液压传动的重要研究方向_纯水液压传动.pdf

液压传动的重要研究方向 纯水液压传动 李 虹 3 安徽理工大学 摘 要 纯水液压以其绿色环保等特性成为液压界的重要研究方向 论述了纯水介 质的含义 讨论了其研究内容和应用趋势 分析了纯水液压传动的优势 研究了由 于其缺点造成的负面影响 阐述了解决泄漏 密封 润滑 磨损 腐蚀 气蚀等关 键问题的措施 关键词 纯水液压 油压 应用 优势 关键技术 0 前言 1795年 Joseph Bramah发明了世界上第 一台水压机 标志着液压技术进入实用阶段 水首次作为介质用来传递能量 20世纪 以 矿物油为液压介质的油压技术得到了快速发 展 处于绝对主导地位 近二十年来 人们的 环保意识不断增强 相对于矿物油而言 纯水 固有的清洁和阻燃性等特性正好满足了现代社 会对工业工程提出的安全 环境友好等一系列 要求 新型材料 精密加工技术及新结构的发 展和研究 使得纯水液压传动技术基本克服了 易腐蚀 磨损 泄漏等缺点 水压传动得以持 续复苏 纯水液压传动技术和纯水液压元件与 系统成为液压界的热点技术和重要的研究方向 之一 1 纯水的含义 纯水液压传动中的纯水是指纯粹的天然水 natural water 即不含任何添加剂的水 不 同文献中用不同的词语来表达 如纯水 pure water 自来水 tap water 生水 raw wa2 ter 普通水 plane water 纯水的分类如 表1所示 表1纯水的分类 类型来源污染物含量 未处理 的天然 水 自来水水处理厂污染物多 天然淡水湖泊 江河和山泉 污染物多 酸 及溶解的颗粒 海水 咸水 海洋 内陆咸湖 盐度高 污染物多 处理的 天然水 去矿物质水 去Ca2 Mg2 的软水 某些溶解的 颗粒及钠盐 去离子水去除所有正离子水微生物 蒸馏水 去除所有生物体和 非生物体颗粒的水 纯净水 2 纯水液压传动的研究内容 由于水固有的物理特性 纯水液压传动技 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 3 纯水液压传动的应用 一般认为纯水液压传动的应用可分为三个 阶段 第一阶段主要包括几个小的特殊领域 3 李虹 女 1968年生 硕士 讲师 淮南市 232001 76 化工装备技术 第28卷 第6期2007年 图1 纯水液压传动的研究内容 如高压清洗 消防 装卸等 第二阶段主要是 食品加工业 如面包机 搅拌发酵机 肉联厂 的切割系统 在第三阶段应用领域将扩展到工 程机械占主要份额 通用机械也将有所应用 纯水的应用阶段如图2所示 图2 纯水液压传动的应用阶段 4 纯水液压传动的优势 纯水与矿物基液压油的物理化学性能存在 着较大的区别 见表2 其优势主要表现在下 述方面 1 安全性 液压油易燃烧 导致人身设备事故 纯水 抗燃 安全性好 消除了火灾隐患 使液压系 统的应用领域更加广泛 特别适合高温明火等 场合 2 环保性 液压行业针对液压油泄漏采取了不少有效 措施 但根除泄漏是不可能的 泄漏使得工业 污染产生的全球性环境恶化进一步加剧 而纯 水在工作时的泄漏则不会产生污染 是一种无 味 无毒的 绿色 液压介质 其泄漏和排放 对周围环境无不良影响 特别适合食品工业 制药业 家具制造等行业 3 经济性 20世纪70年代初的石油危机表明了石油 资源有限 已逐渐短缺且不可再生 每年消耗 的液压介质据估计只有15 可回收利用 相 反地 水随地可取且自身价格低廉 当同时考 虑短缺成本 无 储运成本 很少 处理成本 可忽略 清洁维护成本 较低 时 其经济性 远远高于其他介质 4 其他比较 与液压油相比 纯水的粘度较小 粘度对 温度变化不敏感 纯水液压系统的压力损失 小 发热少 传动效率高 流量稳定性好 纯 水密度高 压缩性较小 系统的刚性较大 可 以提高动态性能 压缩系数小 压缩损失比矿 物油小25 左右 可补偿一部分由于泄漏增 加而造成的容积损失 可使控制系统的执行器 实现更准确的定位 在水下作业时 可以省去 回油管道 水箱等 使系统简化 表2纯水与液压油的主要理化性能比较 性能液压油纯水 密度 kg m3850 9001000 压缩系数 MPa7 10 4512 10 4 热膨胀系数 K 1 6 13 71 8 10 3 118 10 3 比热容 kJ kg 1 K 1117 2114118 热导率 W m 1 K 10112 0115016 粘度 mm2 s 120 50015 1 饱和蒸汽压 Pa112 104110 10 3 声速 m s 113301480 润滑性好差 锈蚀性弱强 抗燃性差好 导电性弱强 气味 毒性和储存特性 有味 有的有 毒 不便储存 无味 无毒 无需回收 86液压传动的重要研究方向 纯水液压传动 5 纯水液压传动的关键技术 水作为传动介质具备显著的优势 但水所 具有的粘度低 润滑性差 导电性强和汽化压 力高等特点 也给纯水元件的研制带来了一些 技术难题 需要详细研究其发生机理 采取有 效的解决措施 1 泄漏与密封 水的运动粘度约为相同温度下液压油粘度 的1 30 假设在密封间隙内为层流状态 泄 漏流量公式为 Qv bh3 12L 1 p 式中 Qv 泄漏流量 m3 s b 间隙的宽度 m L 间隙的长度 m h 间隙的高度 m 介质的运动粘度 m2 s p 间隙的进出口压力差 Pa 在相同的工作压力下 水压机构和油压机 构中若保持相同的密封间隙 水的泄漏量将大 幅增加 Qleakagewater Qleakageoil oil water 30 这将造成容积效率显著降低 若保持相同的泄漏量 水压元件中的密封 间隙将相应减小 hwater hoil 3 water oil 0132 上式说明水压元件摩擦副的密封间隙只能 是油压元件的1 3 但实际上水压元件的公差 带并不能按计算出的比例相应缩小 更小的公 差带会使固体壁面之间由于摩擦产生热膨胀而 卡死 同时 又会使润滑膜减小 导致元件磨 损加大 反而对密封效果产生不利影响 目 前 有效的防泄漏手段是在水压元件中提高加 工精度 采用组合的密封形式 橡塑组合滑环 密封 2 润滑与磨损 水的润滑性较差 导致摩擦副对偶面上难 以形成润滑膜 也不能形成良好强度的边界 膜 出现干摩擦现象 相对于液压油 水随温 度的变化也较小 润滑理论中的挤压效应和热 楔效应对于纯水介质的作用就相应很小 当应 用纯水液压介质时 动压轴承的润滑膜只有油 介质的1 50 静压轴承的润滑膜厚度则为其 1 3 滚动轴承中就难以形成弹性流体润滑膜 摩擦副的对偶面长期直接接触 极易发生磨 损 材料的磨损主要有四种表现形式 粘着磨 损 磨粒磨损 表面疲劳磨损和腐蚀磨损 对 于绝大多数材料 四种形式的磨损在水中都比 在油中大 对此 可以考虑解决的方法有 采 用陶瓷材料防止粘结 提高系统的过滤精度以 滤掉更多的磨粒 选用耐温抗磨的陶瓷混装轴 承等 还可通过对塑料和金属 金属与金属 陶瓷与金属等几组材料配对的多种实验 研制 出耐磨 抗腐蚀 综合机械性能好的对偶摩擦 副材料 3 腐蚀与冲蚀 水的粘度低 润滑性较差 具备一定速度 和压力的水流强烈地冲刷过流表面 长期冲刷 会使零件表面产生一条条丝状凹槽 纯水介质 中包含一些固体颗粒 会进一步加剧冲蚀现 象 水是天然的电解质 锈蚀性及导电性极 强 会导致绝大多数金属材料的电化学腐蚀及 非金属材料的老化 常温下 流动的纯水对碳 素钢的锈蚀速度可达1127mm a 降低了纯水 元件的使用寿命 一般总是优先考虑采用不锈 钢 有色金属合金和工程塑料 铝合金 铜合 金等抗腐蚀性强的材料 也可以通过在元件表 面覆盖新型复合材料来解决 新型复合材料主 要是具有耐磨 耐蚀 抗疲劳特性的陶瓷 高 强度塑料 不锈钢等 为减小损失 还需要降 低水流速度 提高过滤精度 注意防止缝隙腐 蚀和点蚀 还可在纯水中滴加适量酸离子或碱 离子 96 化工装备技术 第28卷 第6期2007年 4 气蚀与气穴 当液体的压力低于相应温度下液体的饱和 蒸汽压或气体分离压时 液体将会沸腾并产生 大量蒸汽泡 或者液体中溶解的气体从液体中 分离出来产生大量的气泡 当这些蒸汽泡和气 泡进入高压区凝结并溃灭时 产生局部的瞬间 压力 会造成过流表面材料的疲劳和破坏 使 系统的工作性能降低 噪声增高 这就是气蚀 现象 气穴危险通常在以下地方出现 泵的进 口处 压差较大的节流口处 这些位置处的压 力降较大 流速很高 气蚀严重 缩短了液压 阀的使用寿命 在泵的进口处 可以采取增大入口管直 径 降低流速的方式 来有效避免气穴现象 同时在泵的上方放置水箱 提高入口压力 尽 量不使入口处产生大的压差 以减小气穴现 象 阀口或阻尼孔处易形成较大压力差 静态 压力可能会下降达到蒸汽压 形成的气蚀将对 固体壁面造成损害 以单位时间脱落材料的质 量来衡量气蚀破坏程度 纯水介质是液压油的 上百倍 材料的硬度越高 气蚀损坏越小 通 常采用经过热处理的合金钢 含Cr Ni Mo Mg等 来抵抗气蚀 随入口压力的升高 气 蚀破坏的程度亦呈指数增加 故水压系统的工 作压力通常要比油压系统的低 通常 在阀内 部用多级节流来降低压差 阀口采用异型结构 以抑制气蚀的不良作用 显然 液压系统的气蚀特性与介质中的气 体溶解度和液体的饱和蒸汽压有关 当液体中 气体溶解度大 液体的饱和蒸汽压高时 极易 发生气蚀现象 可限制系统温度使气体溶解度 降低 纯水液压系统的工作温度一般限制在5 50 此外 液压系统的能量损失大多转化 成热能 会导致系统温度升高 必须在系统中 正确设计冷却器 在常温下 在液压油中的气体体积溶解度 为5 10 虽然纯水介质中的气体含量比 油中的低 但水介质的饱和蒸汽压比液压油高 数千万倍 例如在50 油的饱和蒸汽压为 110 10 3 Pa 水的饱和蒸汽压则为12kPa 故纯水液压元件和系统易发生严重气蚀 气蚀 将剥蚀零件表面材料 破坏过流固体表面和密 封 气蚀还会产生压力波动 振动和噪声 带 来诸多不良影响 除上述讨论的纯水元件与系统的技术难题 以外 尚有液压的冲击 振动问题 细菌控制 问题 设计理论问题等一系列难题 随着现代 技术的快速发展 这些不足逐渐得到了很好的 解决和补偿 其总体情况及相应对策见表3 表3 纯水液压元件面临的关键技术 问题及相应对策 产生原因导致后果相应对策 水的粘度低 泄漏大 润滑 性 差 磨 损 大 密封易失 效 提高加工精度 采用组合 密封形式 采用特殊材料 及合适的对偶组合 提高 过滤精度 选用耐温抗磨 的陶瓷混装轴承等 水的锈蚀性 和导电性强 金属材料的电 化学腐蚀 非 金属材料的老 化 采用不锈钢 有色金属合 金和工程塑料等抗蚀性强 的材料 在元件表面覆盖 新型复合材料等 水的饱和 蒸气压高 气蚀和气穴 增大入口管直径 降低流 速 提高入口压力 采用 经过热处理的合金钢 多 级节流 阀口采用异型结 构 限制系统温度 正确 设计冷却器等 水 的 密 度 大 压缩性 小 液压冲击 振 动和噪声 系统的正确设计和元件的 正确选择 加装吸收和消 除压力冲击 振动和噪声 的蓄能器或消声器等 水箱与外界 长期接触 温度适宜细 菌繁殖 产生细菌 绝育杀菌 添加杀菌剂 添加相克的细菌 紫外线 辐射等 水的理化 特性特殊 油压元件与系 统的设计理论 不完全适用于 纯水液压系统 建立一整套适用于纯水液 压传动的设计理论和方法 6 结语 作为绿色环保的重要研究方向 国外的科 研机构和企业已对纯水液压传动技术及系统进 07液压传动的重要研究方向 纯水液压传动 行了大力研究 美 英 日本 丹麦等国已开 发研制出一系列的海 淡 水泵及阀 世界市场 上的纯水液压元件的压力等级主要有10MPa 14MPa 21MPa 32MPa 40MPa等 五 种 流量规格从几升到几百升甚至数千升 国内的 研究工作起步要比国外迟一些 浙江大学 华 中理工大学 中国地质大学等均展开了相应的 研究 目前纯水液压系统造价较高 综合成本 约为石油基液压系统的2倍 材料科学的迅速 发展和机械加工工艺水平的提高 为研究高性 能的水压元件和系统提供了必要的条件 随着 相关研究的进展 纯水液压系列产品将进一步 规模化 系列化 将在一定程度上降低其价 格 扩展纯水液压传动的应用领域 纯水液压 传动技术具有十分诱人的应用和发展前景 参 考 文 献 1 张利平 现代液压传动技术的新方向 纯水液压传 动 J 制造技术与机床 20001 2 王东 纯水液压系统的发展及在钢铁工业中的应用 J 钢铁研究 2002 2 1 3 王益群 曹栋璞 郎静 纯水液压传动及其展望 J 机床与液压 2003 1 1 4 杨华勇 周华 纯水液压传动技术的若干关键问题 J 机械工程学报 20021 5 唐向阳 郑华文 吴张永 袁子荣 纯水液压系统的 现状与未来 J 液压与气动 2000 4 1 6 陈远玲 杨华勇 周华 范明豪 纯水液压传动技术 极其在煤矿采掘机械中的应用 J 矿山机械 20011 7 弓永军 纯水液压控制阀关键技术研究 D 杭州 浙江大学 20051 8 焦素娟 纯水液压柱塞泵及溢流阀关键技术的研究 D 杭州 浙江大学 20041 9 周华 杨华勇1 环境友好的纯水液压传动技术 J 1 重庆工业高等专科学报 99全国液体动力与机电一 体化技术学术会议论文专辑 1999 3 4 1 10 Dipl Ing H Cuppers Modern water hydraulics your choice for the future Germany 20011 11 Oshima Shigeru Timo Leino Matti Linjama Exper2 imental study on cavitation in water hydraulic poppet valve J 1Transactions of the Japan Fluid Pow