硅谷杂志：斜盘连杆式轴向柱塞海水泵研究综述 |
| 2012-07-12 14:30 作者：谢朝明 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月12日消息 （原文载于《硅谷》杂志6月刊）海水液压传动技术是近年来国际上为开发海洋而产生的新技术，是液压传动学的前沿课题，由于其安全，无污染、效率高、经济方便且具可靠性而越来越受到人们的重视。介绍海水液压传动技术的突出优越性，并论述国内外海水泵的研究，重点阐述斜盘连杆式轴向柱塞海水泵的特点。
占地球表面积70%的海洋蕴藏着丰富的生物、矿产和能源等各种有用资源，是人类社会可持续发展的资源宝库。为了更好地利用海洋资源主要途径之一是开发和保护海洋。而经过一百多年发展的材料科学和机械制造科学为发展水液压传动奠定了坚实的物质技术基础，使得开发海洋变为现实，在众多的军用和民用领域得到推广应用，人类即将进入海洋开发时代。
海水液压传动技术是近年来国际上为开发海洋而产生的一门新技术，是液压传动学的前沿课题。随着经济的发展，各种矿物资源日渐耗竭，能源危机再一次对油压传动带来了挑战。另外，随着人类生存环境的日益恶化，污染控制和环保问题成为世界性难题，油压传动不能适用当今“绿色设计、绿色制造”的时代潮流，但由于海水安全，无污染、效率高、经济方便且具可靠性而越来越受到人们的重视，已成为现代海洋开发的一个重要技术手段[1]。由于海水的物理、化学性质与油相比，海水在液压技术方面所面临的诸如腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀、一系列关键技术问题，使得液压元件的核心动力元件液压泵不能直接用于水压传动系统，现有油压液压元件与海水完全不相容，必须利用新材料、新工艺开发新型的海水液压元件。
1海水液压传动技术的突出优越性
随着经济的发展，各种矿物资源日渐耗竭，能源危机再一次对油压传动带来了挑战。另外，随着人类生存环境的日益恶化，污染控制和环保问题成为世界性难题，油压传动不能适用当今“绿色设计、绿色制造”的时代潮流。在此背景下，海水液压传动重新吸引了人们的目光，当今的海水液压传动并不是简单的回归，而是一次新的飞跃。与油压传动相比，海水液压传动的优越性突出表现在以下几个方面：
1）方便性、经济性。用于海水液压传动的水，可以直接取自海洋，可以说是取之不尽，用之不竭，而且不需要加工提炼、搬运、仓储、维护及处理等问题，使用成本大大降低，同时还节省石油资源。
2）环境友好性。由于不加任何添加剂，完全与海洋环境相容，海水液压传动系统中的泄漏不会对周围环境造成任何危害，没有泄露污染问题，使用后甚至可以直接排放掉，不像废弃矿物油的处理那样困难，有利于保护海洋生态环境，符合人们日益增强的环境保护意识。
3）安全性。海水不燃烧，没有火灾危险，有利于增强装备的安全性。
4）应用于水下作业系统中的稳定可靠性、。由于可以省去水箱和回水管，使系统大大简化，水深压力可自动补偿，作为海水液压传动系统的水下作业工具的动力源原理上可用于水下任意深度的作业。
5）与产品相容性。采用海水液压传动的机械设备，在生产过程中即使存在泄漏也不会对产品造成污染。
6）更好的控制特性。由于海水粘温指数高、体积弹性模量较液压油高，系统的控制特性较液压油系统好。海水的粘度很低，使系统中的沿程流动损失大大降低，有利于远程动力传输，有利于机器设备在不同水深条件下工作[1]。
正是由于以上特点，使海水液压传动技术成为国际液压界和工程界普遍关注的热点，加上工程陶瓷、高分子材料等新型工程材料和表面工程技术的迅速发展，精密加工技术的进步，使研究海水液压技术所面临的诸如腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀、水污染的控制等一系列关键技术问题，能够有效地得到解决，从而促进海水液压技术得到迅速发展，并且在众多的军用和民用领域得到推广应用。
2国内外研究及应用概况
2.1国外概况
西方发达国家于上世纪60年代末，在流体传动与控制技术方面最早是以取用方便，廉价的海水作为压力传递介质。但是海水的粘度低、润滑性差、同样条件下泄漏大、对一般金属材料有腐蚀性，以及限于当时落后的加工制造技术与材料科学技术，早期的水压传动压力很低，应用也极为有限，发展极为缓慢。到80年代随着经济的发展，各种矿物资源日渐耗竭，能源危机再一次对油压传动带来了挑战。另外，随着人类生存环境的日益恶化，污染控制和环保问题成为世界性难题，油压传动不能适用当今“绿色设计、绿色制造”的时代潮流。在此背景下，海水液压传动重新吸引了人们的目光，当今的海水液压传动并不是简单的回归，而是一次新的飞跃。使海水液压传动技术成为国际液压界和工程界普遍关注的热点，加上工程陶瓷、高分子材料等新型工程材料和表面工程技术的迅速发展，精密加工技术的进步，使研究海水液压技术所面临的诸如腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀、水污染的控制等一系列关键技术问题，能够有效地得到解决，从而促进海水液压技术迅速发展，并且在众多的军用和民用领域得到推广应用。[2]
华中理工大学电液控制工程及自动化研究所杨曙东教授、李壮云教授通过对五种国际上具有代表性的中高压海水液压泵：1）英国Fenner海水液压泵；2）芬兰HytarOy海水液压泵；3）日本Komatsu海水液压泵；4）日本kayaba海水液压泵；5）德国Hauhinco海水液压泵进行深入研究，重点从其结构形式进行分析、以及分析关键对偶摩擦副的选材和主要技术性能等，得出如下结论：以上五种中高压海水液压泵各有其独特特性，且代表了当今世界海水液压技术的最高成就。其共同特点如下：①均采用海水润滑，与海洋环境完全相容，天然海水作为液压介质的各种优越性可充分利用发挥；②采用利于控制密封间隙的柱塞式结构，可使因海水黏度低引起的泄漏问题得到解决；③关键对偶摩擦副选用工程陶瓷、高分子材料等新型工程材料，使腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀等关键技术问题得到解决；④采用动、静压支承原理，改善海水自身润滑性能差的问题，极大限度地提高泵的工作效率；⑤可以浸没于海洋中工作，无须压力补偿设计即可自动补偿海洋环境水深的压力。[3]
2.2国内概况
我国海水液压传动技术的研究起步较晚，且仅应用于某些军工领域。
华中科技大学自1990年以来一直专注于研究海水液压传动的前沿技术，成功研发出6.3MPa、10MPa的油水分离式轴向柱塞式海水液压泵。为解决深海作业的需求，杨曙东教授、李安元教授、陶爱华教授研发出了14MPa、40L/min海水润滑的阀配流轴向柱塞式海水液压泵，该泵主要优越性如下：
1）采用轴向柱塞式阀配流结构，缸体不动，中心弹簧回程，主轴带动斜盘旋转以使柱塞往复运动来完成吸、排水工作。与端面配流轴向柱塞泵相比，减少了配流盘/缸体端面这对关键摩擦副；
2）采用平板阀配流，密封性能好，通流能力强，升程小，有利于提高配流阀的响应特性，而且加工工艺性较锥阀好；
3）主轴与止推盘连成一体，由前、后两个滑动轴承支承承受径向力，由止推轴承承受柱塞通过斜盘传递过来的轴向力。[4]
国内第1台斜盘连杆式海水轴向柱塞泵，由柯尊荣教授，朱玉泉教授于2005年成功研制出，该泵柱塞所受的侧向力还不及轴向力的百分之一，提高了海水轴向柱塞泵各项性能指标，大幅度延长了海水轴向柱塞泵使用寿命和提高了海水轴向柱塞泵工作可靠性。
柯尊荣教授、朱玉泉教授对所研制的斜盘连杆式海水轴向柱塞泵进行试验，通过各种试验得出以下主要观点：
1）斜盘连杆式海水轴向柱塞泵经过长期试验，滚动轴承在润滑油中正常，无明显损伤。其他摩擦副的磨损量也很小。可见油水分离结构是可行的；
2）软密封蕈阀结构在海水介质中应用良好，提高自吸能力和抗污染能力；
3）由于采用了斜盘连杆式结构，使柱塞所受的侧向力大为减小，避免了柱塞的偏磨，延长了泵的使用寿命和提高了工作可靠性。[5]
国内外液压专家对海水液压传动技术系统做了大量的研究，由于海水的物理、化学性质与油相比，海水在液压技术方面所面临的诸如腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀、一系列关键技术问题，使得液压元件的核心动力元件液压泵不能直接用于水压传动系统，现有油压液压元件与海水完全不相容，中外学者从改善结构型式、材料选择、设计方法研制出大量的新型的海水液压元件，从而对海水液压系统存在的关键技术问题耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳特性、提高系统的抗气蚀能力、防泄漏有效改善。从而使得海水液压传动技术很多工业领域广泛应用，创造出巨大的经济效益和社会效益。
3结束语
我国海洋开发工作起步较晚，液压传动技术的研究才刚起步，与世界发达国家相比尚有很大差距，但我国工程陶瓷、高分子材料、耐蚀合金等新型工程材料和表面工程技术的迅速发展，精密加工技术工艺水平的进步，使研究海水液压技术所面临的诸如腐蚀、腐蚀磨损、泄漏、气蚀、水污染的控制等一系列关键技术问题，能够有效地得到解决，从而促进海水液压技术得到迅速发展，并且在众多的军用和民用领域得到推广应用，本人坚信本世纪我国海水液压传动技术将会迎来新的发展高潮。
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