詳細(xì)內(nèi)容

在液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，水作為動(dòng)力傳遞、交換和控制的媒體曾起著非常重要的作用。在17世紀(jì)末及隨后的100多年里，液壓傳動(dòng)的介質(zhì)一直是水。 

在20世紀(jì)初期，石油工業(yè)的興起和耐油合成橡膠的出現(xiàn)促進(jìn)了液壓傳動(dòng)技術(shù)由初始的水壓傳動(dòng)進(jìn)入占本世紀(jì)大部分時(shí)間的現(xiàn)有油壓傳動(dòng)，礦物型液壓油也以良好的綜合理化性能取代了水而成為主要的工作介質(zhì)，液壓元件和系統(tǒng)的性能也因此得以大大提高，從而推動(dòng)了液壓傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步。 

但用礦物型液壓油作為液壓傳動(dòng)介質(zhì)存在著嚴(yán)重的環(huán)境污染和易燃燒問題，這也是世界各國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存環(huán)境所不允許的。而水本身所固有的清潔性和阻燃性正好滿足了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)工業(yè)工程提出環(huán)境友好的要求，這也是近20年來水壓傳動(dòng)技術(shù)持續(xù)復(fù)蘇的根本動(dòng)力。加之新型材料的發(fā)展、加工技術(shù)的進(jìn)步和新結(jié)構(gòu)液壓元件研制的成功，基本克服了初始存在的諸如易腐蝕、易磨損、泄漏大、效率低等缺點(diǎn)，使液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代水壓傳動(dòng)的研究和應(yīng)用范疇。 

"水壓傳動(dòng)"的定義 

中文"水壓傳動(dòng)"來源于英文"WATER HYDRAULICS"的翻譯意義，在我國由程祥元先生在1989年作為液壓傳動(dòng)的一個(gè)分支明確提了出來，雖然在此之前曾有"高水基液壓傳動(dòng)"的說法。但"水壓傳動(dòng)"中的"水"字究竟是什么含義呢？英國流體動(dòng)力協(xié)會(huì)（BFPA）水壓傳動(dòng)委員會(huì)定義為："含水量高且粘度小于5cSt.的液水"（原文是"fluids having a high water content and a viscosity of less than 5 centistokes"）。這就是說"水壓傳動(dòng)"中的"水"還包含加了某些填加劑的水基液。 

也有許多人認(rèn)為水壓傳動(dòng)介質(zhì)只應(yīng)該是純粹的水（PURE WATER）（簡稱"純水"，不是飲料行業(yè)的"純凈水"），即不含任何填加劑的水。 

含有填加劑的水基液屬于難燃介質(zhì)，但其環(huán)境相容性還不夠。水基液中的填加劑對(duì)生物通常是有害的，即使無害，液體中不含水的物質(zhì)會(huì)成為微生物生長的培養(yǎng)基。而且水基液的儲(chǔ)存、維護(hù)與監(jiān)測及其廢液也是值得注意的問題。 
如果要求液壓介質(zhì)對(duì)環(huán)境沒有任何負(fù)面影響，不會(huì)存在任何火災(zāi)危險(xiǎn)，完全有利于操作人員的身體健康，我們發(fā)現(xiàn)只有一種液體：純水。這正是浙江大學(xué)提出"純水液壓傳動(dòng)"的理由。從近年來國內(nèi)外液壓界公開發(fā)表的論文和舉行的國際學(xué)術(shù)會(huì)議來看，學(xué)術(shù)界的專家和教授均傾向于水壓傳動(dòng)的介質(zhì)是指不含任何填加劑的純水。 

"水壓傳動(dòng)"中的"水介質(zhì)"究竟是指純水或者是指包含水基液在內(nèi)的水？結(jié)論將由用戶來決定。如果環(huán)境要求非常嚴(yán)格，那么純水將是選擇。此時(shí)，純水液壓元件的選擇比水基液元件要苛刻得多，純水液壓元件和系統(tǒng)的可可靠性依賴于設(shè)計(jì)中所采用的新型材料在實(shí)際中的合理應(yīng)用。 

應(yīng)用水介質(zhì)的優(yōu)越性 

·環(huán)境友好 

礦物型液壓油對(duì)環(huán)境的污染是液壓行業(yè)眾所周知的嚴(yán)重問題。1L礦物油可使100萬L水受到污染；泄漏的油液可使周圍的植物和動(dòng)物死亡，使工作場所的地面打滑，空氣中充滿異味，工作環(huán)境變得惡劣。而純水對(duì)環(huán)境沒有任何危害，水基液的環(huán)境相容性比液壓油也要好得多。 
此外，水的壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)分別僅為液壓油的25％和50％，而比熱和導(dǎo)熱系數(shù)分別為液壓油的2倍和4-5倍，所以系統(tǒng)的剛度大、溫升低，能提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。水的粘度低，系統(tǒng)的能量損失小，所以傳遞效率高。 

·購買和使用成本低 

地球上很少有物質(zhì)象一樣豐富和實(shí)用，且隨地可取，它不存在液壓油的冶煉提純、運(yùn)輸倉儲(chǔ)、廢液處理等問題。特別是廢液的處理費(fèi)用很高，通常處理費(fèi)用與購買成本相近。因此，使用純水作為液壓介質(zhì)成本僅為液壓油的近1/5000，特別是在大型和特大型的液壓系統(tǒng)中可節(jié)省大量的礦物油，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。 

·可避免或減少產(chǎn)品污染 

產(chǎn)品污染是許多生產(chǎn)行業(yè)格外關(guān)注的事情。泄漏的油液會(huì)使紡織制品、木質(zhì)膠合板受到玷污，也會(huì)使紙張變色，藥品變質(zhì)和食品變味。但如果純水滲進(jìn)產(chǎn)品中，害處要相對(duì)小得多或者沒有害處。 

水介質(zhì)帶來的問題 

水介質(zhì)所具有的粘度低、潤滑性差、導(dǎo)電性強(qiáng)、汽化壓力高等特點(diǎn)，也給該項(xiàng)技術(shù)的研究帶來了困難。 

·密封與潤滑 

水的粘度大約只有礦物型液壓油的1/40-1/50，故若在同等壓力下，通過相同密封縫隙的泄漏流量將是油介質(zhì)的30倍以上，這將大大降低系統(tǒng)的容積效率。由于水的粘度低，潤滑性很差，磨擦副在偶面上難以形成液體潤滑膜，也不能形成良好強(qiáng)度的邊界膜，很容易產(chǎn)生干磨擦。水潤滑時(shí)，動(dòng)壓軸承的潤滑膜厚度只有油介質(zhì)的1/50，靜壓軸承的潤滑膜厚度則小于1/3，而滾動(dòng)軸承中根本就很難形成彈性流體潤滑膜。 

·磨損 

由于在水中潤滑困難，磨擦副的固體表面常處于直接接觸狀態(tài)，很快便會(huì)受到磨損，同時(shí)，水的腐蝕作用也會(huì)大大加速磨損的進(jìn)程和加劇磨損的破壞程度。加之介質(zhì)中的微細(xì)污染物和內(nèi)部殘留磨屑的侵入，甚至導(dǎo)致三相磨損，使得水壓元件的壽命縮短，系統(tǒng)發(fā)生故障。 

·腐蝕 

水的導(dǎo)電性比礦物型液壓油高數(shù)億甚至數(shù)百億倍，它能引起絕大多數(shù)金屬材料的電化學(xué)腐蝕和大多數(shù)高分子材料的化學(xué)老化，使液壓元件的材料受到破壞。即使應(yīng)用陶瓷材料作為金屬零件的表面涂層，也有可能引起涂層或粘結(jié)層中特定相的選擇性析出及基體界面的縫隙腐蝕。 

·氣蝕 

水的汽化壓力是液壓油的近千萬倍，特別容易誘發(fā)水的汽化，導(dǎo)致氣蝕，剝蝕零件表面材料，破壞過流的固體表面和密封件。氣蝕還會(huì)使系統(tǒng)的流量發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力波動(dòng)、振動(dòng)和噪聲。 

所以，為了解決這些問題，需要應(yīng)用新材料如精細(xì)陶瓷、增強(qiáng)塑料及新的表面處理方法來提高元件的耐磨、抗蝕能力，優(yōu)化減小或避免泄漏、磨損、腐蝕和氣蝕等的影響，并采用先進(jìn)制造技術(shù)，保證加工精度和質(zhì)量。 

針對(duì)水介質(zhì)的物理特性所帶來的問題，水壓傳動(dòng)技術(shù)的研究主要集中在介質(zhì)、材料、元件、控制等方面，如圖1所示。

應(yīng)用水基液的水壓傳動(dòng)技術(shù)在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)是一門比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在采礦、冶金等行業(yè)。 

應(yīng)用純水的純水液壓傳動(dòng)技術(shù)則始于本世紀(jì)80年代初，現(xiàn)有美國、英國、日本、芬蘭、丹麥和德國等國家一直在投入巨大的人力、物力和財(cái)力和進(jìn)行研究和開發(fā)，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。目前，我國的純水液壓技術(shù)研究也已起步，浙江大學(xué)和華中理工大學(xué)已經(jīng)開展了這項(xiàng)技術(shù)的研究工作。

值得一提的是，世界上已經(jīng)有好幾家液壓公司專門制造用于純水的水壓元件和系統(tǒng)，還有更多的廠家僅生產(chǎn)用于純水的水壓元件，但不能供應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)。世界市場上純水液壓元件的壓力等級(jí)主要有10MPa、14 MPa、21 MPa、32 MPa和40 MPa等5種，流量規(guī)格可從幾升到幾百升甚至數(shù)千升。芬蘭的Hytar水壓公司研制的純水液壓系統(tǒng)壓力甚至可到80 MPa。此外，響應(yīng)頻率分別為12-15Hz、30Hz、125Hz的純水比例方向閥、陶瓷滑閥和伺服閥已經(jīng)研制成功?，F(xiàn)在純水比例或伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在焊接機(jī)械人、鍛壓成型壓力機(jī)和軋鋼生產(chǎn)線上。 

目前純水液壓傳動(dòng)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的階段，而且還將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用（如圖2）。

純水液壓傳動(dòng)的階段應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下特殊應(yīng)用領(lǐng)域： 

·噴霧、消防滅火、貨物的裝卸 
·原子反應(yīng)堆的冷卻 
·船、舶、飛機(jī)的高壓清洗 
·食品加工行業(yè) 

純水液壓傳動(dòng)應(yīng)用的階段主要是食品加工行業(yè)，例如面包機(jī)、攪拌發(fā)酵機(jī)、肉聯(lián)加工廠的切割系統(tǒng)等。 

在第三階段，純水液壓傳動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U(kuò)展到工程機(jī)械占主要份額，同時(shí)通用機(jī)械上也將采用純水液壓傳動(dòng)。 

水壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 

對(duì)環(huán)境主題與日俱增的關(guān)注已經(jīng)導(dǎo)致人們重新對(duì)現(xiàn)代水壓傳動(dòng)產(chǎn)生了濃厚的興趣。特別是純水固有的清潔性使得我們不用為廢油處理、清洗、燃燒和工人的安全而擔(dān)心。同時(shí)，純水液壓傳動(dòng)的性能特征已經(jīng)在世界工業(yè)領(lǐng)域起著日益擴(kuò)大的作用。它已經(jīng)成為液壓領(lǐng)域新的重要發(fā)展方向之一。Backe教授預(yù)計(jì)純水液壓傳動(dòng)在今后將占整個(gè)世界液壓行業(yè)的10％。丹麥工業(yè)大學(xué)認(rèn)為純水液壓和油壓傳動(dòng)今后將向如圖3的趨勢發(fā)展。

我國開展水壓傳動(dòng)技術(shù)特別是純水液壓傳動(dòng)技術(shù)的研究與開發(fā)，將對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境以及推動(dòng)純水液壓技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綠色液壓產(chǎn)品，都具有十分重大的意義。

純水液壓傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用將給我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以預(yù)測它將在下列工業(yè)部門得以迅速利用和推廣。 

·食品、醫(yī)藥、電子、造紙、包裝等要求無污染的工業(yè)部門。 
·冶金、玻璃工業(yè)、原子能動(dòng)力廠、化工生產(chǎn)、采煤、消防等安全性高的環(huán)境。 
·水下作業(yè)工具及機(jī)械手。 
·潛器的浮力調(diào)節(jié)，以及艦艇、海洋鉆井平臺(tái)和石油機(jī)械的液壓傳動(dòng)。 
·海水淡化處理及鹽業(yè)生產(chǎn)。