純水壓傳動技術在船舶上的應用初探

摘 要：純水壓傳動技術是直接以純水為液壓傳動介質的技術。純水介質較之傳統的液壓油介質，具有環保、價廉、安全等顯著優點。本文主要闡述了純水壓傳動技術在船舶機械上應用的優點及關鍵問題。并對該技術取代傳動液壓油在船舶上的應用和推廣進行了分析。純水壓傳動技術在船舶機械上具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：純水壓傳動 船舶液壓 液壓元件

中圖分類號：TH137.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0078-02

18世紀末英國Joseph Bramah根據帕斯卡提出的靜壓傳遞原理制成了世界上第一臺水壓機，它是最早出現的具有真正意義的液壓傳動技術，當時所采用的工作介質就是天然淡水，可以說是水壓傳動技術發展的開端。純水壓傳動技術是直接以純水（天然淡水或海水，不添加添加劑）為液壓傳動介質，純水介質不同于傳統的液壓油介質，它具有環保、價廉、安全等顯著優點。利用純水來取代液壓油不僅能夠緩解未來因石油枯竭帶來的能源危機，而且能夠避免因液壓油泄漏和排放帶來的環境污染問題，純水是一種非常理想的工作介質。早在近年來，隨著綠色設計的興起和對環境保護與日俱增的關注導致人們重新對現代水壓傳動產生了濃厚的興趣。特別是純水固有的安全性和清潔性使得人們不用為廢油處理、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。

目前液壓油在船舶機械上得以廣泛應用，但其本身對環境具有一定污染性。隨著科技及經濟發展，人們對環境的保護，尤其是對海洋環境的保護提出了更高的要求，這集中體現在IMO（國際海事組織）對其成員國在海洋環境保護的要求和MARPOL公約上。這也就要求遠洋船舶對船舶機械中使用的各類油，要嚴格控制，決不允許將各類油直接入海，這無疑給純水壓傳動技術的發展帶來了難得的機遇。純水壓傳動技術具有眾多的優點，當然要把純水壓傳動應用到船舶機械上也面對很多挑戰，但純水壓傳動技術的應用是大勢所趨，現在歐美的一些發達國家都在積極地研究和設計純水壓元件和純水壓系統，我們國家也在積極地研究純水壓傳動技術。

1 純水壓傳動技術在船舶機械上應用所具有的優點

純水壓傳動技術具有以下優點。

1.1 純水壓系統對環境友好

純水壓傳動可以利用純水作為傳動介質，很好的克服了液壓油對環境造成的污染。由于液壓油的管路和密封性等問題，船舶液壓甲板機械時常發生液壓油泄漏的現象。1t液壓油可使1000000 t純水受到污染，且污染后需要很長的時間才能消除影響；泄漏的油壓液可威脅周圍環境的動植物生命，甚至致其死亡；泄漏的液壓油會使工作場所地面打滑，增加了工作環境中的危險性；泄漏的液壓油造成空氣中充滿了異味，惡化了工作環境。純水液壓系統不僅能夠滿足世界上各國環保法規和標準的要求，而且純水液壓系統的泄漏不會對環境造成污染，不需要對純水進行回收和處理，降低了維護費用，使操作和維護變得更加簡單和方便，非常適用于船舶的甲板機械上。

1.2 純水壓系統的介質價格低廉，來源廣泛

純水的價格相對于液壓油而言，十分便宜，僅為液壓油的幾千分之一。由于現代人們環保意識的增強，液壓油的廢液處理越來越受到重視。液壓油的廢液處理代價特別大，通常處理費用與購買成本接近。而使用純水作為液壓介質就可大大節約成本，特別是對具有大型液壓系統的船舶而言，可節省大量的液壓油，經濟效益可觀。另外，不像液壓油那樣，純水的取得不需要考慮冶煉提純、運輸倉儲、廢液處理等問題；地球上的純水資源不但豐富而且方便取用，尤其是當船舶在大海中航行時，更容易獲得純水。

1.3 純水壓系統安全性高

在船舶上對機械設備和工作介質的安全性要求高，傳統的液壓油可燃可爆，安全性能差，而純水介質可以抗燃抗暴，特別適合在高溫環境及有防爆要求的工作環境下使用，使用純水介質可以使船舶機械的操作和管理更安全。

1.4 純水壓系統效率高

純水的粘度遠低于液壓油，這可以大大降低純水在管路中運行時的阻力損失。同時純水的彈性模量大，壓縮損失小。此外，純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。以上因素決定了純水壓系統傳遞效率高。

1.5 純水壓系統結構簡單

在船舶上使用純水壓液壓系統中可以不必設計回水管和水箱，減少系統液壓管路的長度；使用純水壓液壓系統不必再對系統中的介質進行冷卻，減少冷卻器及其管路，這些都大大簡化了系統結構，使系統操作和管理更方便。

2 純水壓傳動技術在船舶機械上應用需要面對的挑戰

盡管純水壓傳動系統具有上述的優點，要把純水壓傳動技術應用到船舶機械上還有很多的挑戰。由于純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，使得純水液壓傳動系統在使用中存在以下問題。

2.1 純水壓系統潤滑效果差，易磨損

同等溫度下，純水的粘度水的黏度大約只有礦物油的1/40～1/50，故在相同壓力下，通過相同密封縫隙的泄漏流量將是礦物油的30～120倍以上，這無疑大大降低純水壓系統的容積效率。同時由于純水的粘度低，潤滑性就變得很差，在運動摩擦表面難以形成液體潤滑膜，也不能形成良好強度的邊界膜，很容易造成干摩擦。純水壓系統中，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，滾動軸承中根本就很難形成彈性流體潤滑膜。這些都使純水壓系統中的部件磨損加劇，容積效率降低，液壓泵壽命縮短。

2.2 純水壓元件及純水壓系統成本高

純水壓元件對材料的耐磨和防銹性能要求高，與液壓油元件相比，純水壓元件的制造成本高。由于純水的粘度小，勢必增加液壓泵的泄漏，使其容積效率下降。要提高純水壓系統的容積效率，必須減小摩擦副間的配合間隙，這也就意味著會增加純水壓元件加工和制造成本。

2.3 純水壓元件及純水壓系統易腐蝕

純水的導電性比液壓油高許多倍，純水比液壓油有更強的腐蝕能力，能引起大多數金屬材料的電化學腐蝕以及大多數高分子材料的化學老化，對液壓元件的材料破壞。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。因此，純水壓元件的材料必須能夠與水相容，并且要具有優良的抗水腐蝕性能，這樣的材料是很難獲得的。

2.4 純水壓元件及純水壓系統易氣蝕

純水的汽化壓力比液壓油的高，隨著溫度的升高，純水的汽化能力升高的更快。這就特別容易誘發純水的汽化，導致氣蝕，剝蝕零件表面材料。氣蝕還會使系統的流量發生變化，容積效率降低，產生壓力波動、振動和噪聲。在純水壓系統中，容易發生氣蝕的部分位于液壓泵配流盤吸、排槽的交界處，泵的吸入口和節流閥閥口。

2.5 純水壓系統運行溫度范圍小

純水在0℃時會結冰，影響其在低溫環境下的使用；純水在溫度高時會汽化，影響其在高溫環境下的使用。一般純水液壓系統運行溫度范圍是3℃～50℃，比液壓油的-20℃～90℃要小得多，這就限制了純水壓系統在船舶機械上的使用。

2.6 純水壓元件性能差

與液壓油介質相比，純水存在著粘度低、潤滑性差、導電性強、汽化壓力高缺點，現有的油壓元件不能直接或改進后采用純水作為工作介質。同時純水工作介質會給純水壓系統帶來氣蝕、腐蝕、磨損等問題，這對純水壓元件的性能要求非常高，造成了純水壓元件不可能像油壓元件那樣，可以方便的實現調節與控制。例如純水壓軸向柱塞泵難以向油壓柱塞泵那樣實現變量控制，純水壓系統中的閥件不能像油壓系統中的那樣控制靈活。

3 結論

現代水壓傳動技術經過近20年的發展，阻礙水壓傳動技術發展的一些關鍵基礎技術問題，如腐蝕、氣蝕、泄漏、摩擦磨損、水擊、水質污染、絕緣等已經得到有效解決，水壓傳動技術由最初以海水為工作介質應用于海洋水下作業機器人發展到目前以自來水為工作介質應用于焊接機器人、水力加工、食品、鍛壓、垃圾裝運、清掃、水壓舉升、核動力、軋鋼、冶金、礦業等裝備上，水壓傳動技術得到了迅速發展和推廣。

可以推測，在未來的幾十年，甚至上百年里，隨著石油資源的不斷減少，礦物油的價格會急劇上升，在加上人們對環境保護和生態保護意識的增強，各國的環保法規將會更加嚴格。這些都將使礦物油的應用越來越受到限制，而水作為一種綠色工作介質所具有的優勢，是其他任何液體都無法取代的。

目前，應用水基液的水壓傳動技術已經是一門比較成熟的技術，廣泛應用于采礦，冶金等行業。應用純水的液壓傳動技術也取得了重大進展，世界市場上純水液壓元件的壓力等級主要有五種。由于純水液壓傳動技術與海洋環境相容、無環境污染、安全、高效、操作簡單、性能穩定，在船舶機械上，它必將具有極其廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]Karl-Erik Rydberg. Energy Efficient Water Hydraulic Systems[C].The 5th International Conference on Fluid Power Transmission and Control（ICFP2001），Zhejiang University，China，2001：440-446.

[2]楊署東，李壯云.水壓傳動的發展及其關鍵基礎技術[J].機床與液壓，2000，5（2）：6-9.

[3]王新華，魏源遷，伍良生.水壓傳動技術及其應用前景[J].機床與液壓，2003，6（3）：3-8.

[4]TOM Lai.Development of non-contacting，non-leaking spiral groove liquid face seals [J].Lubrication Engineering，1994，50（8）：625-631.

[5]白柳.液壓傳動的重要發展方向—純水液壓傳動[J].液壓傳動與密封，2011，6（12）：12-13.

[6]Buck G S，Volden Doug.Upstream Pumping：A New Concept in Mechanical Sealing Technology [J].Lubrication Engineering，April 1990：213-217.

[7]白柳.液壓傳動的重要發展方向—純水液壓傳動[J].液壓傳動與密封，2011，6（12）：12-13.

[8]李松晶，院健，弓永軍.先進液壓傳動技術概論[M].哈爾濱工作大學出版社，2008：188-155.

[9]Gary W.Krutz，Patrick.S.K.Chua.Water Hydraulics—Theory and Applications 2004[C].Workshop on Water Hydraulics，Agricultural Equipment Technology Conference （AETC'04），Louisville，Kentucky，8-10 February，2004：1-33.

[10]王新華，孫樹文，李劍鋒，等.水壓伺服控制技術發展的現狀及應用前景[J].機床與液壓，2008，36（5）：177-181.