纯水液压传动及其关键技术研究

徐敬广

（安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠 233000）

20世纪60年代，随着国际工业、建筑、能源等基础建设的不断推进与发展，工程机械的市场需求与应用大大增强，作为其驱动系统的液压传动应运而生，并获得广泛关注与研究。液压传动技术起于帕斯卡定律，经历了最初以水为工作介质后随科学技术发展转变为矿物型液压油的过程，然而，矿物油易燃烧，耗费资源，易形成环境污染，与人类绿色环保、节约及可持续发展观念相背离，因此，学术界和相关技术人员开始重新探索纯水及纯水液压传动技术，并逐步发展成为液压传动技术的重要方向，广泛应用于食品、医疗、采矿等领域。

一、纯水液压传动技术及其优点

纯水液压传动作为液压传动技术的重要类型，其实质应用发端于1795年Joseph Bramah研究制作的世界第一台水压机[1]。纯水液压传动技术是指以纯水为压力介质进行能量传递、交换或控制的一种工程机械传动方式。纯水是指不含任何添加剂的自来水、天然淡水、海水、蒸馏水等天然水，现有的纯水主要包含处理的天然水和未经处理的天然水，其中，未处理的天然水主要来源于江河、湖泊、山泉、海洋等，其污染物较多，内陆河水会含有酸及溶解颗粒，而海水则具有高盐分；经过处理的天然水主要包含去硫物质水、去正负离子水和去除所有生物与非生物颗粒的蒸馏水，其污染较少，纯净度高。与矿物油相比，纯水的特性如表1所示。

表1 纯水与矿物油的特性对比

由表1中二者对比可见，纯水液压传送技术应具有以下几方面的特点与优势[2]：

（一）节约资源与成本

纯水可广泛取材于江河湖泊与海洋等，资源丰富，来源广泛且使用便利，随地可取，免于远距离输送；同时，纯水价格低廉，不足矿物油的千分之一；与液压传动相比，其不需要经过冶炼、运输、存储及后期废液、污染物处理等，节约了生产成本与能源，尤其可有效节省液压油冶炼提纯后废液等污染物的高昂处理费，具有良好的经济效益与社会效益。

（二）无污染危害

纯水是一种无色、无味、无毒且无需储存的液体，作为液压传动的动力介质，其无污染危害，环保性能高。在工程机械运动过程中，纯水的泄漏与排放不会释放污染性气体或颗粒，可保持空气清洁与水土环境，而矿物油一旦泄漏，则极易对周围工作环境、生产及产品造成污染，如食品、药品等；矿物油泄漏或排放出具有一定毒性的油蒸汽，也会对一线工作者造成呼吸道、皮肤等身体危害，而以纯水为工作介质的纯水液压传动则不存在这一问题。

（三）安全性强

油压传动技术应用于采矿、冶金等工业生产领域时，因矿物油阻燃性较弱而易引发火灾，给生命财产安全带来威胁，因此，油压传动的安全检查与火灾预防至关重要，但这无疑也在一定程度上增加了工作负担。与矿物油相比，纯水的抗燃性较强，且具有高比热与高导热率，分别达到矿物油的2倍和4倍，因此，纯水的升温性质较弱，纯水液压传动可有效消除火灾危险，安全系数更高。

（四）执行精度与效率高

与液压油相比，纯水的密度高、压缩系数小，刚性较强，一定程度上增强工程机械驱动系统的动态性能，并弥补因泄漏或排放而减少的介质容积，提升具有能量传递与控制效能的执行器的工作精度。同时，纯水的粘度低，温度敏感性不足，纯水液压在运行过程中发热较少，热量损失与压力损失都低于油压传动，具有更高的传动效率。纯水无色无味，且本身具有一定的清洁功能，因此，纯水液压的养护与清理简单便利，还可降低系统设备的养护与维修成本。

二、纯水液压传动的关键技术

纯水作为传动介质，具有一定优势特性的同时，也存在着一些缺点，如粘度较低、润滑性不足、易于导电等，这些不足不仅给纯水的使用带来阻碍，更导致了工程机械纯水液压传动系统的泄漏与密封，润滑与磨损、腐蚀、气蚀等一系列技术难题。针对这一情况，设计与应用纯水液压传动必须对其发生机理进行系统分析，进而在结合实践经验的基础上探索其有效解决方式[3]。

（一）泄漏与密封

粘度是代表液体流动性能的重要指标，纯水的粘度为0.5mm2/s—1mm2/s，只达到同等温度水平下液压油的0.03。低粘度会在较大程度上影响纯水液压传动系统的元件，并对其构成泄漏的风险，增加密封的技术难度。一般来说，密封液体常为层流状态，可简化为两平行平板间隙层流，其泄漏流量所用的公式为：

Qv=bh3（P1-P2）/12vL

其中，Qv为泄漏流量，b为间隙的宽度，L为间隙的长度，h为间隙的高度，v为介质的运动粘度，P1-P2为间隙的进出口压力差，其均为标准单位。在相同的工作压力与密封境况下，水压传动与液压传动的泄漏流量之比可近似为：

Qvw/Qvo=vo/vw

可以看出，液体的泄漏量与其粘度为反比。相同工作压力与密封情况下，纯水液压传动的介质泄漏量将大幅高于油压传动。因此，降低纯水液压传动系统中元件的密封间隙以保持二者相同的泄漏量并不可行，元件会因紧密的密封间隙而使得固体壁面摩擦力和热膨胀增大而卡死，同时还会减小润滑膜面积，导致元件磨损。针对此，采用橡塑与滑环等组合密封方式，同时不断探索、改进纯水液压传动的元件精度则是一种行之有效的预防泄漏方法。

（二）润滑与磨损

由表1可知，和液压油相比，纯水的润滑性较弱，且温度变化敏感性小，具有一定润滑效果的挤压与热楔效应对纯水的影响相对较弱，因而摩擦作用的副对偶面难以形成润滑膜和边界膜，系统元件容易产生磨损。实践证明，纯水液压传动的滚动轴承基本不能形成油压中的弹性流体润滑膜，采用动压支撑存在固体表面直接接触的风险，进而导致密封磨损失效，因此，纯水液压传动多运用静压支撑方式。若保持相同的泄漏量, 水压元件中的密封间隙将相应减小:

（hw/ho）3=vw/vo

hw/ho≈0.32

上述公式说明，水压元件摩擦副的配合间隙仅为油压元件的1/3，其润滑膜厚度也仅为油压元件的1/3。因此，对于静压支撑的元件，纯水液压元件的润滑膜厚度应保持在3.3-10微米。同时，笔者认为，针对性的引用耐温抗磨的陶瓷材料，以避免壁面粘结、增强传动系统过滤精度，同时，也可配对组合陶瓷、塑料、金属等材料，以试验、研发新型的抗磨耐腐、综合性能高的对偶摩擦副材料。

（三）腐蚀与冲蚀

经验发现，如果注水流长期冲刷工程机械驱动系统的元件部分，就会在零件表面形成细长的丝状凹槽，这是因为纯水具有较低的粘度，且润滑性不足，纯水中的一些固体颗粒也会加重冲蚀痕迹；同时，纯水作为一种天然性电解质，具有较强的腐蚀性和导电性，极易与系统元件发生电化学反应，促使其老化腐蚀。针对纯水的腐蚀与冲蚀现象，应在设计和研制纯水液压传动系统时，对水流及其泄漏等进行预估，并针对性的选用不锈钢、工程塑料、金属合金等抗腐材料或于元件表面涂盖陶瓷、高强度塑料等新型复合材料。此外，还可减缓水流速度、提升系统过滤性能或于介质中添加适量的酸或碱离子等，减缓其碱性或酸性腐蚀。

（四）气蚀

气蚀，主要是指高压区域气泡凝结并破灭的瞬间产生较大压力，以对过流区域表面材料造成损坏，进而影响传动系统执行性能的现象。一般来说，导致气蚀现象产生的气泡主要表现为两种形式，一是在特定温度下，液体压力低于其饱和蒸汽压时，其会逐步沸腾，并产生大量的蒸汽泡；二是特定温度下，液体的压力低于气体分离压时，其中溶解的气体会分离出来并形成气泡。常温状态下，气体在液压油的溶解度为5%-10%，而在水介质中仅为2%，纯水中所含的气体较少，但是，水介质的饱和蒸汽压为液压油的数千万倍，因此，水压元件更易受到气蚀破坏。同时，同等时间内，纯水液压传动系统中气蚀的破坏力度是油压传动系统的百倍以上。气蚀损坏的力度与构件材料的硬度成反比，即有效增强系统元件的材料硬度即可抵抗气蚀作用。目前，使用较多的材料主要是经过一定热处理且含有Mg、Cr等元素的合金钢。此外，于传动系统的阀口设置异型构造，并采取多级节流方法缩减压差，也可在一定程度上抑制气蚀损害。

三、纯水液压传动的研究与应用

随着新型材料、高新加工技术的不断发展与绿色环保及可持续发展观念的深入，水压传动重新引起国际社会的广泛重视与研究，并逐步取得引人注目的成果。其中，德国研制广泛适用于不同天然流体的EHK系列柱塞泵和纯水液压阀，压力16—70 MPa不等；丹麦采用不锈钢、工程塑料与紧密组合设计生产了一系列水压元件；英国成功将纯水应用于海底石油开采液压系统；而我国则生产出最高流量为100L/min的纯水柱塞泵及一系列水压控制阀。这些研究与成果展现了水压传动技术良好的适用性和广阔的应用前景[4]，具体表现在：

（一）食品加工领域

20世纪70年代，水压传动即在食品生产与加工行业展示出广阔的应用前景，发达国家也就其展开研究，并形成了先进的液压产品。其中，丹麦针对不同性质的食品生产领域，开发研制不同种类的水压系统元件，如阀类，包含节流阀、换向阀等，其最大流量为30L/min，工作压力则为6Pa。目前，多种新型水压传动系统的食品生产与加工机械投入肉类切割、牛奶封装和汉堡加工等。

（二）医疗制药领域

医疗制药关乎生命健康，其对生产中的污染与有害物质控制极为严格。为避免油压传动在运行中易产生的泄漏、排放、污染等问题，传统应用的制药机械常以电机和压缩空气联合为传动介质，然而，此方法存在较大的技术困难，如压缩空气无法精确控制，压力无法达标等，不仅加重生产成本，效率也难以保证。因此，针对医疗制药的特性,探索有效的水压传动具有重要意义。目前，许多发达国家都已大量投资，如医疗药品粉碎机械、各式制粒机、灌装与包装机等。

（三）钢铁煤矿机械领域

钢铁、煤矿的开采与生产对于作业环境具有严格要求，液压传动系统的动力介质必须无燃、无毒，而矿物油一经泄漏较易造成严重污染[5]。相比液压油和高水基乳化液，纯水价格低廉，取用简便，且具有良好的抗燃性和散热性。目前，人们正逐步加强对纯水在煤炭钢铁机械领域的研究，如液压支架、液压支柱等，探寻减轻纯水引起的生产设备金属零件腐蚀与磨损问题的有效技术。

四、结语

综上所述，纯水液压传动技术以纯水为其动力介质，节能环保、无污染危害的同时，具有较强的抗燃性、安全性、效率和精度，展现出良好的经济效益与社会效益，已成为液压传动领域更高层次的发展方向。同时，高新技术材料和工程机械加工工艺的不断发展与进步，为研制开发高性能的纯水液压传动系统构件和控制方式奠定了坚实的物质与技术基础，因此，纯水液压传动技术必会获得新的突破，并于工程机械驱动系统与工业生产领域发挥愈来愈重要的作用。