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