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1、以海水为介质的柱塞泵的润滑与磨擦王东 1，李壮云 2，朱雨泉21武汉理工学院，自动化系，中国武汉，430073 2华中科技大学，中国武汉，430073 摘要：由于水液压技术具有对人类无害和对环境无污染等特点而已经了人们的关 注。柱塞泵是近代工程技术领域一个最常用的液压元件。由于水和油的特性的差 异，在水液压柱塞泵比采用油作为工作介质的柱塞泵更容易发生润滑失效。因此 这儿有例如磨损和腐蚀等重要问题需要去进行研究。研究出一种在水中没有腐蚀 和侵蚀的具有更长寿命的材料。华科设计出一种具有更好吸入性能的海水液压柱 塞泵。这个项目着重于对新材料、结构和实验。 关键词：水液压技术；柱塞泵；润滑；材料；实验
2、。CLC 编号：U664.72 文章代码：A 论文呈：167、-9043(2003)01-0035-06引言早期的液压系统采用水作为工作介质，由此必须严格控制介质的工作温度、 腐蚀和润滑问题。直到上世纪90年代才开始采用矿物质液压油。后来，液压油 逐渐成为液压装置的工作介质。近年来，由于淡水具有易于得到、易保存、低成 本、对环境污染小和不易失火等优点，淡水液压获得了广泛的应用。因此，淡水 液压能够被用于许多新的领域，例如食品、医药、玻璃制造业、采矿和核工业等。与矿物质液压油相比，水的粘度较低。例如，在40C下，水的运动粘度为0.7m2/s，而普通的液压油的粘度为32m2/s。当然在水液压系统中
3、，许多在油液压 系统中不需要考虑的问题都应该重新被考虑进去。首先，水的粘度较低以致于难 以在磨擦副中建立起水压支承，并且，要想在高硬度材质间实现动压润滑几乎不 可实现。因此，水的粘度较低导致了其润滑性较差。由此导致腐蚀和磨擦性损耗 等问题。其次，当水中含有杂质时水将会导电变成电解液。在这种情况下，将会 导致电解腐蚀。因此，当金属材料采用水作为介质时应该考虑到电化学腐蚀。 基于上述观点，液压油在润滑方面具有很多优点。但是随着材料、设计和磨擦学 中新技术的采用便利用水作为介质提供了可能性。大量的新材料能够能够在水中 能够很好地工作，例如不锈钢、防腐蚀合金、陶瓷、高分子聚合物、青铜、黄铜、 铝合金等
4、。伴随着现代设计和制造技术的发展，水液压技术变得越来实用化。现 代科学技术为水液压技术的再次出现和发展提供了大量的技术保证。柱塞泵是液压工程技术领域最常用的一种液压元件。与采用作为介质的柱塞 泵相比，水液压柱塞泵的润滑性能差。在水液压系统中，最首要的目标是发展可 用水来作为工作介质的柱塞泵和马达。为了解决用水作为润滑济的问题，人们着 重于研究三个重要的磨擦副：缸体与配流盘、柱塞与缸孔、斜盘与滑靴。许多发达国家已经开发出了水液压柱塞泵，例如美国、英国、丹麦、德国和 芬兰等。泵和马达实际上是可逆的。英国的Fenner公司已经开发出一种可用水 作为工作介质的定量轴向柱塞泵。这种类型的泵和马达都采用同
5、一种型式的斜 盘。轴承的中心线与转矩的中心线相重合有减小配流机构所带来的倾覆力，所有 的磨擦副都采用高分子材料和合金相接触。这种泵的柱塞采用陶瓷，泵壳采用不 锈钢，其压力可以达到14MPa。德国Hauhinco径向柱塞泵是一种定量柱塞泵。 泵在设计时采用新材料以致于减少一个单独的润滑机构。其工作介质可以采用工 业用水，同时也是润滑济。这种泵的流量可以达到240L/min,压力可以达到 32MPa。丹麦的PHA系列中的丹佛斯系列(Danfoss Nessie)作为一个完整系列 斜盘式柱塞泵。这种泵的所有磨擦表面都单独采用不加强型橡胶和不锈钢，例如 缸体、配流盘和滑靴。外部的壳体都单独采用专用的铸
6、造黄铜以防止腐蚀，泵的 各个运动部件都靠水来润滑。而泵的各个部件均采用耐腐蚀材料以保证泵有较长 的寿命。这种泵的压力最高能达到16MPa。芬兰的Hytar公司的轴向柱塞泵可以 当作马达使用，并且能够在淡火和海水中工作。其压力可以达到21MPA,寿命可 以达到8000h.华中科技大学经过十年在流体力学基础上的对高压水的研究和试验，目前正 在实施一个由国家自然科学基金所支持的淡水和海水液压项目。最近，华中科技 大学开发出一种具有较好吸入性能的轴向柱塞泵。这个项目着重于研究新材料、 结构和实验。同时，本文也次这种泵的应用。1. 海水液压柱塞泵图1为我们展示了华科海水液压柱塞泵的结构简图。这是一种斜盘
7、式七柱塞 定量轴向柱塞泵。即能用海水也能用淡水作为工作介质。其流量可以达到 40L/min,压力可以达到14MPa,额定压力为10MPa，泵的进口与出口都与带有 橡胶密封的单向阀单独与每个柱塞相通。柱塞位于吸入侧时，水在真空下通过入 口的单向阀被吸入进来，充满柱塞的左侧空间；柱塞位于压排侧时，水通过出口 的单向阀被压出去。为了使得轴承获得较好的润滑效果，泵的驱动装置都采用油 润滑，并且在每个柱塞上都采用双向密封使得右腔与左侧配流装置隔开。因此， 轴承、斜盘和滑靴磨擦表面都采用油润滑，而柱塞与缸孔之间的磨擦都采用水进 行润滑。由于水的化学性质活泼、粘度低、润滑性差和水蒸气压力高等特点，因此当 采
8、用水润滑时，材料的选择对一个水液压柱塞泵的寿命起着重要的作用。这种泵 前后的端盖都采用经过电极处理的铝合金，柱塞与缸体的衬套都分别采用不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)和高强度的高分子材料(PEEK)。入、出口阀的材料的密封都采 用PTEF材料，带有塑料密封的提升阀采用镀有青铀的不绣钢。图1柱塞泵的结构简图为了减少表面的磨擦，必须采用磨擦系数较小的材料，PEEK材料在水中的 磨擦系数大约为0.02。这个磨擦系数可与钢与钢在矿物质油中的0.050.07相 比。近年来，PEEK材料逐渐成为水液压柱塞泵和马达运动部件广泛采用的材料。3实验为了验证这种泵的性能，我们也同时在进行实验装置的研究。图2是华中
9、科 技大学海水液压柱塞泵实验装置的简图。这个实验装置包括水箱、节流阀、溢流 阀、冷却器、压力传感器、流量传感器和被测试的泵等。被测试的泵靠电机驱动, 为了测试这种泵在反转的功能，采用了一个电气控制柜来控制电机的正反转。安 全阀起到过载保护的作用，节流阀用于对被测试的泵进行加载，冷却器用于控制 系统的油温。这个实验台所有的液压元件都由我们自己进行设计的。2.2试验方法试验方法如下：无论是自来水还是海水都可以作为压力介质。模拟的海水的 成份均参照美国的标准(ASTMD-1142-52),如表1所示。实验的由数据由下面的参数所决定：(a) .加载的压力最高达到14MPa;(b) .转速可高，且最高达
10、到1000r/min;(c) .当转速达到一个稳定值后，记录下流量和压力；(d) .油液的温度控制在20C40C之间。图2实验台装置表1海水成份Tbk L imiiaiioo s*iwster匚 dripoilioviNSOflC*CI!Xg!lCn?Pianty99.4用99. 9?94-07yyKnlio26 一恥9.752.7630.417CompoeiiiniiKRrSrCj3. MUOll.BOit丽FkCLpurily99. lJ菊99,99999.9SKalio0 CW50.0710.0071 6452. 3试验步骤实验的目次是为了在一定的压力和转速下测出泵的容积效率，并绘出进出
11、口 的流量特性曲线。通常泵的容积效率被用来描述一个泵的性能。其定义如下：耳二 Q x 100% (式 1)v Q0上式中：耳容积效率，%；vQ单位时间内泵的实际流量，L/min；Q单位时间内泵的理论流量，L/min；0系统的压力可由节流阀来调节，通过改变节流口的面积来改变泵的输出压 力，负载压力应该逐渐从0 MPa变化到14 MPa。3结果与讨论3. 1结果通过观察流量计得出，实际的流量在一个很小的范围内波动。求出观测数据 的平均值作为最好的实验结果。在3种不同的转速下(1000 r/min， 750 r/min， 500 r/min)，液压泵的容积效率随着压力而发生变化。如图3所示，实际的流
12、量 Q也随着压力的变化而发生变化，如图4所示。图3相对于系统压力的效率曲线41L直-SCOr/niin1q.S-9-lOOOr/minnV4433221ILJgJsl9丹$MP图4相对于系统压力的流量典线3. 2讨论柱塞泵的容积效率随着压力的升高而降低，最终稳定在82%到85%之间。最终，通过等式2得出，在相同的条件下，通过其间隙的泄漏是采用一般油作为 工作介质的40倍。这是因为水（或海水）的粘度是的粘度的五十分之一。泄漏 使得水液压柱塞泵的容积效率迅速下降。因此，在设计海水液压泵的过程中，提 高泵的容积效率也是应该着重考虑的一个问题。q 二兀曲 AP （式 2）12Lpu上式中，q 泄漏流量
13、；5 间隙的厚度；p流体的密度；u流体的动力粘度；AP压力差；L 间隙的长度；d直径。例如，当柱塞与缸孔之间的间隙540 um时，如果要在采用油的柱塞泵中 获得相同流量的情况下，在从柱塞与缸孔之间的泄漏将会减少70%。这将会导致 接触面变得粗糙，磨擦加剧和严重的机械磨损。同时，它将使得间隙中的流速变 高，导致接触面间所谓的“拉伤”显然，这并不是实际中的情况。图4说明了这种泵的吸入性能相当好，甚至能在入口压力0.04MPa的真空下工作。如果泵的转速从 1000r/min 降低到 750r/min 时，能在入口压力 0.05 到0.055MPa 的真空下工作。4.应用经过多次令人满意的测试后，华中
14、科技大学所设计的海水液压柱塞泵成功地 用于深海救援的潜艇上。在水液压技术中，已经有许多引人注目的项目正在被实验和实施。以下提到 的应用清淅地为我们展示了水液压技术现在不仅局限于在实验室进行试验。4.1 海洋开发工程当海水液压技术被用于深海的设备中时，动力源和泵被放置在深海中，而只 需要海洋表面为其提供动力。如果液压系统需要远程控制时，此时不再需要昂贵 液压介质通过回路返回到油箱中，这种经济上的利益是显而易见的。4.2 冶金工业和采矿业在高温和采矿的设备中，介质的抗燃性是极其重要的。在治金工业（转换炉、 熔炉和铝生产线等）、塑料厂、核电厂和火电厂等企业中，采用水液压介质代替 传统的抗燃性液压油，
15、不仅可以避免火灾的风险，而且降低了成本对环境的污染。4.3 切纸机械一个新发明就是在切纸机中采用水切割。这种机器切出的又快又平整。而传 统的机器采用金属刀具切割，而由于这种机构操作并不可靠，人们对水切割倾注 了更多的兴趣。换句话说，金属切割中的刀具损耗大使得其需要经常更换刀具， 最理想的方式就是用水切割。芬兰已经设计出压力为 80MPa 的水液压系统，这 种机构已经可以能够在市场上买得到了。4.4 垃圾打包车上的应用在瑞典，水液压技术有一个非常有趣的应用就是在垃圾处理车在采用了水液 压系统。垃圾处理车是每天都在采用的工具，其液压系统温度与外界温度-10C 40C相同。因此，水中加入35%的丙烯乙二醇抗冻。这种介质对人类和环境都无 害。5 华中科技大学更进一步的研究5.1 泵（马达）目前，华中科技大学正在开发一种新型的中低压力的轴向柱塞泵，在这种泵 轴的同轴的圆周上，其柱塞数目都是 4 的倍数（通常为 8、12、16、20 和 24）。 阀配流机构由内部的配流盘和柱塞组成，配流机构随着的斜盘的转动就像一个三 通阀。这种泵同时可以
