液压技术在船舶行业的应用

液压技术在船舶行业的应用

摘要目前，液压传动技术在船舶上的应用日益广泛，如舵机、起货机、锚机、绞缆机、吊艇机、旋梯升降机、舱盖板启闭装置等船舶甲板机械多采用液压系统作为动力源或推进装置，而传统的气动、蒸汽甲板机械已逐渐淘汰。水代替矿物油作用作为工作介质这一绿色液压技术成为当今国际流体动力领域的前沿热点研究方向之一。文章介绍了液压系统的发展历史以及其趋势。通过对液压技术的分析，阐明了其在船舶行业应用的前景、难点以及关键技术。最后，本文展望了液压技术在船舶上的发展趋势。

关键词液压技术；船舶行业；优点；难点与关键技术；前景

正文

一、引言

液压技术是使用处理后的淡水或海水代替矿物油作为工作介质的绿色液压技术。因水工作介质无污染、成本低、阻燃性、安全性好，其系统动态特性好、温升小，液压技术在一些应用场合具有油压技术无法比拟的优势。但水的粘度低、润滑性差、腐蚀性强、饱和蒸汽压高等性质也给液压系统的研制带来一系列难以解决的关键技术难题，限制了其进一步发展和应用。

现代液压技术是基于帕斯卡原理，根据水压传动技术发展、完善起来的。英国人Jeseph Brama （1749～1814）研制的水压机是世界上第一台根据帕斯卡原理研制的水压机。19 世纪后半叶，由W. G. Arm strong 研发的利用水为介质的液压机械和元件，开始主要用于船舶起重机和锚机上。在17 世纪末到20世纪初这100多年里，液压传动的介质一直是水[1]。但是20世纪伴随着石油化工行业的蓬勃发展以及水液压固有的缺点（易泄露，易腐蚀金属元件，液压元件制造和维护成本高等），液压技术逐渐开始往油压发展。到了20 世纪60～70 年代，液压技术快速发展并日益完善，如今进入到稳定成熟的发展时期。然而伴随着时代发展的要求不断提高，液压油易燃烧和污染环境两大严重问题日益困扰着液压行业的发展，尤其对船舶行业带来很大的冲击。

鉴于现代液压技术中多以矿物油作为介质，其在高温下极易燃烧。且如果液压系统发生泄漏，易造成环境污染。采用柴油机直接推进、电力推进、超导电磁推进和喷水推进的船舶均需要在船舶上设置两套动力系统，以供主推进装置与船舶辅机使用。液力推进虽然使用液

压源，但其推进效率极低，仅为60，限于特殊场合应用。而若主推进装置采用液压推进，就可与辅机使用同一动力源，这样既利于能源的使用，又利于液压设备的整合，即“船舶综合液压推进”。而以水为传动介质的液压传动，因水清洁阻燃，能满足现代社会对环境保护之需求，故而近年来液压传动技术备受人们青睐。同时，随着新材料技术和高精度加工技术的发展，基本克服水作为传动介质的缺点，推动了液压传动的研究进展。总之，相比于矿物型液压油和合成型液压油液压传动，液压传动具有着非常广阔的发展前景。

二、液压传动在船舶行业应用的优点

与现有的推进方式相比，液压推进的船舶有如下优点：

输出恒定扭矩。这是其它传动方式所不具备的，充分迎合了螺旋桨转速常变而扭矩恒定的要求。操纵控制方便，机动性能好。船舶采用液压推进时，螺旋桨转速可以在反向额定转速与正向额定转速之间进行无级调速和换向，完全不受主机最低稳定转速的限制。由于液压推进系统几乎不受执行机构和机械系统运动惯性的影响，因此对螺旋桨可进行有效的制动，而且其动态过程稳定、时间短。与用柴油机变速的直接传动系统相比，对控制信号的响应快得多，易于实现快速起动、换向以及制动等操作，尤其是在船舶高速航行时，该特点更加明显。

机舱布置灵活。柴油机和螺旋桨的安装位置可以根据机舱位置进行多层布置，互不影响，避免了直接推动系统柴油机轴线必须与轴系中心线、螺旋桨中心线在同一直线上而不得不垫高机座位置的不合理布置情况的出现。灵活的布置使机舱空间得到充分的利用，机舱所需容积减少，有利于货物的装载。

安全可靠性好，振动小，噪声低。首先，液压推进自身具有较高的机动性能。其次，南通剪板机不受柴油机最低稳定转速的限制，可实现微速航行。再次，可使用多台原动机，各原动机既可以独立工作又可以联合使用，推进器可采用多个螺旋桨，且都独立控制，因而即便是部分原动机和螺旋桨出现故障也不会导致船舶没有航行能力。最后，由于液压油具有良好的润滑性能，只要管理得当，液压系统的故障率很低，同时液压装置也易于实现过载保护。

功率重量比大。在同等功率情况下，液压执行装置具有体积小、重量轻、结构紧凑等优点。例如，液压马达的体积只有同等功率电动机的12左右。据SIEMENS公司对电力推进船舶设备重量的统计，其值比直接推进的同功率船舶设备总重量减少30，液压推进比电力推进布置更紧凑，重量更轻，因此更有利于机舱和螺旋桨的布置。

延长了发动机以及元件的使用寿命。如采用液压推进，则船舶航速与航向的改变不依赖

主机转速、转向的变化。主机转速可以为固定值，减少了主机起、停、换向次数，因此减轻了运动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏。

适用于某些特殊船舶。相对于电力推进，从安全角度考虑，液压推进船舶更适于某些特殊船舶，如天然气船、油船等。

三、液压传动技术在船舶上应用的问题与关键技术

限制船舶动力以及其它机械设备的输出功率。由于水的工作温度有限和水易气化的特点，导致研制的液压泵输出的功率太小，所以不适用于大型船舶、特种机械上。如何研制大功率水压系统是现今的一个难点。

腐蚀问题。由于水具有较强的腐蚀能力和导电能力，会引起和加快对液压系统元件的腐蚀。一般在液压系统中，采用铝合金、不锈钢等材料；为了防止点蚀和缝隙腐蚀[9]，可在水中添加酸、碱离子。金属的腐蚀对船舶行业的影响尤为严重，每年都会造成巨大的财力、物力的损失。

气蚀问题。水的气化压力比液压油高很多，而且一般水中也含有空气，这使得液压系统容易发生气蚀问题，导致元件材料表面被剥蚀，还会产生振动与噪声等问题，严重影响船员的工作坏境。一般采用限制系统温度、提高液压泵吸入压力等方法。

新的设计理论和方法。从油压向水压发展需要研究新的设计理论、建立新的数学模型，从而建立完整与完善的液压传动系统。

四、液压技术在船舶行业的展望

液压传动系统中能量的损失主要包括各元件中运动件之间的机械摩擦、泄漏损失、溢流及节流损失以及无功损失等几方面。随着社会对节能和环保要求的日益增长，高效的应用能源和降低噪声已经成为了液压行业的—个重要目标，而节能更是液压技术的—个重要课题。

电液负载感应系统。负载感应即将系统中变化的负载压力反馈到压力补偿装置或液压泵的一个变量调节机构。它使得液压系统的压力与负载压力相适应，能够消除系统压力过剩。由于负载感应装置与变量泵的变量调节机构相联系，变量泵流量与负载流量能相适应，系统不会产生过剩流量。

一体化构造。将液压泵、马达，油箱，油量补偿回路构成为一体，形成一个无配管的一体化机构。

省电节能的液压系统设计。省电液压系统主要是在液压系统中采用以下的设计方式达到