水在水力學(xué)中的應(yīng)用

0油壓傳動技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展情況壓迫傳壓技術(shù)是一項科學(xué)的計算手段，研究了淡水或海水的傳動過程。早在18世紀(jì)末,英國JosephBramah根據(jù)帕斯卡原理制成了世界上第一臺水壓機(jī),液壓界把它看作是水壓技術(shù)的開端。在隨后的一百多年里,水壓傳動技術(shù)得到了極大的發(fā)展,曾先后出現(xiàn)了阿姆斯特龍哥的水壓行車、奧斯特的水壓電梯、艾菲爾鐵塔用水壓電梯,并在壓力成型機(jī)、材料試驗機(jī)、港口吊車、冶煉廠等廣泛應(yīng)用。但受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的限制,由于水的粘度低、潤滑性差、腐蝕性強(qiáng)等缺點未能得到解決,使得水壓傳動元件存在著磨損、腐蝕、氣蝕、泄漏等嚴(yán)重問題。此后隨著石油工業(yè)的興起和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,出現(xiàn)了粘度大、潤滑性能好、防銹等性能優(yōu)良的礦物油和耐油合成橡膠密封材料,克服了水壓傳動的缺點,使得油壓傳動元件和油壓傳動系統(tǒng)的性能大大提高。但20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的“石油危機(jī)”,以及隨后出現(xiàn)的全球“生態(tài)危機(jī)”使成熟的油壓傳動技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),世界各國紛紛制定了本國的能源戰(zhàn)略和環(huán)保戰(zhàn)略,指出資源利用的合理化和產(chǎn)品設(shè)計的綠色化是產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)者應(yīng)該重要考慮的問題。與此同時,液壓界掀起了高水基液研究熱潮,但是高水基液只能解決能源短缺卻不能解決環(huán)保問題。水作為一種天然的清潔能源這才又進(jìn)入了人們的視野,且其優(yōu)點愈來愈得到認(rèn)可。特別是近年來材料學(xué)、摩擦學(xué)、潤滑理論與密封技術(shù)、計算技術(shù)、精密加工技術(shù)、表面處理等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,增強(qiáng)了科技工作者研究水壓傳動的信心,已有數(shù)個國家進(jìn)行了這方面的研究并取得了突破性進(jìn)展。目前,對水壓傳動技術(shù)的研究已經(jīng)成為流體傳動及控制技術(shù)領(lǐng)域國際學(xué)科前沿的重要研究方向,是國際液壓行業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點。1目前，關(guān)于壓力元件的研究1.1海水液壓傳動技術(shù)的研究與開發(fā)20世紀(jì)60年代末,根據(jù)海洋水底作業(yè)和海軍裝備的要求,美國海軍司令部、海軍艦船研究中心及海軍工程實驗室等部門進(jìn)行了海水液壓傳動技術(shù)的研究。由于海水具有與海洋特定環(huán)境相容以及清潔環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)點,能很好地滿足某些特殊情況下的使用要求,西方一些發(fā)達(dá)國家也相繼開展了海水液壓傳動技術(shù)的研究與開發(fā),并取得了一些成果。進(jìn)入90年代后,為滿足人們?nèi)找鎻?qiáng)烈的環(huán)保要求和諸如食品、制藥、造紙、包裝等特殊行業(yè)的需求,又出現(xiàn)了以自來水(純水)為工作介質(zhì)的液壓產(chǎn)品的研究開發(fā),并在肉類切割、垃圾處理、滅火機(jī)器人等方面得到應(yīng)用。1.1.1柱塞泵的壓傾斜(1)材料和方案1985年美國ISTIDelaware公司與Delaware大學(xué)合作開始研制海水柱塞泵,并于1988年成功研制出閥配流式海水柱塞泵,其最大工作壓力6.2MPa,流量19L/min,容積效率達(dá)90%以上,泵體用填充環(huán)氧樹脂,斜盤、軸、缸體襯里用奧氏體不銹鋼,軸承、柱塞、滑靴等采用塑料,累積運行2600h及一億次工作循環(huán),維修間隔期一年以上。英國Fenner公司也于1988年研制出端面配流式軸向柱塞海水泵,其最大工作壓力為14MPa,額定流量為75L/min,最大轉(zhuǎn)速為1800r/min,泵體、端蓋等采用鋁合金,定隙回程盤、滑靴底面、球窩、柱塞套、缸體端面、滑動軸承等采用增強(qiáng)聚酰亞胺塑料,斜盤、滑靴、柱塞、缸體、配流盤、軸等采用AIS1316不銹鋼。1996年Hull大學(xué)采用整體陶瓷作缸體、配流盤和柱塞獲得成功,能正常運轉(zhuǎn)5000h。1994年芬蘭HytarOy公司和Tampere工業(yè)大學(xué)合作研制出端面配流式軸向柱塞高壓海水泵,泵的最大輸出壓力達(dá)21MPa,轉(zhuǎn)速為300~1800r/min,容積效率超過92%,關(guān)鍵配合偶件摩擦副材料均采用纖維增強(qiáng)塑料和硬化的金屬和陶瓷組合。1991年日本小松(Komatsu)制作所研制出端面配流式軸向柱塞式海水泵,泵的額定壓力21MPa,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,額定流量30L/min,容積效率達(dá)92%,其配流盤、缸套、滑靴和滑動軸承采用碳纖維增強(qiáng)高分子塑料(CFRP),缸體端面、軸徑、柱塞斜盤等采用陶瓷。1989年日本萱場(Kayaba)工業(yè)株式會社與法國BronzaviaAir-equipment公司合作開發(fā)出閥配流軸向柱塞式海水液壓泵,其最大工作壓力21MPa,最高轉(zhuǎn)速1800r/min,容積效率超過85%,機(jī)械效率超過90%,該泵的斜盤、柱塞、軸承均采用陶瓷,滑靴和缸套采用碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)。1983年日本川崎重工業(yè)技術(shù)研究所研制出閥配流軸向柱塞式海水泵,泵的工作壓力達(dá)63MPa,流量6~9L/min,轉(zhuǎn)速2000~3000r/min,泵的缸體和柱塞的基體采用不銹鋼,用Al2O3作缸體襯里,柱塞表面噴涂Al2O3和TiO2,此后對該泵進(jìn)行改進(jìn),柱塞用鎳合金作基體、表面噴涂WC,配流閥用鈦合金,閥體用鈦材,于1987年研制成功工作壓力達(dá)68.5MPa,流量5L/min的海水柱塞泵。德國Hauhinco公司研制出徑向柱塞海水泵,采用平板閥配流,泵的滑動軸承、配流閥體、柱塞頭部滑靴及柱塞套均采用碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP),對偶材料均為耐蝕合金,其最大工作壓力達(dá)32MPa。(2)軸向柱塞泵的排放量1994年丹麥Danfoss公司率先推出了第一代NessieTM系列現(xiàn)代水液壓元件,生產(chǎn)的軸向柱塞泵的排量為4~80mL/r,最大工作壓力達(dá)16MPa。德國Hauhinco公司生產(chǎn)的Ehk-3K系列柱塞泵,流量為8~700L/min,壓力為15~80MPa。日本研制的水液壓泵壓力達(dá)到21MPa,轉(zhuǎn)速為1800r/min,容積效率為86%,總效率達(dá)81%。1.1.2齒輪泵的開發(fā)美國NCEL的BhushanB.等通過實驗發(fā)現(xiàn)同一種材料在軸向柱塞泵中承受的pv值僅為葉片泵的三分之一和齒輪泵的十分之一,徑向動壓軸承的pv值約為齒輪泵的四分之一。因此,國外的研究單位選擇了對材料pv值要求較低的軸向柱塞泵進(jìn)行開發(fā),而未涉及水壓齒輪泵和葉片泵,但是由于齒輪泵在中低壓范圍內(nèi)較柱塞泵經(jīng)濟(jì)適用、功率質(zhì)量比高,2000年我國三大類泵的產(chǎn)量占有比中齒輪泵占78.2%,這說明水壓齒輪泵極具開發(fā)價值。而且要使水壓傳動完全取代油壓傳動,必須開發(fā)各種形式的水壓元件,隨著材料科學(xué)、表面科學(xué)的發(fā)展,材料的極限pv值也將取得突破。1.1.3壓迫緩沖區(qū)(1)葉片和配流盤1980年美國海軍工程實驗室(NCEL)率先研制出海洋作業(yè)用海水葉片馬達(dá),其最大工作壓力為7MPa,轉(zhuǎn)速為1600r/min,總效率達(dá)80%,馬達(dá)的葉片、配流盤和軸承材料選用Torlon4301(填充聚酰胺酰亞胺),端蓋、軸、轉(zhuǎn)子、定子材料為因科合金。1988年英國Fenner公司研制出端面配流式軸向柱塞海水液壓馬達(dá),其最大工作壓力為10MPa,額定流量為40L/min,最大轉(zhuǎn)速為3000r/min。(2)雙向水葉片馬達(dá)1994年丹麥Danfoss公司生產(chǎn)出排量為4~12.5mL/r,最大工作壓力14MPa的軸向柱塞馬達(dá),1997年又研制出雙向自來水葉片馬達(dá),其最大工作壓力5MPa,最大輸出轉(zhuǎn)矩110N·m,排量160mL/r,轉(zhuǎn)速20~200r/min,總效率為80%,馬達(dá)葉片采用PEEK聚合物材料,其它主要部件采用不銹鋼。1.1.4水壓閥(1)直動式溢流閥壓力控制閥包括溢流閥、安全閥、減壓閥等。美國Hunt閥公司生產(chǎn)的可適用于水的溢流閥工作壓力21MPa,采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。丹麥Danfoss公司研制的直動式溢流閥,其最大流量為60L/min,壓力調(diào)節(jié)范圍為0.25~1.4MPa,30L/min階躍流量時的壓力超調(diào)量為0.08MPa,壓力穩(wěn)定時間為25ms,內(nèi)泄漏量為0.12L/min,閥的材料為不銹鋼、聚脂,青銅等。日本NABCO公司研制的平衡活塞式先導(dǎo)溢流閥最高壓力達(dá)19.6MPa,最大流量達(dá)110L/min。(2)通電磁換向閥1994年丹麥Danfoss公司研制出二位二通VDH30E型方向控制閥,1997年又研制出壓力為5MPa的三位四通電磁換向閥。ELWOOD公司生產(chǎn)的三位四通手動滑閥式換向閥,其最大流量為42L/min,最高壓力為42MPa。Hauhinco公司的二位三通滑閥式換向閥采用陶瓷做閥芯,其抗磨損和抗氣蝕能力都很強(qiáng),閥的泄漏量靠加工精度來保證,壓力達(dá)到32MPa。2000年芬蘭Tampere科技大學(xué)研制出壓力為3MPa、流量為10L/min的二位二通電磁換向閥。(3)流量控制閥控制丹麥Danfoss公司研制的帶壓力補(bǔ)償?shù)腣OH30M型流量控制閥(調(diào)速閥),其最大流量和最小流量分別為30L/min和2L/min,最大和最小壓降分別為14MPa和1.5MPa。(4)從閥口的優(yōu)缺點德國Hauhinco公司的二位二通和二位三通比例方向閥均采用球閥形式,并用在位置控制系統(tǒng)上。球閥的優(yōu)點是泄漏量小,動作可靠,制造起來相對簡單;其缺點是線性度差,滯環(huán)和死區(qū)較大,開啟和關(guān)閉時間為60~80ms,工作極限頻率比伺服閥低得多。并研制成以氧化鋯(ZrO2)做閥芯和氧化鋁(Al2O3)做閥套的滑閥式比例控制閥,閥的最快響應(yīng)時間為30ms。(5)閥芯和閥套粘結(jié)1992年,EbaraResearchCo.,Ltd.和URATA等合作研制的水壓伺服閥采用靜壓支承以減小閥芯所受的摩擦力和卡緊力,避免了由于間隙過小而導(dǎo)致的閥芯和閥套粘結(jié);經(jīng)過靜壓支承腔的壓力水再被引到噴嘴-擋板閥口,以減小流量損失。閥芯為陶瓷,閥套為不銹鋼;額定壓力為14MPa,額定流量80L/min,響應(yīng)頻率達(dá)到油壓伺服閥的水平。UltraHydraulics4658伺服閥用不銹鋼做閥芯,可以直接用水作為介質(zhì)。Moog公司的海水伺服閥專為以海水做介質(zhì)而設(shè)計,結(jié)構(gòu)形式與油壓伺服閥相似,工作壓力為7MPa,死區(qū)<1%,滯環(huán)<5%,額定流量為2.3L/min。1.2軸向柱塞式水泵華中科技大學(xué)從20世紀(jì)80年代初開始承擔(dān)“六五”、“七五”高水基液液壓傳動重點科技攻關(guān)項目的研究,90年代以來在此基礎(chǔ)上開展海水液壓傳動技術(shù)的研究,并于1992年底研制出一臺單柱塞式海水液壓泵樣機(jī),1996年研制出最高壓力為6.3MPa,流量為100L/min的軸向柱塞式水泵。隨后又研制出壓力為7MPa和14MPa、流量為100L/min和10L/min的直動式溢流閥和節(jié)流閥以及壓力為14MPa、流量為40L/min的先導(dǎo)式溢流閥。2001年在國家自然科學(xué)基金委的支助下研制出額定壓力為14MPa的海淡水軸向柱塞泵。同時還建立了純水液壓泵(馬達(dá))典型摩擦副試驗臺和水液壓元件綜合性能試驗臺。1997年浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點實驗室在教育部“211工程”的支持下,自行設(shè)計并由國外公司加工制造出一臺完整的水壓傳動系統(tǒng)實驗臺。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2002年成功研制出國內(nèi)第一臺以純水為介質(zhì)的水壓加載試驗設(shè)備,其中的伺服水閥采用油壓比例閥控制液壓缸驅(qū)動水壓錐閥,取得了很好的實驗結(jié)果。此外,西南交通大學(xué)、昆明理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校也在進(jìn)行部分基礎(chǔ)技術(shù)研究。2水液壓系統(tǒng)及設(shè)備現(xiàn)代水壓傳動最初主要是為了滿足美國海軍水下工程隊作業(yè)使用,美國海軍工程實驗室于1988年研制出多功能水下作業(yè)工具系統(tǒng)。丹麥SFK公司研制生產(chǎn)出用于肉類加工廠的手持式水液壓切割鋸,1994年芬蘭Tampere工業(yè)大學(xué)液壓自動化研究所為國際熱核實驗反應(yīng)堆設(shè)計制造了水液壓裝置,美國R.HowardStrasbaugh公司研制生產(chǎn)出用于半導(dǎo)體集成電路加工的水液壓系統(tǒng),德國的汽車制造廠在焊接生產(chǎn)線上采用了水壓驅(qū)動系統(tǒng),瑞典Renova垃圾處理公司將研制出的水壓系統(tǒng)用在垃圾裝載車和街道清掃車上,芬蘭一造紙廠研制出用于切紙機(jī)的水力噴射切割系統(tǒng),丹麥Danfoss公司和德國Dresden科技大學(xué)聯(lián)合研制出用于叉式起重車的變速式水壓驅(qū)動升降和傾斜系統(tǒng),日本東京工業(yè)大學(xué)研制出一種水壓驅(qū)動滅火機(jī)器人,川崎重工業(yè)技術(shù)研究所研制出用于深海調(diào)查船的超高壓海水系統(tǒng),我國南京大地水刀有限公司生產(chǎn)出可切割厚度為50mm鋼板的DWJ-A/B系列數(shù)控水切割機(jī)。3水壓元件的回收及性