纯水压传动技术在船船上的应用初探

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The Application of Pure Hydrostatic Drive Technology on Marine MachineryZHAO Chengbao，KAN Ankang。CHEN Mingzhi(Shanghai Maritime Univ.，Merchant Marine Colege Shanghai 201 306 China)Abstract：Pure hydrostatic drive technology is directly based on pure water as the medium.Unlike traditional water medium hydraulicoil medium。pure water has environmentally friendly，cheap，safe and other advantages. This article focuses on the pure hydrostaticdrive technology applications in the ship S mechanical advantage，and when it is applied the challenges have to face.Besides，analyzesthe ship application and popularization on this technology replace the driving hydraulic oil.Pure hydrostatic drive technology on shipmachinery has a broad application prospects。

Key W ords：Pure hydrostatic transmission； Marine hydraulic l Hydraulic componentsl 8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-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 质不同干传统 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-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- 。

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-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 人海 ，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- 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。lt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- 。由于现代人们环保 意识 的增强 ，液压油 的废液处理78 科技资讯 SCIENCE ＆ TECHNOLOGY INFORMATION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 少冷却器及其工 业 技 术2 Q：SCIENCE＆ TECHNOLO(3Y INFORMATION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3O～l20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 1/5O，静压轴承 的润滑膜 厚度 则小于l/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。由干纯水的粘度小 ，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。-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-些关 键基醇术问题，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-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 -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 。