液压传动技术.doc

摘 要 用淡水作为工作介质的液压传动技术是近年来国内外液压领域普遍关注 的研究方向之一， 也是前沿课题之一。本文描述了水液压传动技术的特性及在钢铁工 业中应用的前景， 对目前研究进程中所涉及的一些关键技术问题进行了研究分析。 关键词 水液压 关键技术 钢铁工业 前 言 置。 目前 纯水液压技术的研究已成 为国际液压界的一大前沿研究课题。 A 水液压技术的特性 与传统使用矿物油作为工作介质的液压系统 相比， 纯水液压技术的优点主要是 （$） 无污染 众所周知， 液压系统中油的泄漏是其工作环 境污染的主要因素。欧洲许多研究表面， 地表水 源的污染主要是由于液压油的泄漏引起的。在 随着人们对环境保护的认识不断增强， !$ 世纪， 纯水液压技术会越来越受到重视。 （!） 成本低 天然淡水不仅自身的成本非常低， 而且， 其泄 长期以来， 钢铁工业中的液压传动系统使用 矿物油作为传动介质。近年来， 由于对液压系统 的安全性、 环保性、 节能性以及可持续发展的要求 不断增加， 用纯水 （含天然淡水） 代替矿物油作为 液压系统的工作介质又引起人们的极大关注。 美国、 日本等西方国家自 21纪 年代中 期开始研究开发水液压技术， 部分产品已经在工 业中得到应用。如美国的 +8 M1D.(A 56(.-F.90 公 司生产的用于半导体集成电路的加工设备中， 就 采用了纯水液压技术代替伺服电机及一套机械传 动装置。日本的通产省工业技术学院以及法国的 N(12H.I). &)( O ,B9):,26 公司于 K 年代研究开发 出用于海洋作业的水液压系统。我国 ! 世纪 P 年代开始进行这方面的研究工作， 华中科技大学 作为国内纯水液压技术的主要研究基地， 水液压漏处理成本也极低 （可忽略） 。这对大量使用液压 油的冶金行业来说其前景十分看好。目前， 轧钢 系统使用的液压油不仅量大， 而且均为进口液压 油 （如液压油） 。如果纯水液压技术能全面 取代现有的轧钢液压系统， 则吨钢生产成本将大 大降低。 （&） 无燃性 在高温环境中采用无燃性的纯水是非常安全 的， 特别是在焦炉、 退火炉、 转炉的应用更能显出 其价值。一方面， 泄漏的介质不会像液压油那样 污染地面造成安全隐患， 另一方面， 泄漏的介质遇 到明火， 不会像液压油那样起火燃烧， 从而有效地 保护人身和设备。 （） 损失小 纯水的粘度非常低， 大约是矿物型液压油粘 度的 ( ) * + ( ) ,* -( . 时水的运动粘度为 * / 01 （ 34 。在同等压力下， 系统沿程损失和局 2 (* 5 ) 6） 部损失都非常小 （约为油的 ( ) -） 。 （,） 响应快 由于水的可压缩性比油小的多， 其动态响应 性能要优于液压油。因此， 采用纯水作为工作工 作介质可以使液压伺服系统的执行机构实现更准 确定位。 与传统使用矿物油作为工作介质的液压系统 相比， 纯水液压技术的缺点主要是 （(） 润滑性能差 纯水的润滑性能很差。摩擦副对偶面 （如轴 向柱塞泵中的滑靴与斜盘、 缸体与配流盘、 柱塞与 缸体等） 难以形成液体润滑膜， 也不能形成良好强 度的边界膜， 因此， 很容易产生干摩擦， 加剧液压 元件的磨损速度， 引发失效。 （-） 腐蚀性强 水是天然的电解质， 它的导电性比普通矿物 油高数亿倍， 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老化。因而， 水的 腐蚀性强。 （&） 气蚀严重 水的汽化压力高， . 时约为 * / *-& !78， -* 这 ,* . 时约为 * / *(- !78， . 时约为 * / *, !78， 1* 比普通液压油高数千倍， 特别容易产生气蚀。气 蚀造成元件表面金属剥落、 粗糙， 元件的工作寿命 下降。 （） 防泄漏性差 由于水的粘度比油小的多， 因此， 在同等压力 ,4 下， 通过相同密封缝隙漏流量比油要大得多， 约为 -* 倍左右。这将使泵的容积效率大大降低。 ! 关键技术的研究 针对上述水液压系统的问题， 必需加以研究 解决， 才能更好地推广应用。 第一个需要解决的是润滑磨损问题。 一种方式是， 元件的轴承部分用油来润滑， 通 过密封件与高压纯水分开， 纯水仅作为能量和控 制信号进行传递。如日本研制的超高压水液压 ( 泵 （9:;7）其所有回转轴承均使用滚动轴承， ， 利用油水分离结构， 轴承用油来润滑。该泵磨擦 损失小， 起动转矩小， 转速高， 容易实现小型化。 但仅适用于输出压力较低 （一般为 (* !%?58 教授对陶瓷 材料用于轴向柱塞泵 （马达） 中的配流盘作了专门 研究， 取得了一引起可喜的成果。虽然陶瓷材料 具备上述优越性， 但因其材质较脆， 承受张应力能 力有限， 所以用有关强度的计算方法来预测其工 作寿命和可靠性的理论和实践工作还需进一步深 入加强。 第二个需要解决的是泄漏量大的问题。 液压元件中大部分的运动副采用的间隙配合 方式， 其缝隙量对泄漏量影响极大。据测算， 在相 同的条件下， 因粘度不同， 水压传动元件的泄漏量 将是油压传动元件的泄漏量的 -* 倍以上。如果 采取减小间隙配合方式解决， 水压传动元件的配 合间隙约为 * / * + * / *0 55。如此小的配合间 隙， 一方面零件加工十分困难， 另一方面运动副工 作时极易出现堵塞、 卡死现象。同时， 密封间隙的 减小， 又会使润滑膜厚度减小， 元件的磨损加大， 继而导致密封迅速失效。因此仅以采取减小间隙 配合方式是不行的。目前有研究结果表明， 在水 压传动元件中用组合密封形式 （橡塑组合滑环密 封） 是较为理想的防泄漏手段。 第三个需要解决的是抗气蚀问题。 由于水的汽化压力高， 加之水中含有 ! 左 右的空气， 特别容易诱发汽化， 导致气蚀现象。据 统计， 在维修的泵中， 是 因 为 气 蚀 而 损 坏。 #$ 对于水液压泵， 容易发生气蚀的部位是配流盘吸、 压窗口的交界处以及泵的吸入口。有关水液压元 件气蚀的研究目前处于起步过程， 结果仍停留在 实验阶段。一些实验结果表明， 气蚀初生时， 泵的 入口流动由单相流变为气液两相流， 所引起的气 蚀初生云会产生自激压力振荡， 具有低频特性， 通 过对出口压力脉动信号分析可以判别海水液压泵 的气蚀初生现象。另外， 在阀式水柱塞泵中， 选用 蕈阀作为配流阀也可减轻因气蚀导致的损坏。 水液压结构有其特殊的结构， 其数学建模和 计算机仿真研究明显不同于油压系统， 有关这方 面的理论工作报导成为其关键问题之一。 ! 纯水液压泵介绍 水液压泵是水液压系统最核心的部分， 也是 最关键的元件， 国内外液压界对此都投入了大量 精力进行广泛地研究和产品开发工作。本文主要 介绍一部分已开发出的轴向柱塞泵式。 （#） 三菱重工纯水泵 日本三菱重工业 （株） 技术本部长崎研究所开 发的纯水泵构造采用全水润滑方式。 该泵性能指标如下： 输出压力： %&； 流量： !# 转速： -$ . ) *+,； 积 效 率： 以 容 #$ ( ) *+,； # -# 上； 机械效率： 以上 /0 （!） 1,2344 水压泵 丹麦 1,2344 所开发的水压泵应用于中压 #0 （ 领域， 如带钢生产线的开卷、 卷取机作 %& 左右） 业， 也可应用到食品工业、 医疗器械、 林业机械等。 总效率可达 -5 以上。 （6） 华中科技大学水压泵 华中科技大学开始进行水液压传动 #/$ 年， 技术的研究与开发工作。#/! 年， 研制出国内第 一台单柱塞水液压泵原理样机， 该泵容积效率为 泵入口的吸入高度达 0 * 以上。 #/7 /! 左右， 年， 华中科技大学在海军某部门的支持配合下， 经 过深入细致的研究和大量的试验， 研制成功国内 第一台柱塞泵式纯水液压泵。 该泵为阀配流式轴向柱塞泵。配流阀为软密 封锥阀结构， 阀芯、 阀座用工程塑料， 采用橡胶矩 型密封件。滑靴和斜盘磨擦副之间采用陶瓷， 完 全由水 润 滑。泵 壳 体 和 缸 体 的 材 料 是 铝 合 金 柱塞的材料为 00$， 柱塞孔内侧衬上高强度 7$7#， 塑料或铅基锡青铜 (8989 :+, ;.3,5$ ? 最 容 $ # 5$ . ) *+,； 高 吸 入 真 空 度： = $5 %&； 积 效 率： ； 总效率： 。 /$ 5 该泵于当年通过了海军司令部航保部主持的 实验室试验， 船厂系泊试验和基地海上航行试验 三级严格验收， 满足装艇要求， 现已在 #6$ 艇上 正常工作。 水压液压阀的研究发展及应用前景 节流阀是流体传动及控制系统的重要元件， 在系统中可作为调节流量、 给泵加载以及调节泵 入口的吸入阻力 （研究泵在不同吸入真空度下的 气蚀特性） 。国内外对淡水节流阀的研究和产品 开发都投入了大量的精力。为减少气蚀和冲蚀， 日本设计了两级平板式节流阀口的形式， 芬兰采 用了两级锥阀式节流阀口。华中科技大学液压气 动技术研究中心近 #$ 年来一直在从事淡水液压 传动技术圾基础理论的研究工作， 在淡水节流阀 研究方面取得了初步成果。#/ 年研制出压力 流量 #$ ( ) *+, 的淡水溢流阀和节流阀； %&、 #/年研制出压力 #0 %&、 流量 #$ ( ) *+, 的淡水溢流 阀和节流阀。这些元件均已在水压泵 的试验中 的到应用， 效果良好。目前， 仍在为研制高压、 大 流量淡水液压阀， 进行着不同类型阀口的流量 压力特性、 气蚀特性等方面的基础研究工作。 由于淡水有腐蚀性， 油压阀的材料对水介质完 全不适应。如油压溢流阀使用淡水， 工作在 6 ? 0 天 后就会发生严重的诱蚀并完全失效。因此必须采用 新型工程塑。使用合适的材料是研制出高性能水压 元件的先决条件。选材的基本原则是： （#） 耐腐蚀， 包括化学及电化学腐蚀； （!） 具有自润滑性能， 在高速重载工况下磨损 性能良好， 即磨损率低、 磨擦系数小， 并具有良好 的抗粘着磨损、 磨粒磨损、 腐蚀磨损及疲劳磨损性 能； （6） 良好的机械性能及腐蚀疲劳特性； （0） 良好的抗冲蚀磨损、 气蚀性能； （5） 热稳定性良好； （7） 热膨胀系数小、 吸水率低； （） 成型、 加工工艺性好； （-） 无毒； 5 （!） 容易购买且费用适中等。 淡水节流阀的阀体一般采用奥氏体不锈钢 或锻铝 )*+） （ 表面进行阳极氧化处 （#$%&!(） 理 （根据实际需要采用软质或硬质阳极氧化处理） 就能有效地防止淡水的腐蚀。阀芯与阀座可采用 耐蚀合金、 增强塑料和工程陶瓷 （已研制出 ,-. /0 、 等材料。在金属表面进行特殊处理的 1$/. 、 0 &3） 2 方法， 喷涂陶瓷、 如， 表面镀镍磷合金等， 由于涂层 与金属基体间结合力有限， 经试验证明易受到冲 蚀作用的破坏， 其应用受到很大限制。由于