水压传动的发展现状及趋势摘要：本文阐述了液压传动技术发展的历史进程和优势，指出了水压传动必将代替油压传动成为液压传动技术发展的主流，并论述了水压传动主要技术问题和国内外水传动技术研究和发展的现状，指出了今后水压传动技术发展的关键是材料和设计。
关键词：水压传动；历史；关键技术；趋势Abstract：This paper described the development process and the advantages of Water hydraulic transmission technology.Pointed out that Water hydraulic transmission will replace the hydraulic drive to become the mainstream of development of hydraulic drive technology.And it discussed the status of the key technologies,research and development issues in domestic and foreign.Pointed out that the key to the development of hydraulic drive technology in the future is the material and design. Key words:Water hydraulic transmission;History;Key technologies; Application0引言水压传动是以水作为动力传递介质的一种流体传动,和油压传动一样,同属于液压传动。
在人类进入21世纪、且油压传动技术日趋完善的今天,重新讨论水压传动问题,对于全球环境与资源保护有着相当特殊的意义。
1水压传动技术发展的历史早在17世纪中叶，法国人帕斯卡发现水压机原理,科学地建立了流体传动的基本定律,奠定了流体传动发展的基础。
水压传动早在欧洲产业革命时期就达到了兴盛,为后来油压技术的发展打下了坚实的基础。
真正使水压传动技术达到实用阶段的,还是起始于1800年,英国人(Bramah)发明了实用型水压机为代表的水压机械。
从那时候起,尤其是在欧洲,除了水压机外,还有水压起重机、电梯、加工机床以及水压蓄能器等。
水压传动技术的成功应用,最具有代表性的要数1889年法国巴黎建造的埃菲尔塔和1894年英国伦敦建造的泰晤士塔桥,塔中的升降机和塔桥中的吊桥都是由水压传动驱动的,成了全球此项技术成功应用最早的著名典范。
当时水压传动系统是以蒸汽机为动力,水压系统的工作压力一般10MPa以下。
随着社会文明的进步和工业技术的发展,特别是矿物油的出现,大大改善了传动系统的润滑性能,在1900年以后,水压传动逐渐向油压传动过渡。
尤其20世纪70年代以来,随着材料、加工、电子及控制等技术的不断进步,油压传动技术得到了飞速的发展。
同时由于水压传动仍有许多突出的优点,相关技术的日趋进步,水压传动并没有销声匿迹,人们也从未放弃过对它的研究与开发。
大约从1906～1925年近20年的时间内,先后出现了水压轴向柱塞泵和径向柱塞泵,水压传动装置已开始应用于农业等小、轻型机械上。
经过一个多世纪的努力探索,水压传动在技术和性能方面已完全摆脱了产业革命时期的水压传动系统的结构模式,其应用领域不断扩大,越来越显示出水压传动的无穷魅力,也让世人看到了发展水压传动的希望。
2 水压传动的优势水作为液压液具有许多油液所不具有的优越性,具体表现在以下几个方面: 1)水对环境无危害。
这里的环境不仅仅是指地理环境,而且也包括生产环境,例如清洁的生产厂房和设备。
清洁的生产环境不仅对生产者的人身健康,而且对有些产品的产品质量都是非常重要的。
2)经济效益好。
水是地球上最丰富的自然资源,取之不尽、用之不竭。
水的运输、存储和处理的费用相比油来说是相当低的。
用水作为液压液可大大降低系统的成本。
水压系统的运行、维护费用也是相当低的。
3)安全可靠。
水具有不燃性,水压传动不存在火灾的隐患,更适于高温防火的场合。
4)节能。
水的粘度低,在50℃时的运动粘度ν为(0.55~1)×10-6m2/s ,而油的运动粘度ν为(15~70)×10-6m/s。
意味着水的流动阻力小,产生的热量少、管路损失和压力降小,能量损失小。
5)稳定性高。
在工作温度范围内,水的粘度随温度的变化很小,因此水压系统的稳定性要比油压系统的高。
6)可压缩性小,刚度大。
水的体积弹性模量为2.4×103MPa,而油的体积弹性模量为1.6×103MPa。
水压传动的频响可以很高,因此水是高频液压控制的理想传动液。
7)水的传热系数大、导热性好,因此水压系统的冷却费用比较低。
3 水压传动系统存在的主要技术问题作为液压介质，天然水在性能上存在润滑性差、粘度低、气蚀性强，易腐蚀和蒸汽压力高等缺点，现用的油压元件不能直接或改进后用于水，必须重新研制开发与水相适应的新型水压元件。
因此，必须充分认识水存在的负面影响，详细研究其影响机理，并寻求合理的解决措施，有效克服水的缺点，充分发挥水的优点，才能研制出高性能的水压元件和系统。
1）泄漏问题水的运动黏度很低，在50℃时为0.56mmz/s，为液压油的1/120，1/30，低黏度会增大泄漏损失，降低容积效率。
在同等压力、间隙量的条件下，水的泄漏量是油的30一120倍。
减少配合偶件间的间隙量可以大大减少泄漏量，提高工作效率，但过小的配合间隙势必大大增加加工成本;另一方面水的润滑性能很差，过小的间隙会使偶件间的摩擦力增加，降低了工作效率。
因此，合理提高水压元件的加工质量和配合精度，适当增加配合间隙长度，选用尺寸稳定性能好、顺应性好且耐磨的摩擦副材料及密封材料，尽可能减小泄漏损失等等已成为水压系统设计中的一个关键问题。
2）润滑磨损问题水的润滑性能差，摩擦副对偶面难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易产生干摩擦，加剧磨损。
在工况和表面质量相同的条件下，水压元件对偶摩擦副之间难以形成弹流润滑，必然导致摩擦副表面的直接接触。
由于水中不含添加剂，其边界润滑性能很差，在高速、重载的交变应力作用下，直接接触的摩擦副之间将发生干摩擦，从而导致严重的粘着磨损及疲劳磨损;如果有外界污染物如海水中的微细砂粒和内部磨屑的侵人，将导致三体摩擦，造成严重的磨粒磨损;再加上腐蚀与磨损的相互促进作用，摩擦副的寿命会大大缩短。
因此，要尽量避免采用金属/金属对偶摩擦副，选用耐蚀、耐磨、自润滑性能优异的摩擦副材料，同时采用液体动、静压支承原理，适当提高摩擦副零件的表面质量，加强污染控制，以有效解决水压元件面临的严重摩擦磨损问题。
3）防腐蚀问题水具有腐蚀性，电导率是液压油的约1010倍，极易引发机件锈蚀。
特别是海水中含有3.2%一3.75%盐份及大量氯离子、溶解氧、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等，电导率是液压油的5x1011倍，是典型的天然电解质，具有极强的化学及电化学腐蚀性，会引起腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂、材料转移、塑料老化等严重问题，不仅会大大降低材料强度，还会破坏配合零件表面质量，影响零件的尺寸稳定性，导致运动件卡死、元件寿命大大降低等。
解决的方法主要是选择抗腐蚀性强、耐磨性好的材料如不锈钢、陶瓷等，也可以通过对常规钢材进行特殊热处理来实现防锈的目的。
4）气蚀问题由于水的饱和蒸气压比油的高，常温下，水的蒸汽压力约是液压油的约10倍，这就意味着水极易汽化和沸腾。
从理论上讲，水压系统容易产生气蚀。
这是由于水的密度大，高速流动时惯性也大，因此在泵的吸入口、节流阀口和传递管路中更易形成局部真空，使水汽化或使水中溶解的气体析出而产生大量气穴，气穴进人高压区受压而溃灭，会产生高达700MPa局部冲击压力和瞬时局部高温，从而导致过流表面严重气蚀。
气蚀会降低容积效率和元件性能、缩短元件寿命，并产生振动和噪声。
因此，水压元件及系统的设计要求合理，尽量避免气蚀现象发生。
同时，采用表面变形能高的抗气蚀材料，尽可能降低气蚀的破坏作用。
4 发展趋势水压传动技术的发展趋势是将进一步加大基础研究和拓宽应用领域。
在基础研究方面:主要是将加大以下几个方面的研究力度。
1)水的理化特性、微生物学、过滤和维护的研究。
2)新材料、低成本、高可靠性和使用寿命的适用于不同场合的各种水压元件,包括泵、马达、阀、缸、管路、水箱、接头的研究。
3)适用于水压传动系统的位置、速度、力学控制技术。
在应用领域方面:水压传动将在食品加工、行走和固定机械设备领域中得到更加广泛的应用。
1)在食品加工领域将采用低速大扭矩马达和小功率执行器(小于3 kW)。
2)在行走机械领域将在环境保护敏感的市区、公园、海洋水域、田间和林间广泛地采用水压传动。
3)在固定机械设备中将替代气压传动,将广泛应用在造纸、核能等高动力和高能量的场合,将进一步满足环境保护的要求,更好地改善工作环境。
目前,水压传动由于水压元件数量较少,采用新型材料的元件制造标准较高,所以成本较高,水压系统的初期投入大。
但相比于油液需要运输、贮存,废液需要处理,由于油液溢出、泄漏对环境的污染需要治理,水压传动系统的运行费用是相当低的。
对于需要使用大量液压液的场合,水压传动的经济效益更是可观。
当前,新材料、新的设计理念的不断涌现,也为水压传动的发展提供了可能性。
随着水压元件生产制造厂商的增多,水压元件的数量将会增大,水压元件和系统的成本将会显著降低,因此水压传动的前景是广阔的。
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