纯水液压技术的回顾与展望

去除 !"#$、%&#$的纯水
某些溶解的颗粒及钠盐
去除所有正负离子的水
微生物
去除了所有生物体和非生物颗粒的水 纯净水
（#）泄漏问题的解决。液压元件中大部分的 运动副采用间隙配合方式，其缝隙量对泄漏量影 响极大。密封间隙的减小，又会使润滑膜厚度减 小，元件的磨损加大，继而导致密封迅速失效。因 此，仅以采取减小间隙的配合方式是不行的。目 前有研究结果表明，在水压传动元件中用组合密 封形式是较为理想的防泄漏手段。
工程机械 !""# （$）
类 未处理的天然水
处理的天然水
型 自来水 天然淡水 海水 物质水 去离子水 蒸馏水
表 ! 纯水的分类 来源
水处理厂 湖 泊 、江 河 和 山 泉
液 压
·
污染物含量
液
污染物多
力
污 染 物 多 、酸 及 溶 解 的 颗 粒
海 洋 （内 陆 咸 湖 ）
盐 度 高 、污 染 物 多
工程机械 !""# （$）
图 ! 纯水液压传动的应用比例与趋势 压传动的基本特征就是能够输出高压水流。如果采 用高压高效纯水液压灭火系统的话，则和现有的喷 水灭火系统不一样，在楼层中间再额外地设置几个 中转加压泵站，这样不仅可以显著提高高层建筑喷 水灭火系统的灭火效果，大大减少灭火系统成本，而 且还有效地扩大了高层楼房的实际使用面积。同时， 高效水雾化具有动力消耗小、系统简单、占用空间 小、布置方便等优点。但其形成条件是消防水必须具
（’）气蚀问题的解决。由于水的汽化压力高， 加之水中含有 #(左右的空气，特别容易诱发汽 化 ，导 致 气 蚀 现 象 。 据 统 计 ，在 维 修 的 泵 中 ，)*( 是因为气蚀而损坏。对于液压泵，容易发生气蚀 的部位是配流盘吸、压窗口的交界处，以及泵的吸入 口。研究结果表明，气蚀现象可通过在泵的入口加压 解决。
5 纯水液压技术的特点与技术难题
所 谓 “纯 水 ”是 指 纯 粹 的 天 然 水 ，即 不 含 任 何 添 加剂的水。关于纯水的分类见表 !。 纯 水 作 为 液 压 传 动 的 工 作 介 质 ，具 备 如 下 特 点 ：无 污 染 ，有 利 于 全民绿色意识的提高；成本低、阻燃性、安全性（这对 大量使用液压油的冶金行业来说其前景十分看好）、 系统沿程损失和局部损失都非常小；响应快（采用纯 水作为工作介质可以使液压伺服系统的执行机构实 行更准确的定位）、温升小；系统维护保养方便、维护 监测成本低等项优点。同时也存在腐蚀性强、气蚀严 重、防漏性差等缺陷。但这些缺陷正随着科学技术的 不断进步，被逐步克服。
关键词：纯水 液压传动 深海采矿 水利提升
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! 研究现状
随着社会的发展，人们对人类赖以生存的环境 有了一个更高的要求，希望有一个安全无污染、高度 文明、美好的环境。因此也要求科学技术向安全、生 态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。水介质本 身独有的一系列特点正好满足了现代社会提出的这 一 要 求 ，因 此 ，纯 水 液 压 技 术 就 应 运 而 生 了 " 它 标 志 着液压传动技术正向更高的阶段发展。纯水液压技 术，尤其是深海纯水液压技术已经成为现代液压界 关注的热点。
扬矿管上端悬置于采矿船。柔性软管将集矿机与主 成水力提升、气力提升机理研究及不同体积、浓度输
扬矿管道连接呈拱形浮在水中，允许集矿机偏离主 送参数试验，并对工业开采水力提升参数进行了预
扬矿管左右移动绕过障碍，且在地形高度变化时可 测和初步优化，建成了既可进行集矿技术研究和设
补偿扬矿管下端距海底的高度变化。当采矿作业区 备性能试验，又可进行管道提升方法和工艺参数研
为未来液压技术的前沿课题。例如深海采矿的液压 绕过海底障碍物容易、通过性较好的要求，采用履带
系统如改用海水液压，将为工作的进行带来很大的 行走方式。其中的液压系统用电机驱动，泵、电机、阀
方便而且会产生很高的经济和社会效益。日本及法 组均装在耐压仓内，预压进行水压平衡补偿。而且可
国已于上世纪 !" 年代研究开发出用于海洋作业的 以预见，如何将水压传动技术用于大洋采矿工程应
力
技术领域。设备制造难度大，正因为如此，大洋采矿 率、开采规模大、技术难度小等优点。该系统由自动
技术才构成海洋高科技的前沿和制高点，并以空间 集矿机、扬矿机（提升）子系统、监控子系统、采矿船
的 广 阔 性 和 时 间 的 长 期 性 向 人 类 展 示 一 个 全 新 的 和运输支持子系统五大部分组成。其中，集矿机和提
水液压系统。大洋金属结构开发采用流体提升采矿 当作为液压界的重点课题，这一课题必将成为液压
的方法如图 #，这是目前国际上公认最具有实用价 技术的前沿课题。
值 和 工 业 应 用 前 景 的 方 法 ，该 方 法 是 当 采 矿 船 到 达
目前，我国在深海采矿基础理论和原理性试验
采区后，将集矿机和扬矿管接好并逐步放入海底， 方面取得重要突破，研制出了复合式集矿模型机，完
高新技术的应用和发展领域。
升泵等关键设备都涉及到液压传动与控制技术。其
对于深海采矿的纯水液压传动技术，至今仍处 中，集矿机采用水力和机械装置结合的复合式集矿
于 萌 芽 时 期 ，还 没 有 成 熟 的 经 验 、技 术 可 供 我 们 借 方法达到采集、分选结核目的，为满足结构简单、重
鉴。许多国家包括中国都已把深海纯水液压技术作 量轻、压陷深度浅、牵引力大、对海底破坏轻、跨越或
这些问题，改善煤矿的生产环境，纯水液压技术的使
用是有效的方法之一。纯水与液压油和高水基乳化
液 相 比 ，不 仅 有 良 好 的 抗 燃 性 、散 热 性 ，而 且 价 格 也
便宜。所以使用纯水液压，对降低煤矿的生产成本是
有益的。在煤矿生产中广泛使用的液压支柱，大量消
耗着乳化液。调查发现，很多煤矿的工人在液压支架
国内自 5# 世纪初也开展了纯水液压传动技术 的研究，华中理工大学进行了海水液压传动技术的 研究，现已成功地研究出轴向柱塞式海水液压泵，该 泵能用含有微细沙粒的海水工作，额定工作压力为
< 安徽教育厅自然科学基金资助项目（5##5-=55>?
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/ 34%，最高工作压力为 67/ 34%，额定流量为 !## 8!9()，容积效率达到了 1:;。同时，浙江大学流体传 动及控制国家重点实验室也投入大量的人力、物力 从事纯水液压技术的开发和研究工作。安徽理工大 学也从 5##5 年起投入人力、物力，进行纯水液压元 件的设计与开发，已设计出用于纯水液压系统的齿 轮转子泵（马达）系列。
’ 纯水液压传动的应用
现在一般认为，纯水液压传动的应用可分为四 个阶段。第一阶段主要是一些特殊领域，如高压清 洗、喷雾、消防等；第二阶段主要是食品加工行业，例 如面包机、肉类切割等；第三阶段则扩展到工程机械 及通用机械。在此阶段，纯水传动将会逐渐扩大市场 份额，其函数关系如图 ) 所示，第四阶段将主要应用 于深海采矿。 "#! 用于消防
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液 压
液
力
纯水液压技术的回顾与展望 <
安徽理工大学 张 军 许贤良 谢 芳
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"" 摘 要@回顾了纯水液压技术的发展历史，概述了纯水液压技术的特点及国内外研究状 况 ，着 重 介 绍 了 纯 水 液 压 技 术 在 消 防 、矿 山 开 发 和 深 海 采 矿 中 的 应 用 。
煤机上的应用( 液压与气动，&))’*2,
液
压
! 陈远玲% 杨华勇% 周华% 范明豪( 纯水液压传动技术及
水，然后用高压水射流采煤，这将是纯水液压技术在 煤炭行业应用的雏形。这对于有丰富煤炭资源，距离
其在煤矿采掘机械中的应用( 矿山机械，&))’*3,
液
+ 简 曲( 中 国 大 洋 采 矿 技 术 发 展 述 评( 采 矿 技 术 ， &))’
力
水源很近的淮南来说是很可取的，而且这不但可以
（3）
提高采煤机的除尘效果，而且使电牵引采煤机完全
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有足够高的压力，一般来说，不得低于 )* %+"，纯水 液压系统的输出压力通常在 )*,’# %+"，高压细水 雾 灭 火 系 统 在 喷 水 方 式 、成 雾 原 理 、灭 火 机 理 、灭 火 效能、应用范围及系统经济性能上均产生了质的飞 跃 ，工 程 应 用 前 景 十 分 乐 观 ，同 时 ，水 的 高 压 雾 化 也 是射流技术在灭火领域新的应用。这一套系统同样 可用在其它用高压水射流的场合，例如：钢板的切割 及钢板的除锈等，这会比以往的高压水射流的获得 方法节省许多能量。 "#$ 用于海洋开发
出现台风或热带风暴时，采矿船与水下系统脱开， 究的大型海洋采矿综合试验室。
驶往安全地带避风，而水下系统仍然留在采区，风 "#" 用于矿山开采
暴过后，采矿船返回原位，重新接上水下系统。集矿
纯水液压传动技术在煤矿机械例如在
机用于采集海底沉积物中的结核并进行初处理。在 $%&’""!()’* 型 电 牵 引 采 煤 机 上 的 应 用 已 取 得 了
评价一个国家的综合国力强弱的标准是对外层 空间和海洋的利用能力。开发和利用公海海底矿产
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液
资源日益引起国际社会的广泛关注。大洋采矿技术 速度向上运动，将结核输送到海面采矿船上。该方法
压
是较航天技术难度更大的一项综合高新技术，涉及 可配用自行式遥控集矿机，具有较好的灵活性，且有
·
液 到勘探、海洋、机械 、电 子 、自 动 化 、船 舶 、通 讯 诸 多 避开海底障碍物与不利地形的能力、较高的采矿效
我国现代建筑正逐渐向高层化发展，但高层建 筑的消防灭火问题却存在着严重的隐患。高层建筑 起火而无法迅速有效扑灭的一个重要原因是高层消 防用水压力不足，特别是在灭火的后期，即使在装有 自动喷水灭火系统的地方，由于水压较低，水喷淋系 统所喷出的水覆盖的空间小。这样灭火的效果需要 以缩小住户的有效住宅空间来作为代价。而纯水液
和液压支柱的使用中，很少按规定要求混加乳化液，
以使乳化液浓度只有 ’+左右，有些煤矿的乳化液
浓度连 ,+都不到，甚至是纯水，但液压支架仍可以
图 ! 流体提升采矿法
工作。这给人以启示— ——纯水液压技术将可以在液
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工程机械 !""# （$）
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压支架中得到应用，这在煤炭行业中，将大大地改善 矿井的工作和安全条件，例如，用纯水液压提供高压
除去大结核的同时将合格尺寸的结核输入扬矿管 一定的进展，而且在液压凿岩机械和液压钻机中水
底端，以水力或气力提升方法使管内的水以足够的 压传动应用的前景也十分看好。
长久以来，煤矿的现场生产条件十分恶劣。同
时，生产对地表以下环境的污染也十分严重。产生这
种污染很大的一个原因就是液压油和高水基乳化液
的使用，面对愈来愈重视环境保护的将来，逐步解决
随着新材料的研发成功、精密加工技术的不断 进步，以及各种新结构的液压元件研制成功，使水压 传动技术在最近 !# 年内取得了长足的进步，并重新 开始进入了有严格要求无污染的领域，具有十分诱 人的应用和发展前景。同时，鉴于国防建设与某些特 殊经济领域的迫切需要，以及未来市场的诱惑，西方 国家一直在集中力量研究该项技术，并已取得了突 破性进展，部分已进入实用阶段。目前，国外已经生 产出专为纯水液压系统设计的液压元件，如德国 $%&’()*+ 公司生产的 ,’-./- 系列柱塞泵，英国于 !011 年研制 成 功 !2 34% 的 海 水 柱 塞 泵 及 !# 34% 的海水柱塞马达。国外的纯水液压技术已进入包括 海洋开发、水下作业、原子能动力工厂、钢铁工业、食 品、医药等诸多领域中，创造了很大的经济效益。
（!）润滑磨损问题的解决，有两种方式。一种是， 元件的轴承部分用油来润滑，通过密封件与高压纯 水分开，纯水仅作为能量和控制信号进行传递；另一 种是，水参与润滑。选用合适的制作材料对纯水液压 系统是最基础的工作。目前考虑的材料有工程塑料、 结构陶瓷、高分子材料等。结构陶瓷由于其优越的耐 磨 性 、抗 气 蚀 性 能 好 、良 好 的 化 学 稳 定 性 、较 低 的 摩 擦系数等特性倍受青睐，在液压元件中用结构陶瓷 代替部分金属材料将会大大改善液压元件的性能。