艦船水基難燃液壓液性能研究

宋開財+王建華+李春生+顏皓

摘要：文章考察了不同類型難燃液壓液的難燃性、黏溫特性和蒸發特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同類型多元醇和增黏劑對水基難燃液壓液主要性能的影響。并進行了長液壓管道壓力損失試驗和液壓泵摩擦磨損試驗。結果表明：水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，但蒸發率越高，蒸發率隨時間的變化是先增加后減少。水溶性聚醚的稠化能力遠遠優于聚乙二醇，低溫時無結晶現象。不同類型難燃液壓液的壓力損失符合實際流體伯努利方程關系特性。采用水-甘油型液壓液為液壓介質，液壓泵流量、容積效率與累積運行時間變化狀態平穩，無明顯下降趨勢；以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，隨著運行時間的增加，泵流量和容積效率有一定下降趨勢。此研究結果對于水基難燃液壓液的配方研究和使用具有一定的指導意義。

關鍵詞：液壓系統；水基液壓液；含水量；蒸發特性

中圖分類號：TE626.38 文獻標識碼：A

0 引言

隨著現代工業生產向高溫、高速和大容量方向發展，保障機械設備和操作人員的安全，解決因油品噴濺、泄漏引起的爆炸和火災事故已越來越成為人們所關心的重要課題。世界上許多國家都在高溫高壓的液壓系統應用難燃液壓液[1-2]，國內冶金、煤炭等行業在熱源附近或易發生火災區域的液壓系統也廣泛采用難燃液壓液。難燃液壓液是指在明火或高溫作用下能抗燃燒以及在壓力作用下發生物理狀態變化時能抗自燃的液壓介質。水基難燃液壓液因具有使用壽命長、價格適中、低凝、無毒、不存在水解安定性等優點[3-5]，已成為眾多難燃液壓液中應用較為廣泛的一類液壓介質。水基難燃液壓液主要由水、多元醇、增黏劑和功能添加劑組成。本文重點考察了不同組成水基難燃液壓液的難燃性、黏溫特性和蒸發特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同類型多元醇和增黏劑對水基難燃液壓液主要性能的影響。研究結果對于水基難燃液壓液的配方研究和使用具有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

電光分析天平：型號TG328A，最大載荷200 g，分度值0.1 mg，上海天平儀器廠。

烘箱：廣口保溫瓶或圓筒形容器，具有保溫層，容器蓋子上有插試管、溫度計和加入干冰的孔口，也可用半導體致冷器。

水銀溫度計：符合GB 514要求，供測量不低于-30 ℃的試樣溫度用。

臺架試驗系統：由液壓泵站，流量自動限制裝置，過濾切換裝置，電磁閥組，液壓執行器，負載模擬裝置，加載與流量檢測裝置，測壓閥組，冷卻裝置，主、進回液管道（規格為30 mm×4 mm），進、排液管道（規格為10 mm×2 mm），注液機，監控裝置，測試儀表以及高溫試驗間等組成。系統額定壓力為11～14 MPa，額定流量為21 L/min，額定功率為11 kW。

1.2 化學試劑

水：蒸餾水或去離子水；

乙二醇：分析純試劑，純度>99.5%，威爾昆化學試劑有限公司生產；

甘油：分析純試劑，純度>99.5%，威爾昆化學試劑有限公司生產；

增黏劑：不同類型的水溶性聚醚（PAG），分子量為5萬左右，無色透明黏稠液體。

1.3 實驗方法

（1） 低溫結晶：將盛有300 mL試樣的干凈標本瓶置于-18 ℃冷浴中，6 h后用肉眼觀察是否結晶。

（2） 蒸發特性：將水基難燃液壓液分別置于幾個相同形狀和大小的玻璃燒杯中，在一定的溫度下保持不同的時間后，用高精度電分析天平稱量恒溫前后液壓液的質量，數據的測取用重復試驗法進行[6]，通過求平均值得到不同條件下該液壓液的蒸發率。

（3） 長液壓管道壓力損失測定模擬試驗：在液壓泵排液壓力為（14±0.5）MPa的條件下，測定流量自動限制裝置與過濾切換裝置之間（主進、回液管道規格為30 mm×4 mm，長度為220 m）、電磁閥組與液壓執行器之間（進、排液管道規格為10 mm×2 mm，長度為65 m）的壓力損失。

（4） 液壓泵摩擦磨損性能試驗：在液壓泵吸液口溫度為49～54 ℃，出口壓力為（14±0.5）MPa條件下，兩組恒壓變量泵完成累積500 h的摩擦磨損試驗，分別測量泵流量和效率與累積運行時間的關系曲線。

2 結果與討論

2.1 不同含水量水基難燃液壓液的性能研究

圖1為水基難燃液壓液水含量與火焰持續時間的關系圖。液壓液的水含量越高，其火焰持續時間越短，難燃性越好，通常要求水基難燃液壓液中水分含量應不低于35%。圖2為70 ℃條件下，不同水含量水基難燃液壓液的蒸發率與時間的關系曲線。從圖2中可以直觀地看出，水基難燃液壓液的蒸發率隨著水含量的增加而不斷增加。水含量越高，蒸發率越大；并且隨著試驗時間的增加，不同水含量難燃液壓液的蒸發率先是不斷增大，而后隨著試驗時間的增加，蒸發率先出現下降，而后趨于穩定值。這一變化趨勢隨著難燃液壓液水含量的減少而更加明顯。

2.2 不同類型增黏劑水基難燃液壓液的性能研究

表1列出了水溶性聚醚和聚乙二醇在水-甘油型液壓液中的部分理化性能。由表1可知，水溶性聚醚的稠化能力遠遠優于聚乙二醇。即添加相同量的稠化劑，聚醚的增黏效果遠遠好于聚乙二醇，并且低溫時不會產生固體聚乙二醇出現結晶的現象。表2列出了三種使用不同類型水溶性聚醚難燃液壓液的主要理化性能，該三種難燃液壓液的黏溫特性曲線如圖3所示。從表2和圖3可以看出，三種水溶性聚醚雖然類型不同，但稠化能力和黏溫特性相當，液壓液的低溫性能接近。在空氣釋放性方面，聚醚PAG-2的空氣釋放值在20 min以內，聚醚PAG-1和PAG-2的空氣釋放值均在20 min以外。

為進一步考察三種聚醚的綜合性能，圖4描繪出了三種不同聚醚在70 ℃條件下，液壓液經不同試驗時間的蒸發特性曲線。從圖4中可直觀看出，PAG-1的蒸發率最大，PAG-2的蒸發率最小，PAG-3的蒸發率居中。

2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長液壓管道壓力損失測定模擬試驗

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質，對長液壓管道（流量自動限制裝置與過濾切換裝置之間的主進液管道以及電磁閥組與某一液壓執行器之間的進液管道）的壓力損失進行了測定，測試結果如圖5和圖6所示。

從試驗結果來看，當上述長液壓管道內難燃液的流量增加時，管道內難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當環境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時，相同流量情況下同一長液壓管道內的壓力損失值降低。這一變化過程符合實際流體伯努利方程中關于管道內液壓液壓力損失與流量的關系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號的難燃液壓液在長液壓管道中壓力損失的測試結果均在正常范圍以內，滿足液壓系統的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗

采用兩臺相同型號的恒壓變量泵，在相同試驗條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質，檢測兩臺恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運行時間的關系，以考察兩種難燃液壓液對液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺恒壓變量泵實測流量與累積運行時間的關系曲線及容積效率與累積運行時間的關系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當以水-甘油型難燃液為液壓介質時，在累積運行500 h時間范圍內，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動外，但總的變化狀態平穩，無明顯下降趨勢。當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢。這是由于液壓泵內主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對摩擦副，隨著運行時間的增加，該三對摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢，從而導致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質時，兩臺被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運行500 h時間范圍內，兩臺恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內。

3 結論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發率越高。在試驗條件下，不同含水量液壓液的蒸發率隨時間的變化趨勢相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠遠優于聚乙二醇，低溫時無結晶現象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發特性略有不同。

（3）長液壓管道壓力損失試驗結果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質，管道內液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實際流體伯努利方程關系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗結果表明：在500 h范圍內，采用水-甘油型液壓液為液壓介質，泵流量、效率與累積運行時間變化狀態平穩，無明顯下降趨勢；當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，隨著累積運行時間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

參考文獻：

[1] 竹內哲朗.一種環保型難燃液壓液的研制[J].高壓機械潤滑設計，1981，18（12）：11-12.

[2] 前田陸三.水基潤滑添加劑[J].合成潤滑材料，1985（5）： 17-20.

[3] Ralph Lener.Planning High Water Content Hydraulic Fluid Use[J].Lub Eng，1990，46（11）：737-739.

[4] Wambach W.Hydraulic Systems and Fluids[J].Lub Eng，1983，39（8）：483-485.

[5] Talor R，WangY.Lubrication Regimes and Tribological Properties of Fire-Resistemt Hydranlic Fluids[J].Lub Eng，1985，40（1）：44-50.

[6] 茆濤松，丁元.周紀薌，等.回歸分析及其試驗設計[M].上海：華東師范大學出版社，1986.

2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長液壓管道壓力損失測定模擬試驗

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質，對長液壓管道（流量自動限制裝置與過濾切換裝置之間的主進液管道以及電磁閥組與某一液壓執行器之間的進液管道）的壓力損失進行了測定，測試結果如圖5和圖6所示。

從試驗結果來看，當上述長液壓管道內難燃液的流量增加時，管道內難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當環境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時，相同流量情況下同一長液壓管道內的壓力損失值降低。這一變化過程符合實際流體伯努利方程中關于管道內液壓液壓力損失與流量的關系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號的難燃液壓液在長液壓管道中壓力損失的測試結果均在正常范圍以內，滿足液壓系統的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗

采用兩臺相同型號的恒壓變量泵，在相同試驗條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質，檢測兩臺恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運行時間的關系，以考察兩種難燃液壓液對液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺恒壓變量泵實測流量與累積運行時間的關系曲線及容積效率與累積運行時間的關系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當以水-甘油型難燃液為液壓介質時，在累積運行500 h時間范圍內，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動外，但總的變化狀態平穩，無明顯下降趨勢。當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢。這是由于液壓泵內主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對摩擦副，隨著運行時間的增加，該三對摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢，從而導致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質時，兩臺被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運行500 h時間范圍內，兩臺恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內。

3 結論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發率越高。在試驗條件下，不同含水量液壓液的蒸發率隨時間的變化趨勢相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠遠優于聚乙二醇，低溫時無結晶現象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發特性略有不同。

（3）長液壓管道壓力損失試驗結果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質，管道內液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實際流體伯努利方程關系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗結果表明：在500 h范圍內，采用水-甘油型液壓液為液壓介質，泵流量、效率與累積運行時間變化狀態平穩，無明顯下降趨勢；當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，隨著累積運行時間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

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[6] 茆濤松，丁元.周紀薌，等.回歸分析及其試驗設計[M].上海：華東師范大學出版社，1986.

2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長液壓管道壓力損失測定模擬試驗

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質，對長液壓管道（流量自動限制裝置與過濾切換裝置之間的主進液管道以及電磁閥組與某一液壓執行器之間的進液管道）的壓力損失進行了測定，測試結果如圖5和圖6所示。

從試驗結果來看，當上述長液壓管道內難燃液的流量增加時，管道內難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當環境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時，相同流量情況下同一長液壓管道內的壓力損失值降低。這一變化過程符合實際流體伯努利方程中關于管道內液壓液壓力損失與流量的關系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號的難燃液壓液在長液壓管道中壓力損失的測試結果均在正常范圍以內，滿足液壓系統的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗

采用兩臺相同型號的恒壓變量泵，在相同試驗條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質，檢測兩臺恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運行時間的關系，以考察兩種難燃液壓液對液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺恒壓變量泵實測流量與累積運行時間的關系曲線及容積效率與累積運行時間的關系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當以水-甘油型難燃液為液壓介質時，在累積運行500 h時間范圍內，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動外，但總的變化狀態平穩，無明顯下降趨勢。當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運行時間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢。這是由于液壓泵內主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對摩擦副，隨著運行時間的增加，該三對摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢，從而導致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質時，兩臺被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運行500 h時間范圍內，兩臺恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內。

3 結論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發率越高。在試驗條件下，不同含水量液壓液的蒸發率隨時間的變化趨勢相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠遠優于聚乙二醇，低溫時無結晶現象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發特性略有不同。

（3）長液壓管道壓力損失試驗結果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質，管道內液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實際流體伯努利方程關系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗結果表明：在500 h范圍內，采用水-甘油型液壓液為液壓介質，泵流量、效率與累積運行時間變化狀態平穩，無明顯下降趨勢；當以水-乙二醇型難燃液為液壓介質時，隨著累積運行時間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

參考文獻：

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[6] 茆濤松，丁元.周紀薌，等.回歸分析及其試驗設計[M].上海：華東師范大學出版社，1986.