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重新崛起的现代水压传动技术

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引言在液压传动技术的发展进程中，水作为动力传递、交换和控制的媒体曾起着非常重要的作用。在17世纪末及随后的100多年里，液压传动的介质一直是水。在20世纪初期，石油工业的兴起和耐油合成橡胶的出现促进了液压传动技术由初始的水压传动进入占本世纪大部分时间的现有油压传动，矿物型液压油也以良好的综合理化性能取代了水而成为最主要的工作介质，液压元件和系统的性能也因此得以大大提高，从而极大地推动了液压传动技术的进步。但用矿物型液压油作为液压传动介质存在着严重的环境污染和易燃烧问题，这也是世界各国现代经济发展和人类生存环境所不允许的。而水本身所固有的清洁性和阻燃性正好满足了现代社会对工业工程提出的安全、环境友好的要求，这也是最近20年来水压传动技术持续复苏的根本动力。加之新型材料的发展、精密加工技术的进步和新结构液压元件研制的成功，基本克服了初始存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点，使液压传动技术进入了现代水压传动的研究和应用范畴。 "水压传动"的定义中文"水压传动"来源于英文"WATER HYDRAULICS"的翻译意义，在我国最早由程祥元先生在1989年作为液压传动的一个分支明确提了出来，虽然在此之前曾有"高水基液压传动"的说法。但"水压传动"中的"水"字究竟是什么含义呢？英国流体动力协会（BFPA）水压传动委员会定义为："含水量高且粘度小于5cSt.的液水"（原文是"fluids having a high water content and a viscosity of less than 5 centistokes"）。这就是说"水压传动"中的"水"还包含加了某些填加剂的水基液。也有许多人认为真正的水压传动介质只应该是纯粹的水（PURE WATER）（简称"纯水"，不是饮料行业的"纯净水"），即不含任何填加剂的水。含有填加剂的水基液属于难燃介质，具有良好的安全性，但其环境相容性还不够。水基液中的填加剂对生物通常是有害的，即使无害，液体中不含水的物质会成为微生物生长的培养基。而且水基液的储存、维护与监测及其废液也是值得注意的问题。如果要求液压介质对环境没有任何负面影响，不会存在任何火灾危险，完全有利于操作人员的身体健康，我们发现只有一种液体：纯水。这正是浙江大学提出"纯水液压传动"的理由。从近年来国内外液压界公开发表的论文和举行的国际学术会议来看，学术界的专家和教授均倾向于水压传动的介质是指不含任何填加剂的纯水。 "水压传动"中的"水介质"究竟是指纯水或者是指包含水基液在内的水？最终的结论将由用户来决定。如果环境要求非常严格，那么纯水将是唯一的选择。此时，纯水液压元件的选择比水基液元件要苛刻得多，纯水液压元件和系统的可可靠性极大地依赖于设计中所采用的新型材料在实际中的合理应用。应用水介质的优越性 ·环境友好矿物型液压油对环境的污染是液压行业众所周知的严重问题。1L矿物油可使100万L水受到污染；泄漏的油液可使周围的植物和动物死亡，使工作场所的地面打滑，空气中充满异味，工作环境变得恶劣。而纯水对环境没有任何危害，水基液的环境相容性比液压油也要好得多。此外，水的压缩系数和热膨胀系数分别仅为液压油的25％和50％，而比热和导热系数分别为液压油的2倍和4-5倍，所以系统的刚度大、温升低，能提高系统动态性能。水的粘度低，系统的能量损失小，所以传递效率高。 ·购买和使用成本低地球上很少有物质象一样丰富和实用，且随地可取，它不存在液压油的冶炼提纯、运输仓储、废液处理等问题。特别是废液的处理费用很高，通常处理费用与购买成本相近。因此，使用纯水作为液压介质成本仅为液压油的近1/5000，特别是在大型和特大型的液压系统中可节省大量的矿物油，经济效益相当可观。 ·可避免或减少产品污染产品污染是许多生产行业格外关注的事情。泄漏的油液会使纺织制品、木质胶合板受到玷污，也会使纸张变色，药品变质和食品变味。但如果纯水渗进产品中，害处要相对小得多或者没有害处。水介质带来的问题水介质所具有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，也给该项技术的研究带来了困难。 ·密封与润滑水的粘度大约只有矿物型液压油的1/40-1/50，故若在同等压力下，通过相同密封缝隙的泄漏流量将是油介质的30倍以上，这将大大降低系统的容积效率。由于水的粘度低，润滑性很差，磨擦副在偶面上难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易产生干磨擦。水润滑时，动压轴承的润滑膜厚度只有油介质的1/50，静压轴承的润滑膜厚度则小于1/3，而滚动轴承中根本就很难形成弹性流体润滑膜。 ·磨损由于在水中润滑困难，磨擦副的固体表面常处于直接接触状态，很快便会受到磨损，同时，水的腐蚀作用也会大大加速磨损的进程和加剧磨损的破坏程度。加之介质中的微细污染物和内部残留磨屑的侵入，甚至导致三相磨损，使得水压元件的寿命缩短，系统发生故障。 ·腐蚀水的导电性比矿物型液压油高数亿甚至数百亿倍，它能引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和大多数高分子材料的化学老化，使液压元件的材料受到破坏。即使应用陶瓷材料作为金属零件的表面涂层，也有可能引起涂层或粘结层中特定相的选择性析出及基体界面的缝隙腐蚀。 ·气蚀水的汽化压力是液压油的近千万倍，特别容易诱发水的汽化，导致气蚀，剥蚀零件表面材料，破坏过流的固体表面和密封件。气蚀还会使系统的流量发生变化，产生压力波动、振动和噪声。所以，为了解决这些问题，需要应用新材料如精细陶瓷、增强塑料及新的表面处理方法来提高元件的耐磨、抗蚀能力，优化减小或避免泄漏、磨损、腐蚀和气蚀等的影响，并采用先进制造技术，保证加工精度和质量。研究与应用进展针对水介质的物理特性所带来的问题，水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。（图片）应用水基液的水压传动技术在西方工业发达国家已经是一门比较成熟的技术，已经广泛应用在采矿、冶金等行业。应用纯水的纯水液压传动技术则始于本世纪80年代初，现有美国、英国、日本、芬兰、丹麦和德国等国家一直在投入巨大的人力、物力和财力和进行研究和开发，已经取得了重大进展。目前，我国的纯水液压技术研究也已起步，浙江大学和华中理工大学已经开展了这项技术的研究工作。值得一提的是，世界上已经有好几家液压公司专门制造用于纯水的水压元件和系统，还有更多的厂家仅生产用于纯水的水压元件，但不能供应整个系统。世界市场上纯水液压元件的压力等级主要有10MPa、14 MPa、21 MPa、32 MPa和40 MPa等5种，流量规格可从几升到几百升甚至数千升。芬兰的Hytar水压公司研制的纯水液压系统压力甚至可到80 MPa。此外，响应频率分别为12-15Hz、30Hz、125Hz的纯水比例方向阀、陶瓷滑阀和伺服阀已经研制成功。现在纯水比例或伺服控制系统已经应用在焊接机械人、锻压成型压力机和轧钢生产线上。目前纯水液压传动已经进入了实际应用的第一阶段，而且还将在工业生产中得到广泛应用（如图2）。（图片）纯水液压传动的第一阶段应用领域主要包括以下特殊应用领域： ·喷雾、消防灭火、货物的装卸 ·原子反应堆的冷却 ·船、舶、飞机的高压清洗 ·食品加工行业纯水液压传动应用的第二阶段主要是食品加工行业，例如面包机、搅拌发酵机、肉联加工厂的切割系统等。在第三阶段，纯水液压传动的应用领域将扩展到工程机械占主要份额，同时通用机械上也将采用纯水液压传动。水压传动技术的发展对环境主题与日俱增的关注已经导致人们重新对现代水压传动产生了浓厚的兴趣。特别是纯水固有的安全性和清洁性使得我们不用为废油处理、清洗、燃烧和工人的安全而担心。同时，纯水液压传动的性能特征已经在世界工业领域起着日益扩大的作用。它已经成为液压领域新的重要发展方向之一。Backe教授预计纯水液压传动在今后将占整个世界液压行业的10％。丹麦工业大学认为纯水液压和油压传动今后将向如图3的趋势发展。（图片）我国积极开展水压传动技术特别是纯水液压传动技术的研究与开发，将对节约能源、保护环境以及推动纯水液压技术的应用，开发具有自主知识产权的绿色液压产品，都具有十分重大的意义。纯水液压传动技术的研究和应用将给我国经济建设带来巨大的经济效益和社会效益，可以预测它将在下列工业部门得以迅速利用和推广。 ·食品、医药、电子、造纸、包装等要求无污染的工业部门。 ·冶金、玻璃工业、原子能动力厂、化工生产、采煤、消防等安全性高的环境。 ·水下作业工具及机械手。 ·潜器的浮力调节，以及舰艇、海洋钻井平台和石油机械的液压传动。 ·海水淡化处理及盐业生产。 3/13/2005


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