浅析水射流马达

王 岩,牟 森

（阜新华通管道有限公司,辽宁 阜新 123000）

1 水射流技术简介

高压水射流技术具体操作过程为采用高压装置将水流通过喷嘴以特定的形式喷射出来形成水射流。此项技术于19世纪中期在北美洲就被应用在采矿业，后来当增压设备出现，此项技术的发展达到了新的高度。慢慢的，其应用领域逐渐由采矿业扩展到冶金、石化、建筑、交通以及医学等相关领域，在市场中得到了很好的发展。

2 水射流技术的特点

（1）水射流技术在不同应用领域的特点。水射流技术应用于粉碎、采矿开发领域比较早，因而发展比较完善。其原理是主要用水射流产生的冲击力来粉碎目标物体，在纯水射流中加入磨料可以增加粉碎力，形成磨料射流。水射流技术在这个领域的应用优点具体表现为：能耗低，效率高；粉碎程度高，材料易分类。

水射流技术应用在喷水推进方面其原理是水射流时所产生的反推动力在操纵舵的作用下改变方向来实现航行器前进，水射流技术在这个领域的应用优点具体表现为：适应变工况能力强；推进效率较高。

水射流技术应用于清洗、切割等方面比较广泛。其原理是有效的利用水射流时产生的高压动能对目标物进行冲击，水射流技术在这个领域的应用优点具体表现为：材料适应性强，加工噪声低；冷加工，无热应力，环保易控。

（2）水射流技术展望。水射流技术除具有上述应用之外，还可以应用到医学、石油工程、水处理等领域，水射流技术具有有效、清洁、性能优良、节能环保的优点，但是目前各高校和科研机构在用水射流驱动微型机械方面研究以及应用比较有限。未来高校和科研单位的研究方向应该是关于驱动泵、马达、阀门等元器件。

3 国内外水射流马达的研究现状

（1）国外研究情况。目前国际研究水射流马达走在前沿的是美国SPX Fluid Power公司、芬兰 HYTAROY公司、德国博世公司、丹麦 Danfoss公司、日本荏原研究所和日本小松公司等企业和科研机构。

1980年美国海军工程实验室研制出了压力为710MPa、转速为1600 r/min的海水叶片马达。该种马达以海水作为工作介质，其优点是体积小、方便取材、反应灵敏、转动惯量小等；但缺点是存在泄漏现象，以海水为工质腐蚀严重，且存在磨损现象。德国博世公司生产的径向柱塞水马达以水为工作介质，采用滚动轴承，可以有效增加刚度以及减小机械损失。丹麦 Danfoss 公司生产的低速大扭矩叶片式马达机械性能优良，其工作寿命可达到八千小时，目前已被广泛应用，但是该马达的缺点是体积大、质量重。东京工业大学开发出以水为工作介质的新型马达。此种马达解决了密封和泄漏的问题。这种新型式的水马达是对传统的配流方式革新，具有划时代的意义。

（2）国内的研究现状。国内对水压技术的研究较之于国外是比较晚的，水压及水射流技术发展水平不高，国内的文献涉及水射流马达的研究很少。华中科技大学、浙江大学、北京工业大学、昆明理工大学、西南交通大学等高校开展了关于水压技术的相关研究。其他一些研究所及企业对此项研究也颇感兴趣。

华中科技大学开展了以海水作为介质的液压传动系统方面的研究，研制成功了单柱塞海水液压马达，对中国水液压技术的发展具有深远影响。浙江大学开展了纯水液压方面的基础与应用研究，已经自主开发出一批绿色液压产品与装置，包括用于反渗透海水淡化系统中的纯水柱塞泵以及一系列的纯水液压控制阀。此外浙江大学在研究摩擦副材料领域也取得了卓著成效，目前已建成了国内第一台测试纯水泵和阀性能以及寿命等相关性能的试验台，指出了将水压技术应用到消防或者其他工业领域的可能。哈尔滨工业大学提出将原来以油为介质的内啮合齿轮泵改变为用水介质，并且根据实验的结果分析了相应的制造要求。昆明理工大学对以水作为介质的外啮合齿轮泵的结构及制造要求进行了深入的研究，通过实验分析了其工作性能。

综上所述，国内外相关科研机构已经解决了水射流马达的部分关键技术问题并且已经投入到工业生产和应用化阶段。我国水液压传动技术的研究还处于起步阶段，目前还未能研发出具有理想使用性能及寿命的水马达，这也限制了水压技术在我国的推广和利用。

（3）水射流马达展望。海水是地球上重要的资源，随着水资源问题日益严重，将海水作为工质引起了科研单位的重视，但是由于海水的特殊性使得以海水作为工质困难重重，原因是海水中存在着大量的杂质和微生物，与此同时海水粘度低、润滑性比较差、导电性能大等特点给海水液压马达的研发带来了许多技术方面的问题，具体表现在以下方面：

1）解决泄露与密封。容积效率是科研机构研究水射流马达时关心的重要性能指标，但是由于海水的粘度系数过低导致海水马达的泄露量很大，因此影响海水马达的容积效率。同时一部分部件需要在油的环境下进行工作，内封问题亦需要解决。

2）冲击力矩和反推力矩平衡。水射流马达解决了传统海水马达中存在的三对关键摩擦副问题，但是同时也引入了冲击力矩和反推力矩。水射流在水射流马达中的流动状态属于紊流，处于紊流状态时的水射流的运动轨迹不易控制，能量转换系数有限。以上设计难题要求必须设计合适的结构和距离来研究冲击力矩和反推力矩的作用关系用来平稳有效的驱动水射流马达。

3）材料腐蚀要求。海水中含有大量的腐蚀性物质，对水射流马达的材料的性能和质量提出了较高的要求。腐蚀现象会使零件的尺寸精度降低，从而致使运动过程中出现卡死现象，严重会威胁零件的寿命。

4）污染敏感。海水中含有的污染物比较多，因此以海水为工质的水射流马达对介质的污染非常敏感，同时这些杂质中有些还有可能有着坚硬的外壳，给马达的寿命带来影响。

4 结束语

随着社会不断发展和进步，能源的开发和利用成为一个国家发展和进步的重要因素。海洋领域已经成为各个国家关注的焦点。水射流及海水液压技术成为近年来发展迅速的高新技术。加快此方面研究将为液压技术带来新的发展高度。

[1]沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营:中国石油大学出版社,1997:1-2.

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