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1、纯水液压传动概述摘要纯水液压以其绿色环保等特性成为液压界的重要研究方向。本文论述了纯水液压传动的含义,讨论了其研究内容和应用趋势,分析了纯水液压传动的优势和劣势, 然后介绍了国内外纯水液压传动的基本状况和发展趋势，并相应展开分析了纯水液压传动的主要研究方向。最后，本文提出了一些新的解决纯水液压传动缺点的思路。关键词纯水液压油压应用优势关键技术1引言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
2、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。2什么是纯水液压传动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。a)纯水的含义纯水液压传动中的纯水是指纯粹的天然水(natural water),即不含任何添加剂的水。不同文献中用不同的词语来表达,如纯水(pure water)、自
3、来水(tap water)、生水(raw water)、普通水(plane water)。纯水的分类如表1所示。b)纯水液压传动的研究内容由于水固有的物理特性,纯水液压传动技术的研究主要集中在介质、材料、元件、控制等方面,如图1所示。c)纯水液压传动的应用一般认为纯水液压传动的应用可分为三个阶段。第一阶段主要包括几个小的特殊领域,如高压清洗、消防、装卸等;第二阶段主要是食品加工业,如面包机、搅拌发酵机、肉联厂的切割系统;在第三阶段应用领域将扩展到工程机械占主要份额,通用机械也将有所应用。纯水的应用阶段如图2所示。3纯水液压传动的优缺点a）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
4、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
5、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。b）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
6、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13120，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
7、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。4纯水液压传动的发展现状a）国外研究现状(1)美国于20世纪末60年代开始研究海洋水下液压作业工具。1980年，海军司令部等部门联合研制出叶片马达；1984年，研制出海水液压传动水下作业工具系统。1991年，美国研制成功了水压冲击钻和圆盘锯，组成水下作业工具系统，交付给海军水下工程队使用。(2)南非也是从事水压传动研究较早的国家之一。20世纪70年代后期开始研制水压凿岩机；1990年，研制成乳化液凿岩机，稍后又研制出平持式纯水凿岩机，且成本较低。(3)1983年，日本的川崎研究所研制成功
8、了用于6km深潜调查船浮力调节的超高压海水柱塞泵，最高压力可达63MPa，流量为69Lmin；1987年，研制成功了用于65km深潜调查船超高压海水柱塞泵，其最高压力为685MPa， 流量为5Lmin，寿命达到200h。(4)1978年，英国开始开发水下液压作业工具。1978年，Fenner公司研制成功了400m深海水下作业机器人。使用海水柱塞泵压力为14MPa。柱塞马达压力为10MPa；20世纪90年代Kiul1大学率先把水压传动技术用于海底油井液压控制系统。(5)1995年，德国的Hauhinco机械厂研制成功了淡水径向柱塞泵陶瓷阀芯的水压滑阀产品。(6)芬兰的Tampere大学等联合开发
9、研制成功了用于内燃机喷射控制器、造纸、水切割等动力源的海水轴向柱塞泵和马达。1996年。Tampere大学又成功研制出了比例流量控制纯水液压系统。(7)1989年，丹麦Danfoss公司等开始研究纯水液压元件；I994年，联合研制出Nesie系列淡水轴向柱塞泵、马达等。b） 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1OOLmin的纯水柱塞泵及一系列的纯水液压控制阀，并在摩擦副
10、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。5纯水液压传动的主要研究方向纯水的特点与矿物油不同,现有的液压元件和系统不能直接用于水压传动。应针对水压传动的特点重新研制和设计新的液压元件,认真分析水压传动所面临的关键技术问题,抓住主要课题重点研究,目前水压研究的主要课题大致如下:(1) 水压元件及系统的计算机仿真创新。液压仿真技术为预测液压系统的性能提供了有力的工具,不仅缩短了液压系统和元件的设计周期,避免了因重复实验及加工所带来的费用,而且有利于及早发现所研究的系统在动静态特性方面的薄弱环节并加以消除。还可以通过仿真对所设计的系统进
11、行深入了解,从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。目前有许多成熟的仿真软件包广泛应用于液压领域的设计过程中,其中德国亚琛工业大学的DSH软件和英国Bath大学的Bath/fp是最早推出的软件,在行业中影响也最大。随着科学的发展,又有数十款液压仿真软件和通用的系统仿真软件应运而生。但是现有的大多数软件,包括一些通用仿真软件,存在以下问题:面向原理图建模的图形界面,仅是一个工具;只能对简单的液压系统进行仿真,即只能对简化的系统进行仿真;仿真系统不利于创新思维的运用;仿真与优化脱节,事实上仿真无法直接指导系统的设计优化;仿真软件得不到强大的液压元件参数库的支持;软件参数的确定带有很大的盲目性;
12、实验与仿真的对比分析功能不强;仿真结果的再利用没有得到深入发掘。随着产品设计中强调源头创新,对仿真技术的研究与软件系统的开发提出了新要求。从国外的相关软件来看,液压仿真技术发展一直受到重视,并在不断的进行开拓和完善。仿真技术在液压元件与系统的创新设计中,发挥了重大的作用。与其它技术一样,液压仿真技术也将与时俱进,发展趋势可以归纳为几个方面:基于网络的仿真技术、协同仿真技术,基于仿真的工况监测与故障诊断技术、实时仿真技术和面向复杂系统的分布式建模与仿真技术等。液压元件及系统仿真软件的研究与开发将推动纯水液压技术的发展,所以液压仿真软件的研究对纯水液压的发展具有重大意义。(2) 水压元件中摩擦学问
13、题研究。由于纯水中润滑困难,摩擦副的固体表面处于直接接触状态,很快便会磨损。材料的磨损形式主要有4种:粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和磨蚀磨损。在边界润滑和混合润滑状态下,粘着磨损和磨粒磨损占主要地位,表面疲劳磨损在滚动接触中明显可见。纯水的腐蚀作用可在较低的接触应力下去除腐蚀表面,而新鲜表面更容易受到腐蚀,这两个过程的相互作用形成了腐蚀磨损。对于大多数材料而言,上述4种形式的磨损在水中都比在油中大。由于低粘度,水压元件中的间隙流速很高,高速水流会对过流表面产生严重的冲刷作用,引起过流表面材料破坏,即冲蚀磨损,当介质中含有固体污染颗粒时,冲蚀磨损将更严重。因此,深入研究水压中的摩擦学问题,掌
14、握其摩擦机理,合理利用水的有限润滑作用,切实有效的解决水压元件面临的严重粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损及冲蚀磨损等摩擦学问题,是能否研制出高性能水压元件和系统的关键。(3) 各类水压元件及系统的开发与应用研究。水介质与矿物油介质物理化学性能的巨大差别决定着不能将现有的液压元件用于纯水液压传动。通过对纯水液压元件的研究,系统对纯水液压传动的认识与分析以及对元件尺寸、静动态性能的研究所总结的规律及原理,对纯水液压传动的发展起着重要的作用,所以对纯水液压元件和系统的研究也是纯水液压传动研究的一个重要课题。(4) 水压元件及系统气蚀、水击发生的机理、危害及控制政策研究。气蚀和水击是液压阀中经常
15、出现的问题,随着液压系统向高速、高压及微型化发展,特别是纯水液压的发展,气蚀和水击问题更为突出。水的汽化压力是油的千万倍,且水中溶解气体的提前析出又会诱发水在高于其汽化压力时产生气穴现象,从而导致气蚀破坏。相对于油压元件而言,纯水液压元件的气蚀机制发生了本质的改变,元件内部流场的气穴特性与对材料的侵蚀程度产生了显著差异。因此深入研究水压元件及系统中气蚀、水击发生的机理,充分认识其危害性,并采取合理有效的控制策略,避免气蚀、水击现象发生,是迅速推动纯水液压传动系统发展的重要基础。(5) 新型工程材料在水压元件中的应用研究。海水或纯水作为液压介质都具有强烈的腐蚀性,所以如何选用耐腐蚀材料是研究纯水
16、液压元件的关键问题之一。目前采用的新型材料如工程陶瓷,工程塑料及复合材料都具有优异的耐腐蚀性能和耐摩擦性能,是理想的耐腐蚀材料。但是陶瓷的化学键主要是离子键和共价键,这种化学键方向性强结合能高,因此陶瓷在高温下很难发生塑性变形,其积聚的能量不能被及时吸收,在外载荷的重复作用下,疏松区陶瓷颗粒的边界等处的缺陷便成为裂纹源,裂纹逐渐扩展,导致材料脱落,产生疲劳断裂剥落坑。工程塑料热变形温度较低,不易获得较高的表面质量,而且吸水,尺寸稳定性差。因此结合纯水液压传动的实际情况研制新型的耐腐蚀材料是纯水液压传动研究的重要课题。(6) 水压传动实验装置的设计与研究。由于矿物油和水的物理化学性质不同,因此对液压元件的要求和性能影响也不同。
