詳細內容

在液壓傳動技術的發展進程中，水作為動力傳遞、交換和控制的媒體曾起著非常重要的作用。在17世紀末及隨后的100多年里，液壓傳動的介質一直是水。 

在20世紀初期，石油工業的興起和耐油合成橡膠的出現促進了液壓傳動技術由初始的水壓傳動進入占本世紀大部分時間的現有油壓傳動，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，液壓元件和系統的性能也因此得以大大提高，從而推動了液壓傳動技術的進步。 

但用礦物型液壓油作為液壓傳動介質存在著嚴重的環境污染和易燃燒問題，這也是世界各國現代經濟發展和人類生存環境所不允許的。而水本身所固有的清潔性和阻燃性正好滿足了現代社會對工業工程提出環境友好的要求，這也是近20年來水壓傳動技術持續復蘇的根本動力。加之新型材料的發展、加工技術的進步和新結構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，使液壓傳動技術進入了現代水壓傳動的研究和應用范疇。 

"水壓傳動"的定義 

中文"水壓傳動"來源于英文"WATER HYDRAULICS"的翻譯意義，在我國由程祥元先生在1989年作為液壓傳動的一個分支明確提了出來，雖然在此之前曾有"高水基液壓傳動"的說法。但"水壓傳動"中的"水"字究竟是什么含義呢？英國流體動力協會（BFPA）水壓傳動委員會定義為："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"中的"水"還包含加了某些填加劑的水基液。 

也有許多人認為水壓傳動介質只應該是純粹的水（PURE WATER）（簡稱"純水"，不是飲料行業的"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，但其環境相容性還不夠。水基液中的填加劑對生物通常是有害的，即使無害，液體中不含水的物質會成為微生物生長的培養基。而且水基液的儲存、維護與監測及其廢液也是值得注意的問題。 
如果要求液壓介質對環境沒有任何負面影響，不會存在任何火災危險，完全有利于操作人員的身體健康，我們發現只有一種液體：純水。這正是浙江大學提出"純水液壓傳動"的理由。從近年來國內外液壓界公開發表的論文和舉行的國際學術會議來看，學術界的專家和教授均傾向于水壓傳動的介質是指不含任何填加劑的純水。 

"水壓傳動"中的"水介質"究竟是指純水或者是指包含水基液在內的水？結論將由用戶來決定。如果環境要求非常嚴格，那么純水將是選擇。此時，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的可可靠性依賴于設計中所采用的新型材料在實際中的合理應用。 

應用水介質的優越性 

·環境友好 

礦物型液壓油對環境的污染是液壓行業眾所周知的嚴重問題。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物死亡，使工作場所的地面打滑，空氣中充滿異味，工作環境變得惡劣。而純水對環境沒有任何危害，水基液的環境相容性比液壓油也要好得多。 
此外，水的壓縮系數和熱膨脹系數分別僅為液壓油的25％和50％，而比熱和導熱系數分別為液壓油的2倍和4-5倍，所以系統的剛度大、溫升低，能提高系統動態性能。水的粘度低，系統的能量損失小，所以傳遞效率高。 

·購買和使用成本低 

地球上很少有物質象一樣豐富和實用，且隨地可取，它不存在液壓油的冶煉提純、運輸倉儲、廢液處理等問題。特別是廢液的處理費用很高，通常處理費用與購買成本相近。因此，使用純水作為液壓介質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中可節省大量的礦物油，經濟效益相當可觀。 

·可避免或減少產品污染 

產品污染是許多生產行業格外關注的事情。泄漏的油液會使紡織制品、木質膠合板受到玷污，也會使紙張變色，藥品變質和食品變味。但如果純水滲進產品中，害處要相對小得多或者沒有害處。 

水介質帶來的問題 

水介質所具有的粘度低、潤滑性差、導電性強、汽化壓力高等特點，也給該項技術的研究帶來了困難。 

·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的30倍以上，這將大大降低系統的容積效率。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，也不能形成良好強度的邊界膜，很容易產生干磨擦。水潤滑時，動壓軸承的潤滑膜厚度只有油介質的1/50，靜壓軸承的潤滑膜厚度則小于1/3，而滾動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，很快便會受到磨損，同時，水的腐蝕作用也會大大加速磨損的進程和加劇磨損的破壞程度。加之介質中的微細污染物和內部殘留磨屑的侵入，甚至導致三相磨損，使得水壓元件的壽命縮短，系統發生故障。 

·腐蝕 

水的導電性比礦物型液壓油高數億甚至數百億倍，它能引起絕大多數金屬材料的電化學腐蝕和大多數高分子材料的化學老化，使液壓元件的材料受到破壞。即使應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，特別容易誘發水的汽化，導致氣蝕，剝蝕零件表面材料，破壞過流的固體表面和密封件。氣蝕還會使系統的流量發生變化，產生壓力波動、振動和噪聲。 

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

針對水介質的物理特性所帶來的問題，水壓傳動技術的研究主要集中在介質、材料、元件、控制等方面，如圖1所示。

應用水基液的水壓傳動技術在西方工業發達國家已經是一門比較成熟的技術，已經廣泛應用在采礦、冶金等行業。 

應用純水的純水液壓傳動技術則始于本世紀80年代初，現有美國、英國、日本、芬蘭、丹麥和德國等國家一直在投入巨大的人力、物力和財力和進行研究和開發，已經取得了重大進展。目前，我國的純水液壓技術研究也已起步，浙江大學和華中理工大學已經開展了這項技術的研究工作。

值得一提的是，世界上已經有好幾家液壓公司專門制造用于純水的水壓元件和系統，還有更多的廠家僅生產用于純水的水壓元件，但不能供應整個系統。世界市場上純水液壓元件的壓力等級主要有10MPa、14 MPa、21 MPa、32 MPa和40 MPa等5種，流量規格可從幾升到幾百升甚至數千升。芬蘭的Hytar水壓公司研制的純水液壓系統壓力甚至可到80 MPa。此外，響應頻率分別為12-15Hz、30Hz、125Hz的純水比例方向閥、陶瓷滑閥和伺服閥已經研制成功。現在純水比例或伺服控制系統已經應用在焊接機械人、鍛壓成型壓力機和軋鋼生產線上。 

目前純水液壓傳動已經進入了實際應用的階段，而且還將在工業生產中得到廣泛應用（如圖2）。

純水液壓傳動的階段應用領域主要包括以下特殊應用領域： 

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

純水液壓傳動應用的階段主要是食品加工行業，例如面包機、攪拌發酵機、肉聯加工廠的切割系統等。 

在第三階段，純水液壓傳動的應用領域將擴展到工程機械占主要份額，同時通用機械上也將采用純水液壓傳動。 

水壓傳動技術的發展 

對環境主題與日俱增的關注已經導致人們重新對現代水壓傳動產生了濃厚的興趣。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心。同時，純水液壓傳動的性能特征已經在世界工業領域起著日益擴大的作用。它已經成為液壓領域新的重要發展方向之一。Backe教授預計純水液壓傳動在今后將占整個世界液壓行業的10％。丹麥工業大學認為純水液壓和油壓傳動今后將向如圖3的趨勢發展。

我國開展水壓傳動技術特別是純水液壓傳動技術的研究與開發，將對節約能源、保護環境以及推動純水液壓技術的應用，開發具有自主知識產權的綠色液壓產品，都具有十分重大的意義。

純水液壓傳動技術的研究和應用將給我國經濟建設帶來巨大的經濟效益和社會效益，可以預測它將在下列工業部門得以迅速利用和推廣。 

·食品、醫藥、電子、造紙、包裝等要求無污染的工業部門。 
·冶金、玻璃工業、原子能動力廠、化工生產、采煤、消防等安全性高的環境。 
·水下作業工具及機械手。 
·潛器的浮力調節，以及艦艇、海洋鉆井平臺和石油機械的液壓傳動。 
·海水淡化處理及鹽業生產。