纯水压传动技术在船舶上的应用初探

摘 要：纯水压传动技术是直接以纯水为液压传动介质的技术。纯水介质较之传统的液压油介质，具有环保、价廉、安全等显著优点。本文主要阐述了纯水压传动技术在船舶机械上应用的优点及关键问题。并对该技术取代传动液压油在船舶上的应用和推广进行了分析。纯水压传动技术在船舶机械上具有广阔的应用前景。

关键词：纯水压传动 船舶液压 液压元件

中图分类号：TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0078-02

18世纪末英国Joseph Bramah根据帕斯卡提出的静压传递原理制成了世界上第一台水压机，它是最早出现的具有真正意义的液压传动技术，当时所采用的工作介质就是天然淡水，可以说是水压传动技术发展的开端。纯水压传动技术是直接以纯水（天然淡水或海水，不添加添加剂）为液压传动介质，纯水介质不同于传统的液压油介质，它具有环保、价廉、安全等显著优点。利用纯水来取代液压油不仅能够缓解未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够避免因液压油泄漏和排放带来的环境污染问题，纯水是一种非常理想的工作介质。早在近年来，随着绿色设计的兴起和对环境保护与日俱增的关注导致人们重新对现代水压传动产生了浓厚的兴趣。特别是纯水固有的安全性和清洁性使得人们不用为废油处理、清洗、燃烧和工人的安全而担心，同时，纯水液压传动的性能特征已经在世界工业领域起着日益扩大的作用，它已经成为液压领域新的重要发展方向之一。

目前液压油在船舶机械上得以广泛应用，但其本身对环境具有一定污染性。随着科技及经济发展，人们对环境的保护，尤其是对海洋环境的保护提出了更高的要求，这集中体现在IMO（国际海事组织）对其成员国在海洋环境保护的要求和MARPOL公约上。这也就要求远洋船舶对船舶机械中使用的各类油，要严格控制，决不允许将各类油直接入海，这无疑给纯水压传动技术的发展带来了难得的机遇。纯水压传动技术具有众多的优点，当然要把纯水压传动应用到船舶机械上也面对很多挑战，但纯水压传动技术的应用是大势所趋，现在欧美的一些发达国家都在积极地研究和设计纯水压元件和纯水压系统，我们国家也在积极地研究纯水压传动技术。

1 纯水压传动技术在船舶机械上应用所具有的优点

纯水压传动技术具有以下优点。

1.1 纯水压系统对环境友好

纯水压传动可以利用纯水作为传动介质，很好的克服了液压油对环境造成的污染。由于液压油的管路和密封性等问题，船舶液压甲板机械时常发生液压油泄漏的现象。1t液压油可使1000000 t纯水受到污染，且污染后需要很长的时间才能消除影响；泄漏的油压液可威胁周围环境的动植物生命，甚至致其死亡；泄漏的液压油会使工作场所地面打滑，增加了工作环境中的危险性；泄漏的液压油造成空气中充满了异味，恶化了工作环境。纯水液压系统不仅能够满足世界上各国环保法规和标准的要求，而且纯水液压系统的泄漏不会对环境造成污染，不需要对纯水进行回收和处理，降低了维护费用，使操作和维护变得更加简单和方便，非常适用于船舶的甲板机械上。

1.2 纯水压系统的介质价格低廉，来源广泛

纯水的价格相对于液压油而言，十分便宜，仅为液压油的几千分之一。由于现代人们环保意识的增强，液压油的废液处理越来越受到重视。液压油的废液处理代价特别大，通常处理费用与购买成本接近。而使用纯水作为液压介质就可大大节约成本，特别是对具有大型液压系统的船舶而言，可节省大量的液压油，经济效益可观。另外，不像液压油那样，纯水的取得不需要考虑冶炼提纯、运输仓储、废液处理等问题；地球上的纯水资源不但丰富而且方便取用，尤其是当船舶在大海中航行时，更容易获得纯水。

1.3 纯水压系统安全性高

在船舶上对机械设备和工作介质的安全性要求高，传统的液压油可燃可爆，安全性能差，而纯水介质可以抗燃抗暴，特别适合在高温环境及有防爆要求的工作环境下使用，使用纯水介质可以使船舶机械的操作和管理更安全。

1.4 纯水压系统效率高

纯水的粘度远低于液压油，这可以大大降低纯水在管路中运行时的阻力损失。同时纯水的弹性模量大，压缩损失小。此外，纯水的压缩系数和热膨胀系数分别仅为液压油的25%和50%，而比热和导热系数分别为液压油的2倍和4～5倍，所以系统的刚度大、温升低，能提高系统动态性能。以上因素决定了纯水压系统传递效率高。

1.5 纯水压系统结构简单

在船舶上使用纯水压液压系统中可以不必设计回水管和水箱，减少系统液压管路的长度；使用纯水压液压系统不必再对系统中的介质进行冷却，减少冷却器及其管路，这些都大大简化了系统结构，使系统操作和管理更方便。

2 纯水压传动技术在船舶机械上应用需要面对的挑战

尽管纯水压传动系统具有上述的优点，要把纯水压传动技术应用到船舶机械上还有很多的挑战。由于纯水介质所具有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，使得纯水液压传动系统在使用中存在以下问题。

2.1 纯水压系统润滑效果差，易磨损

同等温度下，纯水的粘度水的黏度大约只有矿物油的1/40～1/50，故在相同压力下，通过相同密封缝隙的泄漏流量将是矿物油的30～120倍以上，这无疑大大降低纯水压系统的容积效率。同时由于纯水的粘度低，润滑性就变得很差，在运动摩擦表面难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易造成干摩擦。纯水压系统中，动压轴承的润滑膜厚度只有油介质的1/50，静压轴承的润滑膜厚度则小于1/3，滚动轴承中根本就很难形成弹性流体润滑膜。这些都使纯水压系统中的部件磨损加剧，容积效率降低，液压泵寿命缩短。

2.2 纯水压元件及纯水压系统成本高

纯水压元件对材料的耐磨和防锈性能要求高，与液压油元件相比，纯水压元件的制造成本高。由于纯水的粘度小，势必增加液压泵的泄漏，使其容积效率下降。要提高纯水压系统的容积效率，必须减小摩擦副间的配合间隙，这也就意味着会增加纯水压元件加工和制造成本。

2.3 纯水压元件及纯水压系统易腐蚀

纯水的导电性比液压油高许多倍，纯水比液压油有更强的腐蚀能力，能引起大多数金属材料的电化学腐蚀以及大多数高分子材料的化学老化，对液压元件的材料破坏。即使应用陶瓷材料作为金属零件的表面涂层，也有可能引起涂层或粘结层中特定相的选择性析出及基体界面的缝隙腐蚀。因此，纯水压元件的材料必须能够与水相容，并且要具有优良的抗水腐蚀性能，这样的材料是很难获得的。

2.4 纯水压元件及纯水压系统易气蚀

纯水的汽化压力比液压油的高，随着温度的升高，纯水的汽化能力升高的更快。这就特别容易诱发纯水的汽化，导致气蚀，剥蚀零件表面材料。气蚀还会使系统的流量发生变化，容积效率降低，产生压力波动、振动和噪声。在纯水压系统中，容易发生气蚀的部分位于液压泵配流盘吸、排槽的交界处，泵的吸入口和节流阀阀口。

2.5 纯水压系统运行温度范围小

纯水在0℃时会结冰，影响其在低温环境下的使用；纯水在温度高时会汽化，影响其在高温环境下的使用。一般纯水液压系统运行温度范围是3℃～50℃，比液压油的-20℃～90℃要小得多，这就限制了纯水压系统在船舶机械上的使用。

2.6 纯水压元件性能差

与液压油介质相比，纯水存在着粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高缺点，现有的油压元件不能直接或改进后采用纯水作为工作介质。同时纯水工作介质会给纯水压系统带来气蚀、腐蚀、磨损等问题，这对纯水压元件的性能要求非常高，造成了纯水压元件不可能像油压元件那样，可以方便的实现调节与控制。例如纯水压轴向柱塞泵难以向油压柱塞泵那样实现变量控制，纯水压系统中的阀件不能像油压系统中的那样控制灵活。

3 结论

现代水压传动技术经过近20年的发展，阻碍水压传动技术发展的一些关键基础技术问题，如腐蚀、气蚀、泄漏、摩擦磨损、水击、水质污染、绝缘等已经得到有效解决，水压传动技术由最初以海水为工作介质应用于海洋水下作业机器人发展到目前以自来水为工作介质应用于焊接机器人、水力加工、食品、锻压、垃圾装运、清扫、水压举升、核动力、轧钢、冶金、矿业等装备上，水压传动技术得到了迅速发展和推广。

可以推测，在未来的几十年，甚至上百年里，随着石油资源的不断减少，矿物油的价格会急剧上升，在加上人们对环境保护和生态保护意识的增强，各国的环保法规将会更加严格。这些都将使矿物油的应用越来越受到限制，而水作为一种绿色工作介质所具有的优势，是其他任何液体都无法取代的。

目前，应用水基液的水压传动技术已经是一门比较成熟的技术，广泛应用于采矿，冶金等行业。应用纯水的液压传动技术也取得了重大进展，世界市场上纯水液压元件的压力等级主要有五种。由于纯水液压传动技术与海洋环境相容、无环境污染、安全、高效、操作简单、性能稳定，在船舶机械上，它必将具有极其广阔的应用前景。

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