水介質液壓系統關鍵技術

注：

本文由

佛山興迪

整理自《流體傳動與控制》2010年第4期

，作者王東、周棣。

早期的液壓系統使用水作為傳動介質，只是由於其腐蝕和潤滑的問題，以及工作溫度的限制，在20世紀20年代被礦物油取代，之後，礦物油一直作為大多數液壓系統的工作介質。近年來，由於對液壓系統的安全性、環保性、節能性以及可持續發展的要求不斷增加，用水（含天然淡水或海水）代替礦物油作為液壓系統的工作介質又引起人們的極大關注。

1、水的理化效能

廣義上講，水應是工業用水、自來水以及自然條件下得到的水（如雨水、河川水和海水）的總稱。水液壓技術在某些領域已經應用了多年，但水的理化效能研究卻沒有給予充分重視。原因之一是，這些應用領域（如煤礦、鋼鐵工業）使用的是HFA、HFB、HFC及HFD（高水基合成液）等流體，該流體的新增劑抑制了微生物的生長。當用自來水作為流體傳動介質時，其微生物及有機物組織的存在則不可忽視。水的PH值、氯化物濃度、硬度、微生物含量等對水液壓元件會產生一定的影響。

為此，流體介質為自來水時，其理化效能指標有一定的規定，見表1。

總的來說，水液壓系統的水的質量有3個方面要求，即微生物生長、氯化物和固體粒子。為了對水的質量進行控制，這幾方面的指標要隨時進行測量和調整。

2、水液壓技術的特性

水液壓技術的優點：

(1)無汙染

眾所周知，液壓系統中油的洩漏是其工作環境汙染的主要因素。在21世紀，隨著人們對環境保護的認識不斷增強，純水液壓技術會越來越受到重視。

(2)成本低

天然淡水特別是海水不僅自身的成本非常低，而且，其洩漏處理成本可忽略。

(3)無燃性

在高溫環境中採用無燃性的純水是非常安全的，特別是在海軍潛水艇中的應用更能顯出其價值。

(4)損失小

純水的粘度非常低，大約是礦物型液壓油粘度的1/40~1/50（21℃時水的運動粘度為

0。984x10

-6

m

2

/s

）。在同等壓力下，系統沿程損失和區域性損失約為油的1/2。

(5)響應快

由於水的可壓縮性比油小得多，其動態效能要優於液壓油。因此，採用純水作為工作介質可以使液壓伺服系統的執行機構實現更準確定位。

水液壓技術的缺點：

（1）潤滑效能差純水的潤滑效能很差。磨擦副對偶面（如軸向柱塞泵中的滑靴與斜盤、缸體與配流盤、柱塞與缸體等）難以形成液體潤滑膜，也不能形成良好強度的邊界膜，因此，很容易產生幹磨擦，加劇液壓元件的磨損速度，引發失效。

（2）腐蝕性強水特別是海水的腐蝕性強海水中包含了大量的有機物、微生物、金屬和非金屬離子，含鹽率3。2%~3。75%，氯離子量大，海水是天然的電解質。

（3）氣蝕嚴重水的汽化壓力高。20℃時約為0。0023 MPa，50℃時約為0。012 MPa，80℃時約為0。05MPa，這比普通液壓油高數千倍，特別容易產生氣蝕。氣蝕造成元件表面金屬剝落、粗糙，元件的工作壽命下降。

（4）防洩漏性差由於水的粘度比油小得多，因此，在同等壓力下，透過相同密封縫隙的洩漏流量比油要大得多，約為20倍左右。這將使泵的容積效率大大降低。

3、關鍵技術的研究

3.1潤滑磨損問題

一種方式是，元件的軸承部分用油來潤滑，透過密封件與高壓純水分開，純水僅作為能量和控制訊號雖然進行傳遞。如日本研製的超高壓海水液壓泵（DSRP），其所有迴轉軸承均使用滾動軸承，利用油水分離結構，軸承用油來潤滑。該泵磨擦損失小，起動轉矩小，轉速高，容易實現小型化。但僅適用於輸出壓力較低（一般為10 MPa以下）的情況，因為在高壓狀態下，密封件磨損較快，密封效果變差，易引起油水串通。

另一種方式是，水參與潤滑。這時，軸承及磨擦副的材料選取十分重要，目前考慮的材料有工程塑膠、陶瓷材料、高分子材料等。

3.2洩漏問題

液壓元件中大部分的運動副採用間隙配合方式，其縫隙量對洩漏量影響極大。據測算，在相同的條件下，因粘度不同，水壓傳動元件的洩漏量將是油壓傳動元件的洩漏量的20倍以上。目前有研究結果表明，在水壓傳動元件中用組合密封形式（橡塑組合滑環密封）是較為理想的防洩漏手段。

3.3抗氣蝕問題

由於水的汽化壓力高，加之水中含有2%左右的空氣，特別容易誘發汽化，導致氣蝕現象。據統計，在維修的泵中，10%的泵是因為氣蝕而損壞。對於水液壓泵，容易發生氣蝕的部位是配流盤吸壓視窗的交界處以及泵的吸入口。有關水液壓元件氣蝕的研究結果表明，氣蝕初生時，泵的入口流動由單相流變為氣液兩相流，所引起的氣蝕初生雲會產生自激壓力振盪，具有低頻特性，透過對出口壓力脈動訊號分析可以判別海水液壓泵的氣蝕初生現象。另外，在閥式水柱塞泵中，選用截止式閥閥作為配流閥也可減輕因氣蝕導致的損壞。

水液壓系統有其特殊的結構，其數學建模和計算機模擬研究明顯不同於液壓系統，有關這方面的理論工作也成為其關鍵問題之一。

隨著人們對水液壓技術的不斷認識和科技的發展，水液壓技術的關鍵問題進一步得以解決。