純水液壓技術(shù)的回顧與展望.doc

用心專注，服務(wù)專業(yè)隨著社會的發(fā)展，人們對人類賴以生存的環(huán)境有了一個更高的要求，希望有一個安全無污染、高度文明、美好的環(huán)境。因此也要求科學(xué)技術(shù)向安全、生態(tài)化、藝術(shù)化、環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)發(fā)展。水介質(zhì)本身獨(dú)有的一系列特點(diǎn)正好滿足了現(xiàn)代社會提出的這一要求，因此，純水液壓技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了，它標(biāo)志著液壓傳動技術(shù)正向更高的階段發(fā)展。純水液壓技術(shù)，尤其是深海純水液壓技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代液壓界關(guān)注的熱點(diǎn)： 隨著新材料的研發(fā)成功、精密加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各種新結(jié)構(gòu)的液壓元件研制成功，使水壓傳動技術(shù)在最近10年內(nèi)取得了長足的進(jìn)步，并重新開始進(jìn)入了有嚴(yán)格要求無污染的領(lǐng)域，具有十分誘人的應(yīng)用和發(fā)展前景。同時，鑒于國防建設(shè)與某些特殊經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的迫切需要，以及未來市場的誘惑，西方國家一直在集中力量研究該項(xiàng)技術(shù)，并已取得了突破性進(jìn)展，部分已進(jìn)入實(shí)用階段：目前，國外已經(jīng)生產(chǎn)出專為純水液壓系統(tǒng)設(shè)計的液壓元件，如德國Hauhinco公司生產(chǎn)的Ehk-3k系列柱塞泵，英國于1988年研制成功14MPa的海水柱塞泵及10MPa的海水柱塞馬達(dá)。國外的純水液壓技術(shù)已進(jìn)入包括海洋開發(fā)、水下作業(yè)、原子能動力工廠、鋼鐵工業(yè)、食品、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域中，創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)自20世紀(jì)初也開展了純水液壓傳動技術(shù)的研究，華中理工大學(xué)進(jìn)行了海水液壓傳動技術(shù)的研究，現(xiàn)已成功地研究出軸向柱塞式海水液壓泵，該泵能用含有微細(xì)沙粒的海水工作，額定工作壓力為3MPa，最高工作壓力為6.3MPa，額定流量為100L/min，容積效率達(dá)到了85%。同時，浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也投人大量的人力、物力從事純水液壓技術(shù)的開發(fā)和研究工作。安徽理工大學(xué)也從2002年起投人人力、物力，進(jìn)行純水液壓元件的設(shè)計與開發(fā)，已設(shè)計出用于純水液壓系統(tǒng)的齒輪轉(zhuǎn)子泵(馬達(dá))系列。 2純水液壓技術(shù)的特點(diǎn)與技術(shù)難題 所謂純水是指純粹的天然水，即不含任何添加劑的水。關(guān)于純水的分類見表1。 純水作為液壓傳動的工作介質(zhì)，具備如下特點(diǎn)：無污染，有利于全民綠色意識的提高；成本低、阻燃性、安全性(這對大量使用液壓油的冶金行業(yè)來說其前景十分看好)、系統(tǒng)沿程損失和局部損失都非常小；響應(yīng)快(采用純水作為工作介質(zhì)可以使液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行更準(zhǔn)確的定位)、溫升??；系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)方便、維護(hù)監(jiān)測成本低等項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。同時也存在腐蝕性強(qiáng)、腐蝕嚴(yán)重、防漏性差等缺陷。但這些缺陷正隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，被逐步克服。 (1)潤滑磨損問題的解決，有兩種方式。一種是，元件的軸承部分用油來潤滑，通過密封件與高壓純水分開，純水僅作為能量和控制信號進(jìn)行傳遞；另一種是，水參與潤滑。選用合適的制作材料對純水液壓系統(tǒng)是最基礎(chǔ)的工作。目前考慮的材料有工程塑料、結(jié)構(gòu)陶瓷、高分子材料等。結(jié)構(gòu)陶瓷由于其優(yōu)越的耐磨性、抗氣蝕性能好、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的摩擦系數(shù)等特性倍受青睞，在液壓元件中用結(jié)構(gòu)陶瓷代替部分金屬材料將會大大改善液壓元件的性能。 (2)泄漏問題的解決。液壓元件中大部分的運(yùn)動副采用間隙配合方式，其縫隙量對泄漏量影響極大。密封間隙的減小，又會使?jié)櫥ず穸葴p小，元件的磨損加大，繼而導(dǎo)致密封迅速失效。因此，僅以采取減小間隙的配合方式是不行的。目前有研究結(jié)果表明，在水壓傳動元件中用組合密封形式是較為理想的防泄漏手段。 (3)氣蝕問題的解決。由于水的汽化壓力高，加之水中含有2%左右的空氣，特別容易誘發(fā)汽化，導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，在維修的泵中，10%是因?yàn)闅馕g而損壞。對于液壓泵，容易發(fā)生氣蝕的部位是配流盤吸、壓窗口的交界處，以及泵的吸入口。研究結(jié)果表明，氣蝕現(xiàn)象可通過在泵的人口加壓解決。 3純水液壓傳動的應(yīng)用 現(xiàn)在一般認(rèn)為，純水液壓傳動的應(yīng)用可分為四個階段。第一階段主要是一些特殊領(lǐng)域，如高壓清洗、噴霧、消防等；第二階段主要是食品加工行業(yè)，例如面包機(jī)、肉類切割等；第三階段則擴(kuò)展到工程機(jī)械及通用機(jī)械。在此階段，純水傳動將會逐漸擴(kuò)大市場份額，其函數(shù)關(guān)系如圖1所示，第四階段將主要應(yīng)用于深海采礦。 圖1 純水液壓傳動的應(yīng)用比例與趨勢 3.1 用于消防 我國現(xiàn)代建筑正逐漸向高層化發(fā)展，但高層建 筑的消防滅火問題卻存在著嚴(yán)重的隱患。高層建筑起火而無法迅速有效撲滅的一個重要原因是高層消防用水壓力不足，特別是在滅火的后期，即使在裝有自動噴水滅火系統(tǒng)的地方，由于水壓較低，水噴淋系統(tǒng)所噴出的水覆蓋的空間小。這樣滅火的效果需要以縮小住戶的有效住宅空間來作為代價。而純水液壓傳動的基本特征就是能夠輸出高壓水流。如果采用高壓高效純水液壓滅火系統(tǒng)的話，則和現(xiàn)有的噴水滅火系統(tǒng)不一樣，在樓層中間再額外地設(shè)置幾個中轉(zhuǎn)加壓泵站，這樣不僅可以顯著提高高層建筑噴水滅火系統(tǒng)的滅火效果，大大減少滅火系統(tǒng)成本，而且還有效地擴(kuò)大了高層樓房的實(shí)際使用面積。同時，高效水霧化具有動力消耗小、系統(tǒng)簡單、占用空間小、布置方便等優(yōu)點(diǎn)。但其形成條件是消防水必須具有足夠高的壓力，一般來說，不得低于10MPa，純水液壓系統(tǒng)的輸出壓力通常在10-32MPa，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在噴水方式、成霧原理、滅火機(jī)理、滅火效能、應(yīng)用范圍及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能上均產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，工程應(yīng)用前景十分樂觀，同時，水的高壓霧化也是射流技術(shù)在滅火領(lǐng)域新的應(yīng)用。這一套系統(tǒng)同樣可用在其它用高壓水射流的場合，例如：鋼板的切割及鋼板的除銹等，這會比以往的高壓水射流的獲得方法節(jié)省許多能量。 3.2 用于海洋開發(fā) 評價一個國家的綜合國力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)是對外層空間和海洋的利用能力。開發(fā)和利用公海海底礦產(chǎn)資源日益引起國際社會的廣泛關(guān)注。大洋采礦技術(shù)是較航天技術(shù)難度更大的一項(xiàng)綜合高新技術(shù)，涉及到勘探、海洋；機(jī)械、電子、自動化、船舶、通訊諸多技術(shù)領(lǐng)域。設(shè)備制造難度大，正因?yàn)槿绱?，大洋采礦技術(shù)才構(gòu)成海洋高科技的前沿和制高點(diǎn)，并以空間的廣闊性和時間的長期性向人類展示一個全新的高新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展領(lǐng)域。 對于深海采礦的純水液壓傳動技術(shù)，至今仍處于萌芽時期，還沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)可供我們借鑒。許多國家包括中國都已把深海純水液壓技術(shù)作為未來液壓技術(shù)的前沿課題。例如深海采礦的液壓系統(tǒng)如改用海水液壓，將為工作的進(jìn)行帶來很大的方便而且會產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。日本及法國已于上世紀(jì)80年代研究開發(fā)出用于海洋作業(yè)的水液壓系統(tǒng)；大洋金屬結(jié)構(gòu)開發(fā)采用流體提升采礦的方法如圖2， 圖2 流體提升采礦法 這是目前國際上公認(rèn)最具有實(shí)用價值和工業(yè)應(yīng)用前景的方法，該方法是當(dāng)采礦船到達(dá)采區(qū)后，將集礦機(jī)和揚(yáng)礦管接好并逐步放人海底，揚(yáng)礦管上端懸置于采礦船。柔性軟管將集礦機(jī)與主揚(yáng)礦管道連接呈拱形浮在水中，允許集礦機(jī)偏離主揚(yáng)礦管左右移動繞過障礙，且在地形高度變化時可補(bǔ)償揚(yáng)礦管下端距海底的高度變化。當(dāng)采礦作業(yè)區(qū)出現(xiàn)臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴時，采礦船與水下系統(tǒng)脫開，駛往安全地帶避風(fēng)，而水下系統(tǒng)仍然留在采區(qū)，風(fēng)暴過后，采礦船返回原位，重新接上水下系統(tǒng)。集礦機(jī)用于采集海底沉積物中的結(jié)核并進(jìn)行初處理。在除去大結(jié)核的同時將合格尺寸的結(jié)核輸入揚(yáng)礦管底端，以水力或氣力提升方法使管內(nèi)的水以足夠的速度向上運(yùn)動，將結(jié)核輸送到海面采礦船上。該方法可配用自行式遙控集礦機(jī)，具有較好的靈活性，且有避開海底障礙物與不利地形的能力、較高的采礦效率、開采規(guī)模大、技術(shù)難度小等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)由自動集礦機(jī)、揚(yáng)礦機(jī)(提升)子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、采礦船和運(yùn)輸支持子系統(tǒng)五大部分組成。其中，集礦機(jī)和提升泵等關(guān)鍵設(shè)備都涉及到液壓傳動與控制技術(shù)。其中，集礦機(jī)采用水力和機(jī)械裝置結(jié)合的復(fù)合式集礦方法達(dá)到采集、分選結(jié)核目的，為滿足結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、壓陷深度淺、牽引力大、對海底破壞輕、跨越或繞過海底障礙物容易、通過性較好的要求，采用履帶行走方式。其中的液壓系統(tǒng)用電機(jī)驅(qū)動，泵、電機(jī)、閥組均裝在耐壓倉內(nèi)，預(yù)壓進(jìn)行水壓平衡補(bǔ)償。而且可以預(yù)見，如何將水壓傳動技術(shù)用于大洋采礦工程應(yīng)當(dāng)作為液壓界的重點(diǎn)課題，這一課題必將成為液壓技術(shù)的前沿課題。 目前，我國在深海采礦基礎(chǔ)理論和原理性試驗(yàn)方面取得重要突破，研制出了復(fù)合式集礦模型機(jī)，完成水力提升、氣力提升機(jī)理研究及不同體積、濃度輸送參數(shù)試驗(yàn)，并對工業(yè)開采水力提升參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測和初步優(yōu)化，建成了既可進(jìn)行集礦技術(shù)研究和設(shè)備性能試驗(yàn)，又可進(jìn)行管道提升方法和工藝參數(shù)研究的大型海洋采礦綜合試驗(yàn)室。 3.3 用于礦山開采 純水液壓傳動技術(shù)在煤礦機(jī)械例如在MXG500/4.5H型電牽引采煤機(jī)上的應(yīng)用已取得了一定的進(jìn)展，而且在液壓鑿巖機(jī)械和液壓鉆機(jī)中水壓傳動應(yīng)用的前景也十分看好。 長久以來，煤礦的現(xiàn)場生產(chǎn)條件十分惡劣。同時，生產(chǎn)對地表以下環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重。產(chǎn)生這種污染很大的一個原因就是液壓油和高水基乳化液的使用，面對愈來愈重視環(huán)境保護(hù)的將來，逐步解決這些問題，改善煤礦的生產(chǎn)環(huán)境，純水液壓技術(shù)的使用是有效的方法之一。純水與液壓油和高水基乳化液相比，不僅有良好的抗燃性、散熱性，而且價格也便宜。所以使用純水液壓，對降低煤礦的生產(chǎn)成本是有益的。在煤礦生產(chǎn)中廣泛使用的液壓支柱，大量消耗著乳化液。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多煤礦的工人在液壓支架和液壓支柱的使用中，很少按規(guī)定要求混加乳化液，以使乳化液濃度只有5%左右，有些煤礦的乳化液濃度連1%都不到，甚至是純水，但液壓支架仍可以在液壓支架中得到應(yīng)用，這在煤炭行業(yè)中，將大大地改善礦井的工作和安全條件，例如，用純水液壓提供高壓水，然后用高壓水射流采煤，這將是純水液壓技術(shù)在煤炭行業(yè)應(yīng)用的雛形。這對于有豐富煤炭資源，距離水源很近的淮南來說是很可取的，而且這不但可以提高采煤機(jī)的除塵效果，而且使電牽引采