舰船水基难燃液压液性能研究

宋开财+王建华+李春生+颜皓

摘要：文章考察了不同类型难燃液压液的难燃性、黏温特性和蒸发特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同类型多元醇和增黏剂对水基难燃液压液主要性能的影响。并进行了长液压管道压力损失试验和液压泵摩擦磨损试验。结果表明：水基难燃液压液的水含量越高，难燃性越好，但蒸发率越高，蒸发率随时间的变化是先增加后减少。水溶性聚醚的稠化能力远远优于聚乙二醇，低温时无结晶现象。不同类型难燃液压液的压力损失符合实际流体伯努利方程关系特性。采用水-甘油型液压液为液压介质，液压泵流量、容积效率与累积运行时间变化状态平稳，无明显下降趋势；以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，随着运行时间的增加，泵流量和容积效率有一定下降趋势。此研究结果对于水基难燃液压液的配方研究和使用具有一定的指导意义。

关键词：液压系统；水基液压液；含水量；蒸发特性

中图分类号：TE626.38 文献标识码：A

0 引言

随着现代工业生产向高温、高速和大容量方向发展，保障机械设备和操作人员的安全，解决因油品喷溅、泄漏引起的爆炸和火灾事故已越来越成为人们所关心的重要课题。世界上许多国家都在高温高压的液压系统应用难燃液压液[1-2]，国内冶金、煤炭等行业在热源附近或易发生火灾区域的液压系统也广泛采用难燃液压液。难燃液压液是指在明火或高温作用下能抗燃烧以及在压力作用下发生物理状态变化时能抗自燃的液压介质。水基难燃液压液因具有使用寿命长、价格适中、低凝、无毒、不存在水解安定性等优点[3-5]，已成为众多难燃液压液中应用较为广泛的一类液压介质。水基难燃液压液主要由水、多元醇、增黏剂和功能添加剂组成。本文重点考察了不同组成水基难燃液压液的难燃性、黏温特性和蒸发特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同类型多元醇和增黏剂对水基难燃液压液主要性能的影响。研究结果对于水基难燃液压液的配方研究和使用具有一定的指导意义。

1 实验部分

1.1 实验设备

电光分析天平：型号TG328A，最大载荷200 g，分度值0.1 mg，上海天平仪器厂。

烘箱：广口保温瓶或圆筒形容器，具有保温层，容器盖子上有插试管、温度计和加入干冰的孔口，也可用半导体致冷器。

水银温度计：符合GB 514要求，供测量不低于-30 ℃的试样温度用。

台架试验系统：由液压泵站，流量自动限制装置，过滤切换装置，电磁阀组，液压执行器，负载模拟装置，加载与流量检测装置，测压阀组，冷却装置，主、进回液管道（规格为30 mm×4 mm），进、排液管道（规格为10 mm×2 mm），注液机，监控装置，测试仪表以及高温试验间等组成。系统额定压力为11～14 MPa，额定流量为21 L/min，额定功率为11 kW。

1.2 化学试剂

水：蒸馏水或去离子水；

乙二醇：分析纯试剂，纯度>99.5%，威尔昆化学试剂有限公司生产；

甘油：分析纯试剂，纯度>99.5%，威尔昆化学试剂有限公司生产；

增黏剂：不同类型的水溶性聚醚（PAG），分子量为5万左右，无色透明黏稠液体。

1.3 实验方法

（1） 低温结晶：将盛有300 mL试样的干净标本瓶置于-18 ℃冷浴中，6 h后用肉眼观察是否结晶。

（2） 蒸发特性：将水基难燃液压液分别置于几个相同形状和大小的玻璃烧杯中，在一定的温度下保持不同的时间后，用高精度电分析天平称量恒温前后液压液的质量，数据的测取用重复试验法进行[6]，通过求平均值得到不同条件下该液压液的蒸发率。

（3） 长液压管道压力损失测定模拟试验：在液压泵排液压力为（14±0.5）MPa的条件下，测定流量自动限制装置与过滤切换装置之间（主进、回液管道规格为30 mm×4 mm，长度为220 m）、电磁阀组与液压执行器之间（进、排液管道规格为10 mm×2 mm，长度为65 m）的压力损失。

（4） 液压泵摩擦磨损性能试验：在液压泵吸液口温度为49～54 ℃，出口压力为（14±0.5）MPa条件下，两组恒压变量泵完成累积500 h的摩擦磨损试验，分别测量泵流量和效率与累积运行时间的关系曲线。

2 结果与讨论

2.1 不同含水量水基难燃液压液的性能研究

图1为水基难燃液压液水含量与火焰持续时间的关系图。液压液的水含量越高，其火焰持续时间越短，难燃性越好，通常要求水基难燃液压液中水分含量应不低于35%。图2为70 ℃条件下，不同水含量水基难燃液压液的蒸发率与时间的关系曲线。从图2中可以直观地看出，水基难燃液压液的蒸发率随着水含量的增加而不断增加。水含量越高，蒸发率越大；并且随着试验时间的增加，不同水含量难燃液压液的蒸发率先是不断增大，而后随着试验时间的增加，蒸发率先出现下降，而后趋于稳定值。这一变化趋势随着难燃液压液水含量的减少而更加明显。

2.2 不同类型增黏剂水基难燃液压液的性能研究

表1列出了水溶性聚醚和聚乙二醇在水-甘油型液压液中的部分理化性能。由表1可知，水溶性聚醚的稠化能力远远优于聚乙二醇。即添加相同量的稠化剂，聚醚的增黏效果远远好于聚乙二醇，并且低温时不会产生固体聚乙二醇出现结晶的现象。表2列出了三种使用不同类型水溶性聚醚难燃液压液的主要理化性能，该三种难燃液压液的黏温特性曲线如图3所示。从表2和图3可以看出，三种水溶性聚醚虽然类型不同，但稠化能力和黏温特性相当，液压液的低温性能接近。在空气释放性方面，聚醚PAG-2的空气释放值在20 min以内，聚醚PAG-1和PAG-2的空气释放值均在20 min以外。

为进一步考察三种聚醚的综合性能，图4描绘出了三种不同聚醚在70 ℃条件下，液压液经不同试验时间的蒸发特性曲线。从图4中可直观看出，PAG-1的蒸发率最大，PAG-2的蒸发率最小，PAG-3的蒸发率居中。

2.3 不同类型多元醇难燃液压液的性能研究

2.3.1 长液压管道压力损失测定模拟试验

采用水-乙二醇型液压液和水-甘油型液压液为液压介质，对长液压管道（流量自动限制装置与过滤切换装置之间的主进液管道以及电磁阀组与某一液压执行器之间的进液管道）的压力损失进行了测定，测试结果如图5和图6所示。

从试验结果来看，当上述长液压管道内难燃液的流量增加时，管道内难燃液的压力损失值近似成比例地增加；当环境温度以及液压泵吸液口液温升高时，相同流量情况下同一长液压管道内的压力损失值降低。这一变化过程符合实际流体伯努利方程中关于管道内液压液压力损失与流量的关系特性以及流体的液温特性。上述两种型号的难燃液压液在长液压管道中压力损失的测试结果均在正常范围以内，满足液压系统的使用要求。

2.3.2 液压泵摩擦磨损试验

采用两台相同型号的恒压变量泵，在相同试验条件下，分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质，检测两台恒压变量泵的输出流量、容积效率与累积运行时间的关系，以考察两种难燃液压液对液压泵的摩擦磨损特性。

两台恒压变量泵实测流量与累积运行时间的关系曲线及容积效率与累积运行时间的关系曲线分别如图7～图10所示。由图7～图10可见，当以水-甘油型难燃液为液压介质时，在累积运行500 h时间范围内，平均流量为19.025 L/min，平均容积效率为0.902；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率除有一定波动外，但总的变化状态平稳，无明显下降趋势。当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，平均流量为18.687 L/min，平均容积效率为0.915；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率有一定的下降趋势。这是由于液压泵内主要有缸体与柱塞、缸体与配流盘及滑靴与斜盘这三对摩擦副，随着运行时间的增加，该三对摩擦副的磨损量有逐渐增大的趋势，从而导致液压泵的平均流量和平均容积效率有所下降。

由此可见，当分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质时，两台被试恒压变量泵的平均容积效率比较接近；在累积运行500 h时间范围内，两台恒压变量泵容积效率的平均值不低于0.9，均在液压泵正常使用所要求的容积效率范围以内。

3 结论

（1）水基难燃液压液的水含量越高，难燃性越好，蒸发率越高。在试验条件下，不同含水量液压液的蒸发率随时间的变化趋势相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力远远优于聚乙二醇，低温时无结晶现象。不同类型水溶性聚醚的稠化能力和黏温特性相当，低温性能接近，空气释放性和蒸发特性略有不同。

（3）长液压管道压力损失试验结果表明：以不同类型难燃液压液为液压介质，管道内液体流量、温度与压力损失值的变化过程符合实际流体伯努利方程关系特性。

（4）液压泵摩擦磨损试验结果表明：在500 h范围内，采用水-甘油型液压液为液压介质，泵流量、效率与累积运行时间变化状态平稳，无明显下降趋势；当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，随着累积运行时间的增加，泵流量和容积效率的平均值有所下降。

参考文献：

[1] 竹内哲朗.一种环保型难燃液压液的研制[J].高压机械润滑设计，1981，18（12）：11-12.

[2] 前田陆三.水基润滑添加剂[J].合成润滑材料，1985（5）： 17-20.

[3] Ralph Lener.Planning High Water Content Hydraulic Fluid Use[J].Lub Eng，1990，46（11）：737-739.

[4] Wambach W.Hydraulic Systems and Fluids[J].Lub Eng，1983，39（8）：483-485.

[5] Talor R，WangY.Lubrication Regimes and Tribological Properties of Fire-Resistemt Hydranlic Fluids[J].Lub Eng，1985，40（1）：44-50.

[6] 茆涛松，丁元.周纪芗，等.回归分析及其试验设计[M].上海：华东师范大学出版社，1986.

2.3 不同类型多元醇难燃液压液的性能研究

2.3.1 长液压管道压力损失测定模拟试验

采用水-乙二醇型液压液和水-甘油型液压液为液压介质，对长液压管道（流量自动限制装置与过滤切换装置之间的主进液管道以及电磁阀组与某一液压执行器之间的进液管道）的压力损失进行了测定，测试结果如图5和图6所示。

从试验结果来看，当上述长液压管道内难燃液的流量增加时，管道内难燃液的压力损失值近似成比例地增加；当环境温度以及液压泵吸液口液温升高时，相同流量情况下同一长液压管道内的压力损失值降低。这一变化过程符合实际流体伯努利方程中关于管道内液压液压力损失与流量的关系特性以及流体的液温特性。上述两种型号的难燃液压液在长液压管道中压力损失的测试结果均在正常范围以内，满足液压系统的使用要求。

2.3.2 液压泵摩擦磨损试验

采用两台相同型号的恒压变量泵，在相同试验条件下，分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质，检测两台恒压变量泵的输出流量、容积效率与累积运行时间的关系，以考察两种难燃液压液对液压泵的摩擦磨损特性。

两台恒压变量泵实测流量与累积运行时间的关系曲线及容积效率与累积运行时间的关系曲线分别如图7～图10所示。由图7～图10可见，当以水-甘油型难燃液为液压介质时，在累积运行500 h时间范围内，平均流量为19.025 L/min，平均容积效率为0.902；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率除有一定波动外，但总的变化状态平稳，无明显下降趋势。当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，平均流量为18.687 L/min，平均容积效率为0.915；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率有一定的下降趋势。这是由于液压泵内主要有缸体与柱塞、缸体与配流盘及滑靴与斜盘这三对摩擦副，随着运行时间的增加，该三对摩擦副的磨损量有逐渐增大的趋势，从而导致液压泵的平均流量和平均容积效率有所下降。

由此可见，当分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质时，两台被试恒压变量泵的平均容积效率比较接近；在累积运行500 h时间范围内，两台恒压变量泵容积效率的平均值不低于0.9，均在液压泵正常使用所要求的容积效率范围以内。

3 结论

（1）水基难燃液压液的水含量越高，难燃性越好，蒸发率越高。在试验条件下，不同含水量液压液的蒸发率随时间的变化趋势相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力远远优于聚乙二醇，低温时无结晶现象。不同类型水溶性聚醚的稠化能力和黏温特性相当，低温性能接近，空气释放性和蒸发特性略有不同。

（3）长液压管道压力损失试验结果表明：以不同类型难燃液压液为液压介质，管道内液体流量、温度与压力损失值的变化过程符合实际流体伯努利方程关系特性。

（4）液压泵摩擦磨损试验结果表明：在500 h范围内，采用水-甘油型液压液为液压介质，泵流量、效率与累积运行时间变化状态平稳，无明显下降趋势；当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，随着累积运行时间的增加，泵流量和容积效率的平均值有所下降。

参考文献：

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[3] Ralph Lener.Planning High Water Content Hydraulic Fluid Use[J].Lub Eng，1990，46（11）：737-739.

[4] Wambach W.Hydraulic Systems and Fluids[J].Lub Eng，1983，39（8）：483-485.

[5] Talor R，WangY.Lubrication Regimes and Tribological Properties of Fire-Resistemt Hydranlic Fluids[J].Lub Eng，1985，40（1）：44-50.

[6] 茆涛松，丁元.周纪芗，等.回归分析及其试验设计[M].上海：华东师范大学出版社，1986.

2.3 不同类型多元醇难燃液压液的性能研究

2.3.1 长液压管道压力损失测定模拟试验

采用水-乙二醇型液压液和水-甘油型液压液为液压介质，对长液压管道（流量自动限制装置与过滤切换装置之间的主进液管道以及电磁阀组与某一液压执行器之间的进液管道）的压力损失进行了测定，测试结果如图5和图6所示。

从试验结果来看，当上述长液压管道内难燃液的流量增加时，管道内难燃液的压力损失值近似成比例地增加；当环境温度以及液压泵吸液口液温升高时，相同流量情况下同一长液压管道内的压力损失值降低。这一变化过程符合实际流体伯努利方程中关于管道内液压液压力损失与流量的关系特性以及流体的液温特性。上述两种型号的难燃液压液在长液压管道中压力损失的测试结果均在正常范围以内，满足液压系统的使用要求。

2.3.2 液压泵摩擦磨损试验

采用两台相同型号的恒压变量泵，在相同试验条件下，分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质，检测两台恒压变量泵的输出流量、容积效率与累积运行时间的关系，以考察两种难燃液压液对液压泵的摩擦磨损特性。

两台恒压变量泵实测流量与累积运行时间的关系曲线及容积效率与累积运行时间的关系曲线分别如图7～图10所示。由图7～图10可见，当以水-甘油型难燃液为液压介质时，在累积运行500 h时间范围内，平均流量为19.025 L/min，平均容积效率为0.902；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率除有一定波动外，但总的变化状态平稳，无明显下降趋势。当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，平均流量为18.687 L/min，平均容积效率为0.915；随着累积运行时间的增加，恒压变量泵的平均流量和平均容积效率有一定的下降趋势。这是由于液压泵内主要有缸体与柱塞、缸体与配流盘及滑靴与斜盘这三对摩擦副，随着运行时间的增加，该三对摩擦副的磨损量有逐渐增大的趋势，从而导致液压泵的平均流量和平均容积效率有所下降。

由此可见，当分别以水-甘油型和水-乙二醇型难燃液压液为液压介质时，两台被试恒压变量泵的平均容积效率比较接近；在累积运行500 h时间范围内，两台恒压变量泵容积效率的平均值不低于0.9，均在液压泵正常使用所要求的容积效率范围以内。

3 结论

（1）水基难燃液压液的水含量越高，难燃性越好，蒸发率越高。在试验条件下，不同含水量液压液的蒸发率随时间的变化趋势相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力远远优于聚乙二醇，低温时无结晶现象。不同类型水溶性聚醚的稠化能力和黏温特性相当，低温性能接近，空气释放性和蒸发特性略有不同。

（3）长液压管道压力损失试验结果表明：以不同类型难燃液压液为液压介质，管道内液体流量、温度与压力损失值的变化过程符合实际流体伯努利方程关系特性。

（4）液压泵摩擦磨损试验结果表明：在500 h范围内，采用水-甘油型液压液为液压介质，泵流量、效率与累积运行时间变化状态平稳，无明显下降趋势；当以水-乙二醇型难燃液为液压介质时，随着累积运行时间的增加，泵流量和容积效率的平均值有所下降。

参考文献：

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[2] 前田陆三.水基润滑添加剂[J].合成润滑材料，1985（5）： 17-20.

[3] Ralph Lener.Planning High Water Content Hydraulic Fluid Use[J].Lub Eng，1990，46（11）：737-739.

[4] Wambach W.Hydraulic Systems and Fluids[J].Lub Eng，1983，39（8）：483-485.

[5] Talor R，WangY.Lubrication Regimes and Tribological Properties of Fire-Resistemt Hydranlic Fluids[J].Lub Eng，1985，40（1）：44-50.

[6] 茆涛松，丁元.周纪芗，等.回归分析及其试验设计[M].上海：华东师范大学出版社，1986.