水液压技术及元件

水液压技术及元件
王锡霖
摘要：以水为介质的液压传动技术，由于水介质无污染、成本低、获取容易等优点，近年来逐渐受到重视。

论文论述了水液压技术的发展历程，比较矿物油、水（高水基液）以及海水，三种传动介质的液压传动方式优缺点。

对国外期刊中关于水液压文献进行整理，发现自2009年起发表的论文数量明显增多，研究的内容主要集中在阀、泵、马达三大液压元件上，并归纳了目前的研究现状。

水液压传动的主要问题是水介质的粘度低、润滑效果差，导致系统易泄漏、摩擦副的工作情况恶劣，进而产生了密封、摩擦副材料选择等问题，由于摩擦力大也产生了控制精度不足的缺点。

材料、摩擦和热平衡、制造装配的研究是目前水液压技术发展的重点内容。

关键词：水液压；海水液压；摩擦；密封；
1引言
液压传动按介质可以分为：矿物油、水两种。

当中水液压传动又可分为以高水基液和海水两种为介质的传动方式。

海洋开发机械中使用的液压传动形式有两种：矿物油液压系统、海水液压系统[1-3]。

矿物油液压系统由于存在泄漏污染等因素，不便于在食品加工等行业应用；在海底机械系统中的应用由于受水压、海水腐蚀以及元件和系统密封等因素影响，其应用的局限性大，在海洋开发机械中，现已有了逐步使用海水液压系统取代传统矿物油液压系统的趋势；同时石油资源逐渐枯竭，可以预见在今后的一段时间里使用矿物油液压系统的成本将会越来越高。

论文主要阐述水液压系统及元件的特点，以及水液压系统目前的研究状况。

2发展历程
以水为介质的水压液压传动最初出现于17世纪末，在随后的一百多年之内液压的传动介质都是水。

直到19世纪末石油工业发展迅猛，以矿物油为介质逐渐在很多行业取代了水液压传动，成为主要的液压传动介质。

20世纪60年代，由于军事上的需求，美国海军开始进行关于使用海水作为介质的液压传动进行研究，也就是所谓的海水液压传动。

到了80年代，由于新型材料的研究成功，以及响应加工方法的完善，水液压元件的研究取得了巨大的进步。

在随后的十几年里，美国和日本两国的研究在世界上占主导地位。

下表1、表2分别是美、日两国的海水液压元件发展的时间表。

表1美国海水液压元件研究发展时间表
时间研究方研究内容
1967年Vickers公司高压海水液压泵材料的研究
美国海军舰船研究中心(DTNSRDC和NSRDC)及土木工程实验室(NCEL)研究高压海水液压泵和马达,目的是研制开发海水液压水下作业工具和深潜器浮力调节系统
1971年美国海军舰船研究中心研制出高压海水泵
1980年
美国海军土木工程实验室研制出海水液压叶片马达
1984年研制出首套海水液压水下作业工具系统,其动力源压力为14MPa,流量
为30～45L/min,作业工具有冲击扳手和旋转式螺旋桨清洗刷等
1991年研制出多功能海水液压水下作业工具系统(MFTS)
表2日本海水液压元件研究发展时间表
时间研究方研究内容
1978年三菱重工开始研制高压海水泵
1980年三菱重工研制出压力21MPa、流量6.55L/min的曲柄连杆式径向三柱塞海水泵
三菱重工研制出流量4L/min、额定压力63MPa(最大达75.5MPa)的曲柄连杆式径向三柱塞超高压海水泵
川崎重工研制出流量达9L/min、额定压力63MPa(最大达75.5MPa)的轴向柱塞式超高压海水泵
1982年川崎重工研制出流量6L/min、额定压力68.5MPa(最大达82MPa)的轴向柱塞式超高压海水泵
3水液压系统的特点
以下分别介绍矿物油、水（高水基）、海水三种介质的液压系统特点：
3.1矿物油液压系统的特点
矿物油液压系统的特点：液压油对温度较敏感，粘度受温度影响大；液压油泄漏对环境存在污染，在食品加工、医疗机械、包装机械等行业应用受限，在这些行业高水基液压系统的应用较广；矿物油可燃，要求系统温度不能超过燃点；在压力较高的应用场合要求液压元件具有较高的制造精度，以达到较高的密封性能，和系统耐压性能；矿物油的压缩性较大、粘度大，同时系统封闭，导致系统能量损失较大；液压油清洁度对系统性能影响大，因而要求具有较高的过滤性能。

矿物油液压系统在海洋开发机械中的应用局限：使用矿物油为工作介质，系统必须封闭；当应用于海底机械系统时，随着工作海深的增加液压系统的体积、重量大大增加，同时系统密封要求较高，因而限制了最大工作海深；由于系统封闭，需要有油箱来补充和回收液压系统压力油，但是随海深增大，海水压力将导致液压泵吸油困难，需要一定的压力补偿装置。

下图1为海洋开发机械中应用的矿物油液压系统简图。

图1传统海底油液液压系统
3.2水液压系统特点
直接以高水基物质（水为主体介质加上一些添加剂）为传动介质，介质来源丰富；介质对环境无污染；高水基介质不可燃，系统工作时无最高工作温度的限制；介质对温度不敏感，其粘度受我呢度影响小；介质粘度低，系统泄漏量大；水基介质的润滑效果差，对元件材料的耐磨性能有较高要求。

水液压系统在注塑[4,5]、水液压并联机器人[6]、核工业中的核反应堆操作中的机械手[7-9]、煤矿生产中[10]、消防机器人[11]等领域中皆有应用。

3.3海水液压系统特点
海水液压系统的特点：直接以海水作为工作介质，在海洋中取水方便；系统可设计为开式系统，不需要油箱及回油装置，系统的体积和重量大大减小；海水粘度小、可压缩性相比矿物油小，因而系统的压力损失较小；海水压力自动补偿，不需要专门的压力补偿装置，理论上这种系统可适用于任意水深；海水对环境无污染，但是对系统本身的元件有腐蚀作用；
海水不可燃，因而没有介质温度的限制；海水润滑效果差，对系统元件的材料提出了高耐磨性及高加工精度的要求；海水汽化压力大，因而随温度升高其汽化压力上升很快，极易对系统造成气蚀；海水粘温、粘压系数小，在正常海洋环境温度及深度条件下工作其粘度基本保持不变,因此海水液压系统工作稳定性好,无须担心工作环境压力、温度的变化引起介质粘度变化而造成系统工作的不稳定等问题,有利于机器设备在不同水深条件下工作。

目前，高水基液压传动的实用压力水平达到了14~32Mpa，海水液压传动的压力水平达到了14Mpa。

图2开式海水液压系统原理图
海水液压系统的主要应用领域：水下作业工具，如钻孔器、冲击器、电锯等[12]；海上救捞工具；用于海底管道的铺设、维修和焊接；深潜器的浮力调节以及舰艇、海洋钻井平台和石油机械的液压传动；海底天然气井口自给控制系统；作为水下动力源驱动水下机器人；海水淡化，等等。

4发表的论文统计
关于水液压系统的研究状况，可由表3（研究论文数量）进行说明。

自1993年起至今，发表的关于水液压系统的论文数量总计133篇。

由表3可知，每年的研究论文数量总体较少，不超过20篇。

并且自2005年起发表的论文数量基本维持在每年10篇左右，相比与之前每年4篇的水平有较大提升，说明近年来国际社会对水液压技术的重视程度日益加大。

表3每年关于水液压系统的论文数量
表4今年研究内容的分布情况
表4是对水液压系统研究内容分布的一个统计，可以看出对于元件的研究对象主要是水液压阀、泵、马达等三种主要元件。

5水液压技术目前的研究状况
5.1水液压系统控制
由于水液压系统存在大泄漏和摩擦力，其系统控制的主要问题是稳态误差和超调。

传统的模型参考自适应控制在油缸控制中取得了良好的跟踪性能，但其在实际应用中结构复杂、对鲁棒性存在干扰。

文献[13]使用简单自适应控制方法来控制水液压伺服系统，与PI控制相比得到更好的控制性能，其精度也可与模型参考自适应控制相媲美。

文献[14]将滑动控制模式与干扰观测器相结合对水液压马达在负载波动下的旋转角度控制性能。

文献[15,16]水压伺服马达进行了研究，为了解决流动方程的高度非线性，将方程线性化和参数化，考虑参数不确定性（负载波动，摩擦参数，参数估计误差）的影响，并提出一种基于李雅普诺夫递归设计构造一个旋转速度控制器，并对所提出的控制器的有效性进行数值检查。

文献[17]研究了一种水液压伺服阀的稳态响应，研究结果表明阀芯两端的压力差与挡板位移有近似线性的关系，依据反馈杆和阀芯的元件组成的整体受力和约束条件，建立稳态的有限元模型，并使用软件计算的方法来进行评估；文献[18]还指出比例节流阀的输出流量不仅与阀口的类型有关，还受工作压差的影响，为了获得更好的稳态特性，阀口的工作压差应得到补偿，应采用闭环控制。

文献[19]论述了能够改进系统稳定误差和超调量的PID控制器。

另外，液压伺服系统的定位性能受限于阀和执行器的非线性，使用速度或加速度作为反馈信号，可以显著提高系统的动态性能[20]。

5.2水液压系统或元件的故障诊断
关于水液压系统或元件的故障诊断主要方法是振动信号的检测与分析处理：利用马达的振动信号分析进行水液压马达的故障诊断[21]，并进行剩余寿命预测，论文研究对周期性脉冲振动信号中的频率分量的解调的流体机器的故障检测，应用Hilbert变换解调周期的脉冲信号
特性的包络线，显示的基本频率，并通过自适应频谱优化，以获得最佳的参数，显示基于希尔伯特变换的振动信号的包络线的特征频率；噪声信号的来源是电机/泵的流量脉动，文献[22, 23]认为来自水液压系统的噪声特性与水柱塞液压马达内的活塞故障有密切的关系，论文通过小波分析振动信号，从而得到振动信号中的噪声，并使用连续小波变换来分析特定频率范围内的噪声，结果表明：不同的故障劣化情况水液压马达的噪声具有不同的特征值；文献[24]认为在机械故障诊断中常用到的时间同步平均、快速傅立叶变换频谱分析和短时傅立叶变换等分析方法不适合用于在具有低分辨率、非平稳振动信号的频域信号分析，提出了一种将小波分析和柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫（KS）测试分析相结合的水下柱塞马达脉冲振动信号分析；文献[25]则提出了基于第二代小波的振动信号特征值提取方法；文献[26]提出了基于小波分析的神经网络水液压系统故障诊断方法。

5.3轴承与密封
由于水的粘度小，极易产生泄漏，除了对元件制造精度和表面粗糙度要求较高外，还需要选择正确的轴承类型与密封形式以减小或避免泄漏。

目前，在水液压系统中阀的密封轴承主要采用静压轴承，文献[27]在静压轴承理论的基础上建立水薄膜压力腔的刚度和承载能力的数学模型，通过分析，喷嘴挡板系统在零流量的情况下的压力-流量特性方程成立，表明静压轴承技术的的应用可以形成滑阀和阀体之间的静压润滑。

此外，喷嘴挡板阀的压力-流量性能的线性关系被保留，但其中的压力的性能变差，因此有必要选择合理的线性区。

文献[28]对圆盘型静压轴承进行分析和试验，表明其承载能力不仅依赖于供给压力，同时与材料的弹性模量有关。

水液压系统在特殊的应用场合也具有特殊的密封要求，例如在核工业的应用中，水液压元件的不锈钢材质是不受γ射线影响的，但是整体密封及O型圈对γ射线是敏感的[29]，在这些场合就需要对元件的密封进行射线的影响试验，以确定最优的密封方式。

5.4元件材料选择及处理技术
水介质的润滑效果极差，因而在水液压系统元件的设计过程中，摩擦副的材料选择至关重要；在海水环境中应用时，还要将海水的腐蚀性能考虑到材料的选择中。

目前，提高水液压系统中摩擦副的耐磨性选用的材料主要有：金属材料、陶瓷材料（主要是）、高分子材料、复合材料、塑料等等；主要的材料处理形式有：热处理、表面喷涂陶瓷材料、表面镀耐磨金属材料（铬、镍等）、激光熔覆等形式[30,31]。

例如，水液压中的活塞杆材料可以为铬-镍不锈钢；导向元件可以使用超高分子聚乙烯制成。

相关学者将陶瓷材料与纳米技术结合，提出了陶瓷增韧纳米技术，并将其应用于水液压内齿轮泵，试验表明应用这种技术泵的寿命和容积效率在很大程度上得到提高[32]。

5.5摩擦特性研究及制造公差
水的润滑特性差，在两个接触表面形成润滑薄膜的能力差。

为了使水液压摩擦副在工作时不至于卡死，元件的设计阶段就需要设置一定的制造公差，为摩擦副配合之后保留一定的间隙。

文献[33]基于热平衡原理推导了摩擦副的最佳间隙公式，通过仿真和试验研究表明，存在一个最小间隙的柱塞摩擦副，并且其初始间隙必须比这个间隙大，否则会发生卡死。

研究表明包括系统的压力、阀芯的压力槽、阀芯和阀体之间的重叠长度等因素都会影响水液压伺服阀阀芯和阀体之间的摩擦力[34]。

有学者在N-S方程的基础上，研究水压间隙摩擦对流体的润滑特性，同时考虑惯性、表面粗糙度等特性，以修改经典理论所提出的摩擦副的润滑特性水压计算和分析结果[35]。

另外，对于为了降低非线性摩擦的影响以便于分析或运动控制，在分
析时也进行非线性摩擦补偿[36]。

选择合适的初始装配间隙，降低摩擦副摩擦系数并充分磨合可以适当降低元件之间的摩擦。

6水液压系统及元件的发展趋势
水液压技术的研究将逐渐成为研究的热点，今后将向更高压力水平、提高系统可靠性、提高控制精度的研究方向发展。

这当中涉及到元件的材料及处理工艺，以及相关加工设备和技术的完善、系统的密封性能研究、摩擦副中摩擦力的数学描述、提高加工精度降低元件零件的表面粗糙度、并对设计公差进行研究，等等方面内容。

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