水液压技术的发展

寒烟凝翠

水液压技术的发展

张晓丽

摘要：随着一些生产领域对安全生产、环境保护、无污染等要求越来越高，以天然淡水或海水为工作介质的水液压传动技术重新引起人们的关注，并成为本学科领域十分重要的发展方向。本文总结了纯水液压传动的研究现状和研究方法，并对水液压的研究将面临的关键技术难题做了分析。

关键词：水液压；现状；研究方法；技术难题

0 前言

液压传动是以液体作为工作介质，进行能量转换、传递和控制的一种传动方式。在液压技术发展初期，水曾经作为液压系统的传动介质。但是由于水对管道和设备有腐蚀作用，而且水在高温下容易汽化，对温度有限制和润滑性能比较差等缺点，后来逐渐被矿物质油所替代。随着社会进步和科学技术发展，节约能源和资源、生态友好的绿色制造技术已成为现代机械工程的首要目标。常用的矿物性液压油会引起严重的环境污染和火灾危险，影响了人们的正常学习和生活，西方各国也制定了相关的法律、法规，以利于经济的持续发展。这使得人们在研究干净的低成本的矿物质型液压油替代品的过程中，激起了对水液压技术的研究兴趣，并迅速成为国际液压界普遍关注的热点。

1 水液压技术的研究现状

水液压技术是使用过滤后的淡水或海水替代矿物油作为工作介质的绿色液压技术，是当今国际流体动力领域的前沿热点研究方向之一。近年来，随着工程材料、摩擦学、润滑理论、计算机技术、先进制造等相关学科的发展，水液压技术的一些技术难点得到突破，绿色无污染的水液压技术重新受到人们的关注。

1.1国外研究慨况

2010年波兰福罗茨瓦夫工业大学研制了齿轮和外齿圈均采用工程塑料的摆线转子齿轮泵，该泵在采用液压油作为工作介质时，工作压力为5MPa，容积效率超过70%。由于关键摩擦副采用工程塑料配对，该结构为水液压齿轮泵提供了新的设计思路。

2011年，日本KYB公司开发了水液压比例阀，通过压差传感器检测阀芯位移以实现阀芯位置的PI控制。此阀额定压力14MPa，压力调定范围3.5~14MPa，额定流量20L/min，通过调节PI控制的比例系数、积分系数及阀芯缓冲阻尼，可以使阀的频响达到20Hz。

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液压阀。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136L/min。德国Hauhinco公司研制的先导控制式水液压比例阀压力可达40MPa以上。

1.2国内研究概况

华中科技大学于1996年研制出国内首台压力6.3MPa、流量100L/min的水液压阀配流轴向柱塞泵。在已有研究基础上，面向4500m以下的大深度潜器浮力调节系统的工作需求，华中科技大学于2010年开展工作压力超过45MPa的超高压海水柱塞泵研究，针对超高压工况下斜盘/滑靴摩擦副的摩擦磨损特性、柱塞副的密封泄露特性等做了基础理论分析。

浙江大学近年来针对水液元件关键共性问题开展了大量基础研究，于2011年开展了额定压力14MPa、流量等级100L/min的数字式水液压比例溢流阀的研制。同时开展了额定压力14MPa、排量30mL/r、额定转速3000rpm的低噪音水液压内啮合齿轮泵的研制，实验分析了关键摩擦副在水润滑条件下的摩擦磨损特性，研究了少齿差内啮合齿轮副参数化建模及齿轮副参数对泵流体输运特性的影响。目前，该泵正处于样机试制阶段。

2 水液压技术的研究方法

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，避免了因重复试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行深入了解，从而达到优化系统、优化元件、优化参数的目的。

3 水液压技术面临的技术难题

与矿物油相比，水具有粘度低、汽化压力高、腐蚀性强等特点，水液压技术的研究将面临下列关键技术难题。

3.1腐蚀问题

由于水（特别是海水）有较强的腐蚀性，同时海水又是一种强电解质，因此材料本身不仅要有较强的耐腐蚀性能，而且不同材料组合使用时要有较好的防电偶腐蚀能力。当腐蚀与磨损同时存在时，它们互相促进，使零件加速失效。

3.2气蚀问题

气蚀分为气体气蚀和汽化气蚀两种。纯水的饱和气化压力比矿物基液压油高千倍，且随着温度的升高，气化压力上升很快，这就意味着纯水极易气化和沸腾。随着压力的升高，水中的杂质加氯化物等会使材料表面发生复杂的物理化学反应，泵、阀等液压元件极易产生气蚀现象。

3.3润滑性差

纯水产生的润滑膜厚度只有矿物基液压油的1/3~1/20，摩擦副无法实现液体润滑，高压室极易造成相对运动表面的直接接触，使磨损加剧，泵的寿命缩短。

3.4运行温度范围窄

纯水的运行温度范围是3~50℃，比液压油要窄很多。

3.5压力冲击、振动和噪声

水的密度比油大10%，弹性模量比油大50%，使得水的压力冲击比矿物油大，易产生水锤现象。加上水的粘度低，粘性阻尼小以及气蚀的作用，使得水液压系统中的振动、噪音问题十分突出，必须在结构上进行合理设计，使流体在流场中形成合适的压力和流速变化规律，以减少压力冲击。

4       总结

由于水液压技术本身所具有的无污染和阻燃性等优点，以及新材料的性能不断提高、制造技术的日益完善，它已经成为液压领域新的重要发展方向之一。在此项技术的研究上，虽然西方国家在某些方面取得了突破性的进展，并已逐渐成功地应用于一些实际系统中，但总体而言水液压元件的品种少，价格昂贵，其总体性能和油压元件相比还有一定的差距。我国在这方面的研究也已经开始起步，通过努力，还是有可能缩小与西方国家的技术差距。而且这将对我国节约能源、保护环境以及推动水液压技术的应用、开发具有自主知识产权的产品，都具有十分重大的意义。

参考文献：

[1] 杨华勇,周华.水液压技术研究新进展[J]. 气动与液压，2013，（2）

[2] 周华. 海水液压泵及其基础理论研究[D]. 武汉：华中理工大学，1997.

[3] 李壮云. 液压元件于系统. 北京：机械工业出版社，2011.

能源与动力工程学院   动力工程   122085206005   张晓丽