（机械电子工程专业论文）基于水介质外啮合齿轮泵的理论研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y r e s e a r c ho nt h e o r yo fw a t e r b a s e dm e d i u mw i t he x t e m a lg e a rp u m p c a n d i d a t e ： w a n g l e i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n g c h u a n l i m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 一独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：昱盈 日期：逊坠年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：曼j 兹签字日期：阻年6 恩如 导师签名：习劈棚 签字日期脔年历皂广日 摘要 捅芰 纯水液压传动技术因具有安全性高、压缩系数小、使用和维修成本低、节约 能源等特点，在食品、制药、电子、生物工程、海洋开采等领域有着广泛的使用 前景和研究价值。随着石油枯竭所带来的能源危机和人们对环境保护的日益重视， 以及精密加工技术、新型材料等相关学科的发展，水压技术已成为国内外液压界 的前沿课题之一。液压泵是整个液压系统的核心部分，而齿轮泵的结构和工艺简 单，应用广泛。因此本文在考虑纯水特殊理化性能基础上，设计出使用寿命长、 工作可靠、性能优良的水压齿轮泵有一定的理论意义和实用价值。 本文在分析和总结国内外大量文献的基础上，首次将纯水液压技术应用于齿 轮泵，并对其结构和性能进行了较深入、系统的研究。针对纯水齿轮泵的流量脉 动高、容积效率低、径向力不平衡以及困油问题，进行了较系统地分析与研究， 导出水压齿轮泵最佳轴向间隙和径向间隙表达式，为水压齿轮泵的结构设计和数 字仿真模拟奠定了理论基础。 考虑到纯水介质的特性理化性能，本文在油压齿轮泵结构设计基础上，提出 了纯水外啮合齿轮泵的整体结构方案，并对其总体和各关键部件进行了优化设计、 理论分析和仿真研究。最后分别以矿物油和纯水为工作介质对齿轮泵进行了内部 流场仿真，得出水压齿轮泵的内部压力和速度分布规律，研究成果为纯水液压技 术在齿轮泵上的应用，提供有益的指导和借鉴。 图 2 7 】表【7 】参 6 7 关键词：纯水；齿轮泵；流量脉动；优化设计；有限元分析；流场仿真 分类号：t d 3 5 5t d 2 11 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n d r e s e a r c hv a l u ei nf o o d ，p h a r m a c e u t i c a l ，e l e c t r o n i c s ，b i o l o g i c a le n g i n e e r i n g ，o c e a n m i n i n ga n do t h e rf i e l d sf o ri t sh i g hs a f e t y , c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t ，u s ea n dr e p a i ro f l o wc o s t ，e n e r g ye t c w i mt h ee n e r g yc r i s i sc a u s e db yt h eo i ld e p l e t i o n ，p e o p l e s i n c r e a s i n ge m p h a s i so ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，p r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n d n e wm a t e r i a l sd e v e l o p i n g ，h y d r a u l i ct e c h n o l o g yh a sb e c o m eaf r o n t i e rt o p i ci n h y d r a u l i ca th o m ea n da b r o a d h y d r a u l i cp u m pi st h ec o r ep a r to ft h ew h o l eh y d r a u l i c s y s t e m ，w h i l et h eg e a rp u m pi sw i d e l yu s e dw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dp r o c e s s t h i s p a p e rb a s e do nc o n s i d e r i n gt h es p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r d e s i g n e dt h ew a t e rh y d r a u l i cg e a rp u m pw h i c h w a sl o n gs e r v i c el i f e ，r e l i a b l e o p e r a t i o na n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rp u tt h ew a t e rh y d r a u l i ct e c h n o l o g yi nt h eg e a rp u m pi nt h eb a s i so ft h e a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ef o rt h ef i r s tt i m ea n d d e e p l ys t u d i e di t ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s i th a dd o n et h es y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i sa n d r e s e a r c hi nt h el i g h to fp u r ew a t e rh y d r a u l i cg e a rp u m pf l o wp u l s a t i o n ，l o wv o l u m e e f f i c i e n c y , u n b a l a n c e dr a d i a lf o r c ea n dt r a p p e do i l ，a n dd e d u c e dt h eh y d r a u l i cg e a r p u m po p t i m a la x i a lc l e a r a n c e ，r a d i a lc l e a r a n c ee x p r e s s i o n e sw h i c hl a i dt h eo r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r t h es t r u c t u r ed e s i g na n dd i g i t a ls i m u l a t i o no fh y d r a u l i cg e a rp u m p c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e r m e d i u m ，t h i sp a p ep r o p o s e dt h ew a t e re x t e m a lm e s h i n gg e a rp u m po v e r a l ls t r u c t u r e s c h e m eo nt h e b a s i so ft h eh y d r a u l i cs t r u c t u r ed e s i g no fg e a rp u m pa n dd i d o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rt h ew h o l ea n dt h e k e yc o m p o n e n t s f i n a l l y , t h ep a p e rr e s p e c t i v e l yp u tt h em i n e r a lo i la n dw a t e ra st h e w o r k i n gm e d i u mt oc o n d u c tt h ei n t e m a lf l o wf i e l ds i m u l a t i o n o fg e a rp u m p ，a n dg o tt h e i n t e r n a lp r e s s u r ea n dl a wo fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fh y d r a u l i cg e a rp u m p t h er e s e a r c h 1 1 i 安徽理工大学硕士学位论文 f i n d i n g sp r o v i d eau s e f u lg u i d ea n dr e f e r e n c ew h e nt h ew a t e rh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yw a su s e di nt h eg e a rp u m p f i g u r e 【2 7 t a b l e 7 r e f e r e n c e 6 7 k e y w o r d s ：p u r ew a t e r ；g e a rp u m p ；p u l s a t i o no ft h ef l o wr a t e ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；f l o wf i e l ds i m u l a t i o n c l a s s i f i e dn u m b e r ：t d 3 5 5t d 2 1 1 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目 录一v c o n t e n t s v i i i 引言l 1 绪论3 1 1 研究水压技术的意义一3 1 2 水压传动技术及其发展一3 1 3 水压传动技术的主要特点一4 1 4 水压齿轮泵的主要技术难点6 1 5 齿轮泵的研究现状及发展趋势7 1 5 1 齿轮泵的研究现状7 1 5 2 齿轮泵的发展趋势一1 0 1 6 课题来源及主要研究内容11 1 7 本章小结1 2 2 外啮合齿轮泵的机理与特性研究1 3 2 1 外啮合齿轮泵的工作原理1 3 2 2 齿轮泵流量的计算1 4 2 2 1 瞬时流量1 4 2 2 2 瞬时流量的品质分析l8 2 3 齿轮泵泄漏现象的研究一1 9 2 3 1 齿轮泵的泄漏1 9 2 3 2 确定齿轮泵的最佳间隙2 2 2 4 齿轮泵径向力的计算2 4 2 4 1 径向力的计算2 4 2 4 2 减小径向力的途径2 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 5 困油现象及卸荷槽的设计3 0 2 5 1 困油现象3 0 2 5 2 解决困油现象的措施3 0 2 6 本章小结3 2 3 纯水外啮合齿轮泵的结构设计与有限元分析3 3 3 1 设计要求3 3 3 2 结构形式的确定3 3 3 2 1 确定齿轮泵结构形式3 4 3 2 2 确定齿轮和轴结构形式3 4 3 2 3 轴承的选择3 4 3 2 4 液压径向力的结构分析3 5 3 2 5 端面间隙自动补偿结构分析3 6 3 3 水压齿轮泵材料的选择3 7 3 4 主要尺寸的计算3 7 3 4 1 确定齿轮的主要尺寸3 7 3 4 2 确定齿轮的其它参数4 0 3 4 3 确定电动机的类型和工作转速4 1 3 4 4 卸荷槽尺寸的计算4 1 3 5 齿轮泵的校核4 2 3 5 1 从动齿轮轴的校核4 2 3 5 2 滑动轴承的校核4 5 3 6 齿轮泵的优化设计4 6 3 6 1 确定目标函数和设计变量4 6 3 6 2 建立约束条件4 7 3 6 3 结果与分析5 0 3 7 泵的有限元分析5 1 3 8 本章小结5 3 4 水压齿轮泵的流场仿真5 5 4 1 基本控制方程5 5 目录 4 2 几何建模和网格化分一一5 7 4 3 仿真结果与分析5 8 4 4 优化吸水口尺寸6 3 4 5 本章小结6 3 5 总结与展望一6 5 5 1 总结6 5 5 2展望6 6 参考文献6 7 致谢7 1 作者简介及读研期间主要科研成果7 3 安徽理工大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i i n t r o d u c t i o n 1 1 p r e p a c e 。，。3 1 1 s t u d y t h em e a n i n go f h y d r a u l i ct e c h n o l o g y 3 1 2 h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n t 一3 1 3t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 4 1 41 1 1 em a i nt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so ft h eh y d r a u l i cg e a rp u m p 6 1 5r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do f t h eg e a rp u m p 7 1 5 1r e s e a r c hs t a t u so f t h eg e a rp u m p 7 1 5 2 d e v e l o p m e n tt r e n do f t h eg e a rp u m p 一1 0 1 6 t o p i cs o u r c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t 1l 1 7c o n c l u s i o n s 1 2 2r e a s e a r c ht h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h em e s h i n gg e a rp u m p 1 3 2 1 w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ee x t e r n a lg e a rp u m p 1 3 2 2g e a rp u m pf l o wc a l c u l a t i o n 1 4 2 2 1t r a n s i e n tf l o w 1 4 2 2 2t r a n s i e n tf l o wq u a l i t ya n a l y s i s 18 2 3r e s e a r c ht h eg e a rp u m pl e a kp h e n o m e n o n 19 2 3 1g e a rp u m pl e a k a g e 1 9 2 3 2d e t e r m i n et h eb e s tg e a rp u m pc l e a r a n c e 2 2 2 4c o m p u t er a d i a lf o r c eo f t h eg e a rp u m p 。2 4 2 4 】【r a d i a lf o r c ec a l c u l a t i o n 2 4 2 4 2r e d u c er a d i a lf o r c ea p p r o a c h 2 9 2 5 t r a p p e do i lp h e n o m e n o na n du n l o a d i n gs l o td e s i g n 3 0 2 5 1 t r a p p e do i lp h e n o m e n o n 3 0 2 5 2s o l v et r a p p e do i lp h e n o m e n o nm e a s u r e s 3 0 2 6c o n c l u s i o n s 3 2 v i l l 目 录 3 s t r u c t u r a ld e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ew a t e re x t e r n a lg e a rp u m p 3 3 3 1 d e s i g nr e q u i r e m e n t s 3 3 3 2d e t e r m i n a t i o no f t h es t r u c t i l r ef o r m 3 3 3 2 1d e t e r m i n et h es t r u c t u r eo f t h eg e a rp u m pf o r m 3 4 3 2 2d e t e r m i n et h es t r u c t u r eo f t h eg e aa n ds h a f t 3 4 3 2 3 b e a r i n gc h o i c e 3 4 3 2 4 h y d r a u l i cr a d i a lf o r c es t r u c t u r ea n a l y s i s 3 5 3 2 5e n dc l e a r a n c es e l f - c o m p e n s a t i o ns t r u c t u r ea n a l y s i s 3 6 3 3c h o o s em a t e r i a l so f t h eh y d r a u l i cg e a r p u m p 3 7 3 4m a i nd i m e n s i o n sc a l c u l a t i o n 3 7 3 4 1d e t e r m i n et h em a i nd i m e n s i o n so f t h eg e a r 3 7 3 4 2d e t e r m i n eo t h e rp a r a m e t e r so f g e a r 4 0 3 4 3d e t e r m i n et h et y p eo f m o t o rs p e e da n dr o t a t i n gs p e e d 4 1 3 4 4 u n l o a d i n gs l o ts i z ec a l c u l a t i o n 4 1 3 5p e a rp u m pi n t e n s i t yc h e c k i n g 4 2 3 5 1d r i v e ng e a rs h a f to f c h e c k i n g 4 2 3 5 2 s l i d i n gb e a r i n go f c h e c k i n g 4 5 3 6 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f g e a rp u m p 4 6 3 6 1d e t e r m i n et h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dd e s i g nv a r i a b l e s 4 6 3 6 2 b u i l dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s 4 7 3 6 3r e s u l t sa n da n a l y s i s 5 0 ：；7f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ep u m p 5 1 ：；8c o n c l u s i o n s 5 3 4t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o no f t h eh y d r a u l i cg e a rp u m p 5 5 4 1b a s i cc o n t r o le q u a t i o n 5 5 4 2g e o m e t r i cm o d e l i n ga n dg r i dp l a n n i n g 5 7 4 3s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 5 8 4 4 o p t i m i z a t i o ni n l e ts i z e 6 3 4 5c o n c l u s i o n s 6 3 一i x 安徽理工大学硕士学位论文 5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 6 5 5 1c o n c l u s i o n s 6 5 5 2 p r o s p e c t s 6 6 r e f e ：r a c e 6 7 c o m p l i m e n t 7 1 a u t h o ri n t r o d u c ea n ds t u d i e st h em a s t e r sd e g r e ep e r i o dp u b l i c a t i o nt h ep a p e r 7 3 x 引言 己l 宝 ji口 纯水液压技术是直接以天然水( 海水或自来水) 取代传统矿物油作为系统工 作介质的液压传动技术，与以往的油压技术相比，具有节约能源、系统简单、阻 燃性能好、无污染、维护方便、性能稳定和来源广泛等诸多优点。但由于纯水本 身所具有腐蚀性强、粘度低、润滑性差等缺点，使水压元件存在泄露、磨损、腐 蚀、气蚀等难题。近年来，随着精密加工技术、润滑理论与密封技术、摩擦学等 相关学科的发展，更加速了纯水技术的发展进程。目前，纯水液压技术已经广泛 应用于医药、纺织、生物工程、电子、医疗机械等众多领域，且在矿井、船舶等 工业部门中取代具有安全隐患和污染严重的传统油压技术。另外，纯水液压技术 在海洋开发和消防等领域也有广阔的应用前景。特别是近年来与微电子技术、传 感技术、计算机技术密切结合，逐步发展成为包括检测、传动、控制在内的- - i 7 完整的自动化技术。目前，高压、大功率、高效节能、可靠优质、高度集成成为 液压技术发展的趋势。 纯水外啮合齿轮泵是整个液压系统的动力源，其结构设计是关键所在。纯水 与传统矿物油的理化性能差别比较大，如果采用常规的油压理论设计方法设计纯 水齿轮泵，必将带来设计、制造等一系列技术难题。因此，在对纯水外啮合齿轮 泵进结构设计时，需考虑到纯水介质的特殊理化性能和齿轮泵在工作过程中所面 临的困油现象、径向力不平衡、泄露等问题，从选择新型材料、提高加工精度、 新的密封结构等方面保证纯水外啮合齿轮泵具有良好的工作性能。同时结合计算 机软件对纯水齿轮泵进行流场仿真研究和结构参数优化：通过f l u e n t 流场仿真 技术，可观察泵体内各处的压力、流速变化情况，了解泵体内最大和最小压力分 布和易产生气蚀的部位，可采用优化结构尺寸、合理选用泵的结构参数来调整泵 体内压力分布；利用m a t l a b 和a n s y s 软件，对齿轮泵结构参数和主要部件进 行了优化和有限元分析，研究结果为纯水外啮合齿轮泵的理论分析和仿真数值模 拟奠定了理论依据，促进纯水液压系统的实用化进程。 安徽理工大学硕士学位论文 一2 一 第1 章绪论 1绪论 1 1 研究水压技术的意义 纯水液压传动技术是以自来水、天然淡水代替乳化液、矿物油作为液压系统 工作介质的一门“新技术”。所谓“新技术 是相对当前使用较为广泛的油压传动 技术而言【l 】。由于纯水具有安全、清洁、经济性好、方便维护与保养、使用后处 理简单和再利用率高等优越性，用其取代乳化液或矿物油不仅可以解决因矿物油 泄露带来的一系列环境污染问题，还可以解决未来石油枯竭所造成的能源危机。 目前，虽然油压系统在海洋作业、食品行业、轻纺化工、石油化工、汽车工业、 航空航天等得到广泛应用。但随着人们生活水平的日益提高，对环保要求也越来 越高，特别是近年来日趋严峻的能源危机，用纯水作为工作介质的新型液压传动 技术符合环保和社会可持续发展的要求。目前，美国、日本、丹麦、芬兰等发达 国家很重视水压技术的研究和开发，且他们的理论研究和技术已取得突破性进展。 鉴于我国水压传动技术目前还处于起步阶段，西方国家又对一些关键技术采取保 密和封锁策略，结合国内所面临的环境和能源现状，积极开展水压技术的研究， 研制出具有自主知识产权的高性能水压产品是十分必要的，也符合我国国情 2 4 1 。 1 2 水压传动技术及其发展 液压传动技术与气压传动技术在各类作业机械、工业自动化、军事装备等诸 多行业中取得了较为广泛的应用。其中，以矿物油或乳化液为工作介质的液压传 动技术因润滑性能好、效率高、在大范围内实现无极调速、响应快等优点而应用 于各种场合；气压传动技术主要应用于功率要求不高的场合。目前，这两种传动 技术已经发展到较高的应用水平，但随着近年来人们对环境保护和能源短缺的重 视，油压传动技术的污染严重、浪费资源和气压传动技术传递效率低和动力小等 缺点日益显露。据资料统计，仅在美国每年就消耗将近几百万吨的矿物油或乳化 液，且回收利用率非常低，仅占百分之几，大部分工作介质流漏到大自然中，污 染环境，影响工作人员的身心健康，甚至造成严重事故。全球每年近数百万桶液 压油就因运输管道破损和泄漏而浪费，严重危害着人类、动植物的生存环境，泄 漏的矿物油遇明火易引起火灾、且回收处理难。世界的资源是有限的，面对日益 严峻的能源危机，人们开始寻找新的工作介质以缓解对液压油的需求和保护日益 污染严重的地球环境【5 。6 j 。 安徽理工大学硕士学位论文 水压传动技术是近年来发展起来的- - i 新技术，其发展与材料学、液体力学、 摩擦学等众多相关学科的发展关系甚大。所谓“新技术”是相对当前污染严重和 应用较为广泛的油压技术而言。水压传动技术不但保持油压传动技术效率高、易 于实现自动化控制、便于维护与维修等特点，还可以解决因矿物油所带来的环境 污染、安全问题和能源危机难题。水压传动技术始于1 8 世纪末期，即世界上第一 台水压机问世时，但此后的一百多年间一直使用水作为工作介质 7 1 。水压传动理 论和技术在冶炼厂、压力成型机等得到广泛应用，但由于水的锈蚀性强、粘度低、 易磨损等因素以及液压元件存在泄漏、气蚀、密封等难题，使得水压传动技术在 9 0 年代前进展很慢。水压传动系统的效率比较低，主要取决以下几方面：1 ) 当 时的精密加工技术不能满足水压元件的加工精度要求；2 ) 水压系统的密封和润滑 机理研究没有突破发进展；3 ) 材料科学发展水平有限，材料的腐蚀性和良好的密 封材料没有得到解决。随着计算机仿真技术、流体理论、高精密加工技术、材料 科学等相关学科的进步与发展，以及人们对水压传动技术基础理论研究深入，为 现代纯水液压传动技术的发展铺平了道路【8 】。 与油( 气) 压技术以及其它液压技术相比，水压传动技术除了具有生产相容 性、安全性高、清洁无污染外，还有经济性、方便维护、易处理、无毒性、有利 于增强全民绿色意识等优点，从而扩大了液压技术的应用范围。但随着水压元件 的深入研究，水压传动技术也遇到细菌污染、水垢形成、金属腐蚀、由于水润滑 性低而造成水压元件摩擦面以及轴承容易烧坏、产生水击、运行温度范围窄等一 系列难题。 目前，水压传动技术需要解决的难题还很多，且研究也具有很强的综合性， 因此在相当长的一段时间内，仍要把水压传动技术的基础理论研究作为重点之一， 要在密封方式、气蚀防止、选择适当材料等方面进行必要的研究，为水压传动技 术的实用做好准备。随着石油资源不断减少，矿物油价格以及回收处理费用不断 增高和人们对生存环境的要求不断提高，可以预测在未来的几十年、上百年里， 水压传动技术是无法取代的，特别是以后海洋开发和核能工业的发展，纯水液压 传动技术将有更广阔和更特殊的应用领域 9 - 1 0 1 。因此，随着对水压传动技术的研 究深入和相关学科的不断发展和完善，水压传动技术必将成液压传动技术发展的 主要趋势。 1 3 水压传动技术的主要特点 “纯水液压技术”中的“纯水”是指不加任何添加剂的天然水，主要分为未 4 。 第1 章绪论 处理的天然水和处理后的天然水。现有的纯水分类如表1 。 与矿物油、乳化液相比较，纯水介质有以下优点： 1 环境友好 随着环境的污染与破坏，世界各国都把环境保护作为重中之重工作来抓，西 方一些国家已经制出相应法律、法规，要求厂家必须承担其所带来的环境问题。 众所周知，矿物油对环境的污染十分严重，1 百万升的水可因1 升矿物油受到污 染。泄漏的矿物油可使工作空间充满异味、影响工作人员健康，附近的动植物死 亡，污染产品。使用纯水泄漏时则不会产生污染，也无需回收处理，特别适合食 品、制药等行业 7 , 1 1 】。 2 购买和使用成本低 与矿物油相比，水在地球上储存量十分丰富且分布广泛，其自身价格低廉外， 也无需考虑储运成本、短缺成本、废液处理成本等问题，特别是矿物油的后期处 理成本非常高，在大型液压系统中不但可以节省大量矿物油还可以避免因矿物油 所带来的一系列污染问题，经济效益十分可观。 表1 纯水的分类 m l b l e1c l a s s i f i c a t i o nc h a r to f w a t e r 类型 来源污染物含量 未处理 海水( 咸水)海洋( 内陆咸湖)盐度高，污染物多 的天然 天然淡水湖泊、江河和山泉污染物多，酸及溶解的颗粒 水 自来水水处理厂污染物多 去离子水去除所有正离子的水微生物 处理的去矿物质水 去c a 2 + 、m 9 2 + 的软水 某些溶解的颗粒及钠盐 天然水 去除所有生物体和非 蒸馏水纯净水 生物体颗粒的水 3 易于维护和保养 水本身兼有清洁功能，所以水压系统的维护保养十分方便，保养、维护成本 较低。 4 阻燃性、安全性好 相对矿物油而言，水的抗燃性较强，故消除了火灾危险，安全系数高，特别 在热加工、采矿业使用，不易燃烧，大大降低了事故的发生频率。另外水的导热 安徽理工大学硕士学位论文 系数与比热都大于液压油，故纯水液压系统的温升较低，无需加热交换器，可以 简化系统结构。纯水还具有无毒、清洁等功用，即使泄漏也不会影响工人身心健 康，安全性较好【1 2 1 。 5 减少产品污染 许多行业都十分重视产品污染问题，泄漏的水基液或矿物油会使产品变味、 变质，如果水渗入到产品中，污染程度大大降低或者没有害处，不需要销毁产品。 6 其它 与矿物油和乳化液相比较，纯水的粘度小，有利于减小系统运行过程的的压 力损失，提高传动效率和流量稳定性；纯水的压缩系数和热膨胀系数约为矿物油 的1 4 和1 2 ，因而水压系统的刚度大，可提高系统的动态性能，同时使用纯水作 为液压传动介质还有利于提高全民的环境保护意识。 1 4 水压齿轮泵的主要技术难点 与矿物油相比，纯水具有粘度低、腐蚀性强、汽化压力高等特点。因此，原 有的液压油元件与纯水不相适应，所以研制纯水齿轮泵面临着泄露大、腐蚀性强、 磨损、气蚀破坏等关键技术问题。 1 密封与泄漏 泄漏是纯水齿轮泵传动中一个不易克服的问题。由于水介质的粘度较低，约 为矿物油的1 4 卜1 5 0 ，甚至更低，故在相同压力和密封条件下的泄漏流量是液 压油的2 0 倍左右。而随着泄漏流量的增加，密封间隙中的液流又以较高的流速冲 刷元件材料表面，使材料产生拉丝腐蚀和加大泄露量。要提高齿轮泵的容积效率 则要减小元件磨擦副配合间隙，配合间隙减小又会加大泵元件的磨损，甚至导致 密封失效 2 , 1 3 】。 为了使水压元件应用更广泛，过去加入抗磨剂、水乳化液润滑剂等来改善水 的性能来解决泄漏这一技术难题，但同时也带来了工作介质有毒性、使用费用高 等一系列问题。现在解决这一措施的方法是设计与水介质相容的液压元件替代与 乳化型工作介质相容的传统液压元件。目前采用端面间隙自动补偿装置、提高配 合元件的加工精度和抗疲劳性等有效方法来减小水压齿轮泵密封和泄漏问题1 4 】。 2 腐蚀及腐蚀磨损 相对液压油，水介质的导电性和锈蚀性都比较强，在2 5 0 0 c 时，导电率比液 压油高约1 0 1 0 倍( 含有其它导电物质时更高) ，水的导电性又会导致金属材料发 生化学反应和高分子材料的化学老化，从而破坏水压元件。另外，水介质中的酸 一6 一 第1 章绪论 碱性、微生物、杂质等也会影响泵正常工作【1 5 】。在纯水齿轮泵中存在不同金属材 料间的电偶腐蚀破坏、零件的腐蚀疲劳破坏、缝隙部位的点蚀破坏以及其它材料 因水解、介质渗透等而引起的化学老化破坏。特别当磨损与腐蚀同时产生时，腐 蚀加剧了泵元件的磨损，而磨损使材料进一步腐蚀。从而加速了纯水齿轮泵中各 部件的失效，降低了泵的使用寿命【1 6 】。对于腐蚀