壓傳動的研究內(nèi)寡c)純水液壓傳動的應(yīng)用一般

4、認為純水液壓傳動的應(yīng)用可分為三個階段。第一階段主要包括幾個小的特殊領(lǐng)域，如高壓清洗、消防、裝卸等；第二階段主要是食品加工業(yè)，如面包機、攪拌發(fā)酵機、肉聯(lián)廠的切割系統(tǒng)；在第三階段應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U展到工程機械占主要份額，通用機械也將有所應(yīng)用。純水的應(yīng)用階段如圖2所示。圖2純水融壓傳動的置用階段國X三適3 純水液壓傳動的優(yōu)缺點a) 純水液壓傳動的優(yōu)勢純水與礦物基液壓油的物理化學(xué)性能存在著較大的區(qū)別，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在下述方面：(1)安全性液壓油易燃燒，導(dǎo)致人身設(shè)備事故。純水抗燃，安全性好，消除了火災(zāi)隱患，使液壓系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，特別適合高溫明火等場合。(2)環(huán)保性液壓行業(yè)針對液壓油泄漏采取了不少有效措

5、施，但根除泄漏是不可能的，泄漏使得工業(yè)污染產(chǎn)生的全球性環(huán)境惡化進一步加劇。而純水在工作時的泄漏則不會產(chǎn)生污染，是一種無味、無毒的“綠色”液壓介質(zhì)，其泄漏和排放對周圍環(huán)境無不良影響，特別適合食品工業(yè)、制藥業(yè)、家具制造等行業(yè)。(3)經(jīng)濟性20世紀70年代初的石油危機表明了石油資源有限，已逐漸短缺且不可再生。每年消耗的液壓介質(zhì)據(jù)估計只有15%M回收利用。相反地，水隨地可取且自身價格低廉，當同時考慮短缺成本(無)、儲運成本(很少)、處理成本(可忽略)、清潔維護成本(較低)時，其經(jīng)濟性遠遠高于其他介質(zhì)。(4)其他比較與液壓油相比，純水的粘度較小，粘度對溫度變化不敏感，純水液壓系統(tǒng)的壓力損失小，發(fā)熱少，傳

6、動效率高，流量穩(wěn)定性好；純水密度高、壓縮性較小，系統(tǒng)的剛性較大，可以提高動態(tài)性能；壓縮系數(shù)小，壓縮損失比礦物油小25%左右，可補償一部分由于泄漏增加而造成的容積損失，可使控制系統(tǒng)的執(zhí)行器實現(xiàn)更準確的定位。在水下作業(yè)時，可以省去回油管道、水箱等，使系統(tǒng)簡化。b) 純水液壓傳動的劣勢(1)粘度低純水粘度低加大了密封間隙中的流體流速，對較軟的金屬容易產(chǎn)生拉絲腐蝕，從而使泄漏加劇，對于水壓泵來說，容積效率會降低。(2)腐蝕性純水具有較強的腐蝕性容易使材料表面脆化，受損的表面組織脫落，加速表面磨損，而且水的PHfi、硬度及水中寄存的微生物也會對系統(tǒng)和元件產(chǎn)生不良影響。(3)潤滑性差純水產(chǎn)生的潤滑薄膜只有

7、礦物基液壓油產(chǎn)生的1/31/20,液壓元件無法實現(xiàn)潤滑，高壓時很容易造成相對運動表面的直接接觸，使磨損加劇，液壓元件的壽命縮短。(4)氣蝕性純水飽和汽化壓力比礦物基液壓油高出很多倍。汽化壓力隨著溫度的升高上升很快。而且，隨著壓力的升高，水中的雜質(zhì)會使材料表面產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，極易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。(5)噪聲純水液壓傳動噪聲大容易產(chǎn)生水擊，從而引起系統(tǒng)的振動和噪聲等。結(jié)合純水液壓傳動的優(yōu)缺點，從總體考慮，純水液壓傳動優(yōu)點大于缺點。而且，隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，其不足逐漸得到很好的解決和補償。4 純水液壓傳動的發(fā)展現(xiàn)狀a)國外研究現(xiàn)狀(1)美國于20世紀末60年代開始研究海洋水下液壓作業(yè)工具。198

8、0年，海軍司令部等部門聯(lián)合研制出葉片馬達；1984年，研制出海水液壓傳動水下作業(yè)工具系統(tǒng)。1991年，美國研制成功了水壓沖擊鉆和圓盤鋸，組成水下作業(yè)工具系統(tǒng)，交付給海軍水下工程隊使用。(2)南非也是從事水壓傳動研究較早的國家之一。20世紀70年代后期開始研制水壓鑿巖機；1990年，研制成乳化液鑿巖機，稍后又研制出平持式純水鑿巖機，且成本較低。(3)1983年，日本的川崎研究所研制成功了用于6km深潛調(diào)查船浮力調(diào)節(jié)的超高壓海水柱塞泵，最高壓力可達63MPa流量為69L/min；1987年，研制成功了用于65k標潛調(diào)查船超高壓海水柱塞泵，其最高壓力為68.5MPq流量為5L/min,壽命達到200

9、h。(4)1978年，英國開始開發(fā)水下液壓作業(yè)工具。197滸，F(xiàn)enner公司研制成功了400m深海水下作業(yè)機器人。使用海水柱塞泵壓力為14MPa柱塞馬達壓力為10MPa20世紀90年代Kiul1大學(xué)率先把水壓傳動技術(shù)用于海底油井液壓控制系統(tǒng)。(5)1995年，德國的Hauhinco機械廠研制成功了淡水徑向柱塞泵陶瓷閥芯的水壓滑閥產(chǎn)品。(6)芬蘭的Tampere大學(xué)等聯(lián)合開發(fā)研制成功了用于內(nèi)燃機噴射控制器、造紙、水切割等動力源的海水軸向柱塞泵和馬達。1996年。Tampere大學(xué)又成功研制出了比例流量控制純水液壓系統(tǒng)。(7)1989年，丹麥Danfoss公司等開始研究純水液壓元件；I994年，

10、聯(lián)合研制出Nesie系列淡水軸向柱塞泵、馬達等。b)國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)純水液壓技術(shù)研究的起步相比西方國家來說較晚。1990年，華中理工大學(xué)在國內(nèi)率先進行了純水液壓傳動技術(shù)的研究；1996年，研制并成功地應(yīng)用于國內(nèi)第l臺艦艇用海水軸向柱塞泵和海水液壓泵性能試驗臺。目前。浙江大學(xué)已研制成功了最高壓力為14MPa流量為100kzmin的純水柱塞泵及一系列的純水液壓控制閥，并在摩擦副材料的研究上取得了重大進步。同時，昆明理工大學(xué)對純水液壓齒輪泵也進行了研究，試驗工作壓力達到10MPa5 純水液壓傳動的主要研究方向純水的特點與礦物油不同，現(xiàn)有的液壓元件和系統(tǒng)不能直接用于水壓傳動。應(yīng)針對水壓傳動的特點重新研

11、制和設(shè)計新的液壓元件，認真分析水壓傳動所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，抓住主要課題重點研究，目前水壓研究的主要課題大致如下：(1)水壓元件及系統(tǒng)的計算機仿真創(chuàng)新。液壓仿真技術(shù)為預(yù)測液壓系統(tǒng)的性能提供了有力的工具，不僅縮短了液壓系統(tǒng)和元件的設(shè)計周期，避免了因重復(fù)實驗及加工所帶來的費用，而且有利于及早發(fā)現(xiàn)所研究的系統(tǒng)在動靜態(tài)特性方面的薄弱環(huán)節(jié)并加以消除。還可以通過仿真對所設(shè)計的系統(tǒng)進行深入了解，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)、優(yōu)化元件、優(yōu)化參數(shù)的目的。目前有許多成熟的仿真軟件包廣泛應(yīng)用于液壓領(lǐng)域的設(shè)計過程中，其中德國亞琛工業(yè)大學(xué)的DSHgC件和英國Bath大學(xué)的Bath/fp是最早推出的軟件，在行業(yè)中影響也最大。隨著科學(xué)

12、的發(fā)展，又有數(shù)十款液壓仿真軟件和通用的系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)運而生。但是現(xiàn)有的大多數(shù)軟件，包括一些通用仿真軟件，存在以下問題：面向原理圖建模的圖形界面，僅是一個工具；只能對簡單的液壓系統(tǒng)進行仿真，即只能對簡化的系統(tǒng)進行仿真；仿真系統(tǒng)不利于創(chuàng)新思維的運用；仿真與優(yōu)化脫節(jié)，事實上仿真無法直接指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化；仿真軟件得不到強大的液壓元件參數(shù)庫的支持；軟件參數(shù)的確定帶有很大的盲目性；實驗與仿真的對比分析功能不強；仿真結(jié)果的再利用沒有得到深入發(fā)掘。隨著產(chǎn)品設(shè)計中強調(diào)源頭創(chuàng)新，對仿真技術(shù)的研究與軟件系統(tǒng)的開發(fā)提出了新要求。從國外的相關(guān)軟件來看，液壓仿真技術(shù)發(fā)展一直受到重視，并在不斷的進行開拓和完善。仿真技術(shù)在

13、液壓元件與系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計中，發(fā)揮了重大的作用。與其它技術(shù)一樣，液壓仿真技術(shù)也將與時俱進，發(fā)展趨勢可以歸納為幾個方面：基于網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)，基于仿真的工況監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、實時仿真技術(shù)和面向復(fù)雜系統(tǒng)的分布式建模與仿真技術(shù)等。液壓元件及系統(tǒng)仿真軟件的研究與開發(fā)將推動純水液壓技術(shù)的發(fā)展，所以液壓仿真軟件的研究對純水液壓的發(fā)展具有重大意義。(2)水壓元件中摩擦學(xué)問題研究。由于純水中潤滑困難，摩擦副的固體表面處于直接接觸狀態(tài)，很快便會磨損。材料的磨損形式主要有4種：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和磨蝕磨損。在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，粘著磨損和磨粒磨損占主要地位，表面疲勞磨損在滾動接觸中

14、明顯可見。純水的腐蝕作用可在較低的接觸應(yīng)力下去除腐蝕表面，而新鮮表面更容易受到腐蝕，這兩個過程的相互作用形成了腐蝕磨損。對于大多數(shù)材料而言，上述4種形式的磨損在水中都比在油中大。由于低粘度，水壓元件中的間隙流速很高，高速水流會對過流表面產(chǎn)生嚴重的沖刷作用，引起過流表面材料破壞，即沖蝕磨損，當介質(zhì)中含有固體污染顆粒時沖蝕磨損將更嚴重。因此，深入研究水壓中的摩擦學(xué)問題，掌握其摩擦機理，合理利用水的有限潤滑作用，切實有效的解決水壓元件面臨的嚴重粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損及沖蝕磨損等摩擦學(xué)問題，是能否研制出高性能水壓元件和系統(tǒng)的關(guān)鍵。(3)各類水壓元件及系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究。水介質(zhì)與礦物油

15、介質(zhì)物理化學(xué)性能的巨大差別決定著不能將現(xiàn)有的液壓元件用于純水液壓傳動。通過對純水液壓元件的研究，系統(tǒng)對純水液壓傳動的認識與分析以及對元件尺寸、靜動態(tài)性能的研究所總結(jié)的規(guī)律及原理，對純水液壓傳動的發(fā)展起著重要的作用，所以對純水液壓元件和系統(tǒng)的研究也是純水液壓傳動研究的一個重要課題。(4)水壓元件及系統(tǒng)氣蝕、水擊發(fā)生的機理、危害及控制政策研究。氣蝕和水擊是液壓閥中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，隨著液壓系統(tǒng)向高速、高壓及微型化發(fā)展，特別是純水液壓的發(fā)展，氣蝕和水擊問題更為突出。水的汽化壓力是油的千萬倍，且水中溶解氣體的提前析出又會誘發(fā)水在高于其汽化壓力時產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氣蝕破壞。相對于油壓元件而言，純水液壓

16、元件的氣蝕機制發(fā)生了本質(zhì)的改變，元件內(nèi)部流場的氣穴特性與對材料的侵蝕程度產(chǎn)生了顯著差異。因此深入研究水壓元件及系統(tǒng)中氣蝕、水擊發(fā)生的機理，充分認識其危害性，并采取合理有效的控制策略，避免氣蝕、水擊現(xiàn)象發(fā)生,是迅速推動純水液壓傳動系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。(5)新型工程材料在水壓元件中的應(yīng)用研究。海水或純水作為液壓介質(zhì)都具有強烈的腐蝕性，所以如何選用耐腐蝕材料是研究純水液壓元件的關(guān)鍵問題之一。目前采用的新型材料如工程陶瓷，工程塑料及復(fù)合材料都具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐摩擦性能，是理想的耐腐蝕材料。但是陶瓷的化學(xué)鍵主要是離子鍵和共價鍵，這種化學(xué)鍵方向性強結(jié)合能高，因此陶瓷在高溫下很難發(fā)生塑性變形，其積聚的

17、能量不能被及時吸收，在外載荷的重復(fù)作用下，疏松區(qū)陶瓷顆粒的邊界等處的缺陷便成為裂紋源，裂紋逐漸擴展，導(dǎo)致材料脫落，產(chǎn)生疲勞斷裂剝落坑。工程塑料熱變形溫度較低，不易獲得較高的表面質(zhì)量，而且吸水，尺寸穩(wěn)定性差。因此結(jié)合純水液壓傳動的實際情況研制新型的耐腐蝕材料是純水液壓傳動研究的重要課題。(6)水壓傳動實驗裝置的設(shè)計與研究。由于礦物油和水的物理化學(xué)性質(zhì)不同，因此對液壓元件的要求和性能影響也不同。而獲得液壓元件性能參數(shù)的最佳、最可靠的途徑是實驗測試。油壓傳動實驗裝置和實驗技術(shù)已經(jīng)比較成熟，由于油壓傳動與水壓傳動具有明顯的差異，所以不能只對油壓實驗裝置簡單地修改就進行水壓傳動實驗，必須結(jié)合水的物理化學(xué)

18、性質(zhì)進行純水液壓元件實驗系統(tǒng)的設(shè)計，此實驗系統(tǒng)的設(shè)計對純水液壓元件的設(shè)計起著舉足輕重的作用，但我國水壓傳動實驗技術(shù)還處于起步探索階段，所以研究純水液壓傳動實驗系統(tǒng)也是純水液壓傳動技術(shù)研究的重要課題。(7)水壓傳動系統(tǒng)綜合特性的評估策略與方法研究。如何從生命周期的角度來評定水壓傳動系統(tǒng)的技術(shù)性能、費用、對環(huán)境的影響程度、勞動保護、能源消耗、資源消耗、應(yīng)用領(lǐng)域等綜合特性，并與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，對于客觀認識水壓傳動的突出優(yōu)越性，為企業(yè)決策者及工程師提供切實可行的技術(shù)解決方案推動水壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展有非常重要的作用。純水液壓傳動是一個多學(xué)科交叉的技術(shù)必須重視基礎(chǔ)研究，綜合運用材料學(xué)、流體力學(xué)、理論力

19、學(xué)、摩擦學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)、精密加工及精密測量技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的最新研究成果。從合理選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計理論和方法、加工手段和制造工藝等入手，有效克服水壓傳動所面臨的腐蝕、泄漏、摩擦磨損、氣蝕、水擊和污染問題，才能研發(fā)出高性能的水壓元件和系統(tǒng)。6 關(guān)于純水液壓傳動的一些思路阻礙純水液壓傳動發(fā)展的主要問題來自于它自身的幾個主要缺點，純水的腐蝕性、粘度小和潤滑性差。這幾個缺點采用現(xiàn)有的技術(shù)很難解決，但是材料科學(xué)的發(fā)展特別是納米材料的異軍突起給這兩個問題的解決帶來了曙光。為了解決純水腐蝕性強、潤滑性差的問題，一般總是優(yōu)先考慮采用不銹鋼、有色金屬合金和工程塑料、鋁合金、銅合金等抗腐蝕性強的材料，也

20、可以通過在元件表面覆蓋新型復(fù)合材料來解決，新型復(fù)合材料主要是具有耐磨、耐蝕、抗疲勞特性的陶瓷、高強度塑料、不銹鋼等。為減小損失，還需要降低水流速度，提高過濾精度，注意防止縫隙腐蝕和點蝕，還可在純水中滴加適量酸離子或堿離子。采用表面覆蓋新型復(fù)合材料，如抗疲勞特性的陶瓷，雖然能產(chǎn)生比較理想的效果，但是又有壽命短，易發(fā)生脆性脫落等。而納米陶瓷的研究方向就是提高這些耐磨材料的疲勞極限和韌性，因此，純水液壓傳動和納米材料特別是納米陶瓷的結(jié)合，是解決這兩個問題的必由之路。我們也可以借鑒自潤滑軸承的原理，用一些“水自潤滑材料”來制作純水液壓傳動的零件。在純水液壓傳動系統(tǒng)運行過程中，這些“水自潤滑材料”制作的零件可以“分泌”一些添加物，比如乳化添加劑，在零件表面形成一層類似于魚類身體上的粘膜，來降低摩擦，保護零件免受或少受侵蝕。這些粘膜的粘性會很大，有利于純水液壓傳動系統(tǒng)的密封，可以彌補由于水的粘度低造成的密封困難問題。7結(jié)語作為綠色環(huán)保的重要研究方向，國外的科研機構(gòu)和企業(yè)已對純水液壓傳動技術(shù)及系統(tǒng)進行了大力研究，國內(nèi)的研究工作起步要比國外遲一些。目前純水液壓系統(tǒng)造價較高，綜合成本約為石油基液壓系統(tǒng)的2倍。材料科學(xué)的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高，為研究高性能的水壓元件和系統(tǒng)提供了必要的條件，為克服