徐敬廣

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

20世紀(jì)60年代，隨著國際工業(yè)、建筑、能源等基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進與發(fā)展，工程機械的市場需求與應(yīng)用大大增強，作為其驅(qū)動系統(tǒng)的液壓傳動應(yīng)運而生，并獲得廣泛關(guān)注與研究。液壓傳動技術(shù)起于帕斯卡定律，經(jīng)歷了最初以水為工作介質(zhì)后隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物型液壓油的過程，然而，礦物油易燃燒，耗費資源，易形成環(huán)境污染，與人類綠色環(huán)保、節(jié)約及可持續(xù)發(fā)展觀念相背離，因此，學(xué)術(shù)界和相關(guān)技術(shù)人員開始重新探索純水及純水液壓傳動技術(shù)，并逐步發(fā)展成為液壓傳動技術(shù)的重要方向，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、采礦等領(lǐng)域。

一、純水液壓傳動技術(shù)及其優(yōu)點

純水液壓傳動作為液壓傳動技術(shù)的重要類型，其實質(zhì)應(yīng)用發(fā)端于1795年Joseph Bramah研究制作的世界第一臺水壓機[1]。純水液壓傳動技術(shù)是指以純水為壓力介質(zhì)進行能量傳遞、交換或控制的一種工程機械傳動方式。純水是指不含任何添加劑的自來水、天然淡水、海水、蒸餾水等天然水，現(xiàn)有的純水主要包含處理的天然水和未經(jīng)處理的天然水，其中，未處理的天然水主要來源于江河、湖泊、山泉、海洋等，其污染物較多，內(nèi)陸河水會含有酸及溶解顆粒，而海水則具有高鹽分；經(jīng)過處理的天然水主要包含去硫物質(zhì)水、去正負離子水和去除所有生物與非生物顆粒的蒸餾水，其污染較少，純凈度高。與礦物油相比，純水的特性如表1所示。

表1 純水與礦物油的特性對比

由表1中二者對比可見，純水液壓傳送技術(shù)應(yīng)具有以下幾方面的特點與優(yōu)勢[2]：

（一）節(jié)約資源與成本

純水可廣泛取材于江河湖泊與海洋等，資源豐富，來源廣泛且使用便利，隨地可取，免于遠距離輸送；同時，純水價格低廉，不足礦物油的千分之一；與液壓傳動相比，其不需要經(jīng)過冶煉、運輸、存儲及后期廢液、污染物處理等，節(jié)約了生產(chǎn)成本與能源，尤其可有效節(jié)省液壓油冶煉提純后廢液等污染物的高昂處理費，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

（二）無污染危害

純水是一種無色、無味、無毒且無需儲存的液體，作為液壓傳動的動力介質(zhì)，其無污染危害，環(huán)保性能高。在工程機械運動過程中，純水的泄漏與排放不會釋放污染性氣體或顆粒，可保持空氣清潔與水土環(huán)境，而礦物油一旦泄漏，則極易對周圍工作環(huán)境、生產(chǎn)及產(chǎn)品造成污染，如食品、藥品等；礦物油泄漏或排放出具有一定毒性的油蒸汽，也會對一線工作者造成呼吸道、皮膚等身體危害，而以純水為工作介質(zhì)的純水液壓傳動則不存在這一問題。

（三）安全性強

油壓傳動技術(shù)應(yīng)用于采礦、冶金等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域時，因礦物油阻燃性較弱而易引發(fā)火災(zāi)，給生命財產(chǎn)安全帶來威脅，因此，油壓傳動的安全檢查與火災(zāi)預(yù)防至關(guān)重要，但這無疑也在一定程度上增加了工作負擔(dān)。與礦物油相比，純水的抗燃性較強，且具有高比熱與高導(dǎo)熱率，分別達到礦物油的2倍和4倍，因此，純水的升溫性質(zhì)較弱，純水液壓傳動可有效消除火災(zāi)危險，安全系數(shù)更高。

（四）執(zhí)行精度與效率高

與液壓油相比，純水的密度高、壓縮系數(shù)小，剛性較強，一定程度上增強工程機械驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能，并彌補因泄漏或排放而減少的介質(zhì)容積，提升具有能量傳遞與控制效能的執(zhí)行器的工作精度。同時，純水的粘度低，溫度敏感性不足，純水液壓在運行過程中發(fā)熱較少，熱量損失與壓力損失都低于油壓傳動，具有更高的傳動效率。純水無色無味，且本身具有一定的清潔功能，因此，純水液壓的養(yǎng)護與清理簡單便利，還可降低系統(tǒng)設(shè)備的養(yǎng)護與維修成本。

二、純水液壓傳動的關(guān)鍵技術(shù)

純水作為傳動介質(zhì)，具有一定優(yōu)勢特性的同時，也存在著一些缺點，如粘度較低、潤滑性不足、易于導(dǎo)電等，這些不足不僅給純水的使用帶來阻礙，更導(dǎo)致了工程機械純水液壓傳動系統(tǒng)的泄漏與密封，潤滑與磨損、腐蝕、氣蝕等一系列技術(shù)難題。針對這一情況，設(shè)計與應(yīng)用純水液壓傳動必須對其發(fā)生機理進行系統(tǒng)分析，進而在結(jié)合實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上探索其有效解決方式[3]。

（一）泄漏與密封

粘度是代表液體流動性能的重要指標(biāo)，純水的粘度為0.5mm2/s—1mm2/s，只達到同等溫度水平下液壓油的0.03。低粘度會在較大程度上影響純水液壓傳動系統(tǒng)的元件，并對其構(gòu)成泄漏的風(fēng)險，增加密封的技術(shù)難度。一般來說，密封液體常為層流狀態(tài)，可簡化為兩平行平板間隙層流，其泄漏流量所用的公式為：

Qv=bh3（P1-P2）/12vL

其中，Qv為泄漏流量，b為間隙的寬度，L為間隙的長度，h為間隙的高度，v為介質(zhì)的運動粘度，P1-P2為間隙的進出口壓力差，其均為標(biāo)準(zhǔn)單位。在相同的工作壓力與密封境況下，水壓傳動與液壓傳動的泄漏流量之比可近似為：

Qvw/Qvo=vo/vw

可以看出，液體的泄漏量與其粘度為反比。相同工作壓力與密封情況下，純水液壓傳動的介質(zhì)泄漏量將大幅高于油壓傳動。因此，降低純水液壓傳動系統(tǒng)中元件的密封間隙以保持二者相同的泄漏量并不可行，元件會因緊密的密封間隙而使得固體壁面摩擦力和熱膨脹增大而卡死，同時還會減小潤滑膜面積，導(dǎo)致元件磨損。針對此，采用橡塑與滑環(huán)等組合密封方式，同時不斷探索、改進純水液壓傳動的元件精度則是一種行之有效的預(yù)防泄漏方法。

（二）潤滑與磨損

由表1可知，和液壓油相比，純水的潤滑性較弱，且溫度變化敏感性小，具有一定潤滑效果的擠壓與熱楔效應(yīng)對純水的影響相對較弱，因而摩擦作用的副對偶面難以形成潤滑膜和邊界膜，系統(tǒng)元件容易產(chǎn)生磨損。實踐證明，純水液壓傳動的滾動軸承基本不能形成油壓中的彈性流體潤滑膜，采用動壓支撐存在固體表面直接接觸的風(fēng)險，進而導(dǎo)致密封磨損失效，因此，純水液壓傳動多運用靜壓支撐方式。若保持相同的泄漏量, 水壓元件中的密封間隙將相應(yīng)減小:

（hw/ho）3=vw/vo

hw/ho≈0.32

上述公式說明，水壓元件摩擦副的配合間隙僅為油壓元件的1/3，其潤滑膜厚度也僅為油壓元件的1/3。因此，對于靜壓支撐的元件，純水液壓元件的潤滑膜厚度應(yīng)保持在3.3-10微米。同時，筆者認為，針對性的引用耐溫抗磨的陶瓷材料，以避免壁面粘結(jié)、增強傳動系統(tǒng)過濾精度，同時，也可配對組合陶瓷、塑料、金屬等材料，以試驗、研發(fā)新型的抗磨耐腐、綜合性能高的對偶摩擦副材料。

（三）腐蝕與沖蝕

經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，如果注水流長期沖刷工程機械驅(qū)動系統(tǒng)的元件部分，就會在零件表面形成細長的絲狀凹槽，這是因為純水具有較低的粘度，且潤滑性不足，純水中的一些固體顆粒也會加重沖蝕痕跡；同時，純水作為一種天然性電解質(zhì)，具有較強的腐蝕性和導(dǎo)電性，極易與系統(tǒng)元件發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，促使其老化腐蝕。針對純水的腐蝕與沖蝕現(xiàn)象，應(yīng)在設(shè)計和研制純水液壓傳動系統(tǒng)時，對水流及其泄漏等進行預(yù)估，并針對性的選用不銹鋼、工程塑料、金屬合金等抗腐材料或于元件表面涂蓋陶瓷、高強度塑料等新型復(fù)合材料。此外，還可減緩水流速度、提升系統(tǒng)過濾性能或于介質(zhì)中添加適量的酸或堿離子等，減緩其堿性或酸性腐蝕。

（四）氣蝕

氣蝕，主要是指高壓區(qū)域氣泡凝結(jié)并破滅的瞬間產(chǎn)生較大壓力，以對過流區(qū)域表面材料造成損壞，進而影響傳動系統(tǒng)執(zhí)行性能的現(xiàn)象。一般來說，導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡主要表現(xiàn)為兩種形式，一是在特定溫度下，液體壓力低于其飽和蒸汽壓時，其會逐步沸騰，并產(chǎn)生大量的蒸汽泡；二是特定溫度下，液體的壓力低于氣體分離壓時，其中溶解的氣體會分離出來并形成氣泡。常溫狀態(tài)下，氣體在液壓油的溶解度為5%-10%，而在水介質(zhì)中僅為2%，純水中所含的氣體較少，但是，水介質(zhì)的飽和蒸汽壓為液壓油的數(shù)千萬倍，因此，水壓元件更易受到氣蝕破壞。同時，同等時間內(nèi)，純水液壓傳動系統(tǒng)中氣蝕的破壞力度是油壓傳動系統(tǒng)的百倍以上。氣蝕損壞的力度與構(gòu)件材料的硬度成反比，即有效增強系統(tǒng)元件的材料硬度即可抵抗氣蝕作用。目前，使用較多的材料主要是經(jīng)過一定熱處理且含有Mg、Cr等元素的合金鋼。此外，于傳動系統(tǒng)的閥口設(shè)置異型構(gòu)造，并采取多級節(jié)流方法縮減壓差，也可在一定程度上抑制氣蝕損害。

三、純水液壓傳動的研究與應(yīng)用

隨著新型材料、高新加工技術(shù)的不斷發(fā)展與綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展觀念的深入，水壓傳動重新引起國際社會的廣泛重視與研究，并逐步取得引人注目的成果。其中，德國研制廣泛適用于不同天然流體的EHK系列柱塞泵和純水液壓閥，壓力16—70 MPa不等；丹麥采用不銹鋼、工程塑料與緊密組合設(shè)計生產(chǎn)了一系列水壓元件；英國成功將純水應(yīng)用于海底石油開采液壓系統(tǒng)；而我國則生產(chǎn)出最高流量為100L/min的純水柱塞泵及一系列水壓控制閥。這些研究與成果展現(xiàn)了水壓傳動技術(shù)良好的適用性和廣闊的應(yīng)用前景[4]，具體表現(xiàn)在：

（一）食品加工領(lǐng)域

20世紀(jì)70年代，水壓傳動即在食品生產(chǎn)與加工行業(yè)展示出廣闊的應(yīng)用前景，發(fā)達國家也就其展開研究，并形成了先進的液壓產(chǎn)品。其中，丹麥針對不同性質(zhì)的食品生產(chǎn)領(lǐng)域，開發(fā)研制不同種類的水壓系統(tǒng)元件，如閥類，包含節(jié)流閥、換向閥等，其最大流量為30L/min，工作壓力則為6Pa。目前，多種新型水壓傳動系統(tǒng)的食品生產(chǎn)與加工機械投入肉類切割、牛奶封裝和漢堡加工等。

（二）醫(yī)療制藥領(lǐng)域

醫(yī)療制藥關(guān)乎生命健康，其對生產(chǎn)中的污染與有害物質(zhì)控制極為嚴(yán)格。為避免油壓傳動在運行中易產(chǎn)生的泄漏、排放、污染等問題，傳統(tǒng)應(yīng)用的制藥機械常以電機和壓縮空氣聯(lián)合為傳動介質(zhì)，然而，此方法存在較大的技術(shù)困難，如壓縮空氣無法精確控制，壓力無法達標(biāo)等，不僅加重生產(chǎn)成本，效率也難以保證。因此，針對醫(yī)療制藥的特性,探索有效的水壓傳動具有重要意義。目前，許多發(fā)達國家都已大量投資，如醫(yī)療藥品粉碎機械、各式制粒機、灌裝與包裝機等。

（三）鋼鐵煤礦機械領(lǐng)域

鋼鐵、煤礦的開采與生產(chǎn)對于作業(yè)環(huán)境具有嚴(yán)格要求，液壓傳動系統(tǒng)的動力介質(zhì)必須無燃、無毒，而礦物油一經(jīng)泄漏較易造成嚴(yán)重污染[5]。相比液壓油和高水基乳化液，純水價格低廉，取用簡便，且具有良好的抗燃性和散熱性。目前，人們正逐步加強對純水在煤炭鋼鐵機械領(lǐng)域的研究，如液壓支架、液壓支柱等，探尋減輕純水引起的生產(chǎn)設(shè)備金屬零件腐蝕與磨損問題的有效技術(shù)。

四、結(jié)語

綜上所述，純水液壓傳動技術(shù)以純水為其動力介質(zhì)，節(jié)能環(huán)保、無污染危害的同時，具有較強的抗燃性、安全性、效率和精度，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟效益與社會效益，已成為液壓傳動領(lǐng)域更高層次的發(fā)展方向。同時，高新技術(shù)材料和工程機械加工工藝的不斷發(fā)展與進步，為研制開發(fā)高性能的純水液壓傳動系統(tǒng)構(gòu)件和控制方式奠定了堅實的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)，因此，純水液壓傳動技術(shù)必會獲得新的突破，并于工程機械驅(qū)動系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。