（机械电子工程专业论文）纯水轴向柱塞泵的研究.pdf

摘要 f 纯水液压技术是以自来水来代替矿物油作为液压系统传动介质的一门新技术具有不燃 烧、无污染、系统的压缩损失小、响应快、系统温升低、系统的沿程损失和局部损失小、系 统维修方便和维护成本低等优点。它是当前液压技术的重要发展方向之一。有着广阔的应用 前景。纯水液压泵是纯水液压系统的心脏，是纯水液压系统能否正常运行的保障，本文的主 要任务就是对纯水液压泵进行设计、分析及制造 由于自来水具有腐蚀性、粘度低、润滑性能差等特点，因此要求设计的纯水液压泵具有 良好的密封性能、优异的耐磨损能力、良好的耐腐蚀能力和良好的抗气蚀能力所以只有对 纯水液压泵所选用工程材料的耐腐蚀性及耐磨损性能进行比较深入的研究和了解的基础上，岁 同时对纯水液压泵结构进行改进设计，才有可能研制出高性能的纯水液压泵。因此，r 本文的 主要内容如下： 全面综述了纯水液压技术的优点和面临的技术难点，总结了国内外纯水液压技术的研究 和应用现状，确定本文的主要任务。 全面分析了金属材料在纯水介质中的点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀和疲劳腐蚀的腐蚀机理， 提出了防腐的对策。钟总结了各种材料在水中的腐蚀性能，选择出在纯水介质中具有良好耐 腐蚀性能的材料。对马氏体不锈钢、铁素体不锈钢以及它们的渗氮试件进行了盐雾实验，结 果表明马氏体不锈钢耐腐蚀性能较差，不适合作为纯水液压泵材料。q 一 由于磨损是引起纯水液压泵失效的主要原因之一，因此本尊详细讨论了粘着磨损、磨粒 磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损的磨损机理。并且在水润滑条件下。对金属- 塑料以及金属一陶瓷 进行环块摩擦实验，结果显示金属和塑料配对，摩擦磨损性能较佳本文还对滑动轴承进行 p v 实验，选择出适合在纯水液压泵中使用的滑动轴承材料。接着在全面总结国内外各种摩擦 副配对材料及其在纯水介质下摩擦磨损性能的基础上，初步选择纯水轴向柱塞泵的适用材料。 本文还分别对柱塞、滑靴、配流盘以及滑动轴承的结构进行了详细的遮计分折。f 对柱塞 和滑靴采用新型结构设计，以提高其耐磨损性能。对配流盘采用动态受力和力矩分析设计， 以减少压紧力，并对配流盘的进行了减噪设计。对不同结构滑动轴承进行p v 值实验，结果 显示具有储水结构的滑动轴承性能较优，可以应用在纯水轴向柱塞泵中，一。一 在缍壅麴自挂塞泵的设计过程中，采用窆塑垡望彗可以大大简化设计工作，本斯发了 一套纯水液压柱塞泵关键摩擦副的参数化设计软件，提高了设计效率。，在零件加工过程中， 图纸需要反复修改，作者采用了三维c a d 软件对纯水轴向柱塞泵进行了特征造型设计，由 于三维c a d 软件具有尺寸驱动，数据相关等优点，方便了修改并提高了设计的质量。 对整个课题和论文工作的进行总结和展望。并建议对先进工程陶瓷和工程塑料的摩擦磨 损性能进行全面广泛的研究，对纯水轴向柱塞泵应用兰维c a d 进行完整的开发在液压泵 的研制成功后，还必须加快对纯水液压阀的研究开发，并尽快应用到和相关的领域中。 随着新材料和新工艺技术的发展，环境友好的纯水液压传动技术将有着广阔的前景。 一、 塑望查堂堡主兰堡垒壅! 丝查塑塑壁塞茎堕塑茎 a b s t r a c t w a t e rh y d r a u l i c si san e wt e c h n o l o g yo fu s i n gt a pw a t e r a sw o r k i n gm e d i u mi n h y d r a u l i cs y s t e m si n s t e a do fm i n e r a lo i l i n r e c e n ty e a r s ，w a t e rh y d r a u l i cs y s t e m s h a v eb e c o m eo fm a j o ri n t e r e s tb e c a u s eo f h u m a nf r i e n d l ya n de n v i r o n m e n t a l l ys a f e t y a s d e c t s t h e r eh a v em a n ya d v a n t a g e so ft h ep o l l u t i o n f r e e ，l o wf i r er i s k ，l o wc o s t s a n dh i g hp o w e rd e n s i t y , e t c i ti so n eo fv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a si nm o d e m f l u i d p o w e r f i e l dw i t hv a s tp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o n w a t e rh y d r a u l i c sa x i a lp i s t o np u m p a r e t h eb a s i cc o n s t r u c t i o n a lp a r t so fw a t e rh y d r a u l i c ss y s t e m s d u et o t h en a t u r eo f c o r r o s i o n ，l o wv i s c o s i t y ，p o o rl u b f i c i t y o fw a t e r ，i ti s n e c e s s a r yt o u s et h en e w m a t e r i a l sa n do p t i m u ms t r u c t u r et oo v e r c o m el e a k a g ea n dl o wl u b r i c a t i o na b i l i t y i n h e r e n ti nt h ew a t e r t h e r e f o r e ，t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： t h eb e n e f i t so fw a t e rh y d r a u l i c sa r ei n t r o d u c e d a n dt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s i nd e v e l o p i n gw a t e r h y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m p a r el i s t e d t h e nt h en e w e s td o m e s t i c a n do v e r s e a s g e n e r a lr e s e a r c h i n g a n d a p p l y i n g s i t u a t i o no fw a t e rh y d r a u l i c sa r e d i s c u s s e d t h ec o r r o s i o nb e h a v i o ra n dr e s i s t a n c eo fd i f i e r e n te n g i n e e r i n gm a t e r i a l sa r e s u m m a r i z e d c o m m o nm a t e r i a l sc a nb eu s e di nw a t e rh y d r a u l i cp u m pa r es t a i n l e s s s t e e l ，c o p p e ra l l o y s ，a n o d i z e da l u m i n u m ，p o l y m e ra n dc e r a m i c s t h ea n t i - c o r r o s i o n b e h a v i o r so fm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，n i t r i d i n go fm a r t e n s i f i c a n df e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e la r ei n v e s t i g a t e dw i t hs a l ts p r a yt e s t ，n l er e s u l t ss h o wt h a t n i t r i d i n g o fm a r t e n s i t i ca n df e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e lh a v et h eb e s ta n t i c o r r o s i o n p e r f o y m a n c e m a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e li sn o ts u i t a b l et ob eu s e d i np u m p t h em e c h a n i s m so fw e a l a r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h ee x t e m a lr e l a t i v et e s t r e s u l t sa r es u m m a r i z e d 1 1 1 ea n t i w e a rb e h a v i o r o fs t a i n l e s s s t e e l p o l y m e r , a n d c e r a m i c sa r ei n v e s t i g a t e dw i t hf r i c t i o n a lw e a rt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep o l y m e r h a sal o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dl o ww e a rw h i l es l i d i n go ns t a i n l e s ss t e e lw i t ha w a t e rf i l m ，l l i l ec e r a m i c sh a sa v e r yh i g hf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d a h e a v ya b r a d e i no r d e rt oo v e r c o m el e a k a g ea n dw e a r , t h es t r u c t u r eo f p i s t o n ，s l i p p e r , p o r tp l a t e a n d s l i d i n gb e a ra r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d b a s e do nt h ep l a t f o r i i lo fa u t o c a d2 0 0 0 ，w i t ht h et e c h n o l o g yo f p a r a m e t e r i z e d d e s i g n ，t h ep a r a m e t e r i z e dc a ds y s t e mf o rt h ek e yc o m p o n e n to fw a t e rh y d r a u l i c p u m ph a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h es o f t w a r es i m p l i f i e dt h ed e s i g nw o r ko f w a t e rh y d r a u l i cp u m p t h et h r e ed i m e n s i o n a lw a t e r h y d r a u l i cp a r t sc r e a t e da r eb a s e d o nf e a t u r e ，a n d p a r a m e t r i c t h e m e c h a n i c a l d e s i g n ，f u n c t i o n a l s i m u l a t i o n p r o d u c t i o n ，a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r ec a p a b l eo fc o m m u n i c a t i n ga c c u r a t e ， u d t o - d a t ep r o d u c ti n f o r m a t i o nt h r o u g ho p e na r c h i t e c t u r e t h r e ed i m e n s i o n sc a d s o f t w a r em a k e st h e d e s i g n i n g o fw a t e r h y d r a u l i cc o m p o n e n te a s y c o n c l u s i o na n d p r o s p e c to f t h ew h o l e p r o j e c ta n d t h i sd i s s e r t a t i o ni sp o i n t e do u t d u et oi t sn o n - p o l l u t i o na n dt h e1 a t e n tr e q u i r e m e n t so fm a r k e t w a t e r h y d r a u l i c sw i l l h a v ea p r o s p e c t i v ef u t u r e i i 浙江大学硕士学位论文：纯水轴向柱塞泵的研究 论文使用符号含义 一液压泵的排出压力 一柱塞直径 一柱塞和滑靴的质量之和 柱塞分度圆半径 一电机的转动角速度 一斜盘倾角 一柱塞从上死点转过的角度 一柱塞和缸体间的摩擦系数 一柱塞球窝到柱塞端部的距离 一柱塞在缸体中的名义长度 一柱塞在缸体中的实际长度 一柱塞和缸体的间隙 一柱塞的偏心率 一纯水介质的粘度 一柱塞和缸体的相对滑动速度 一纯水介质的体积弹性模量 一滑靴底部压力 一滑靴底部密封带内径 一滑靴底部密封带外径 一滑靴进口阻尼长度 一滑靴进口阻尼直径 一滑靴和止推板的间隙 一柱塞的个数 一滑靴绕泵轴转动的平均圆周线速度 一电机的转速 一高压区柱塞数 一以y 轴正向为起点，沿旋转方向夹角最小柱塞的相位角 一配流盘外密封带外径 i i i 见 d m r o p 厂 l 厶 ，矗 嗔 v 展 p k 。 民 ， 厅z u n m 鸭 髓 塑坚查兰堡圭堂壁垒塞：丝查塑旦壁墨茎塑里墨 r ，一配流盘腰形槽外径 r ： 一配流盘腰形槽内径 r 一配流盘内密封带内径 爿一柱塞面积 6 。一滑靴和斜盘间隙 占：一配流盘和缸体的间隙 b一任意截面槽宽 b ，一上死点三角槽最大槽宽 c一孔口流量系数 一阻尼三角槽过流面积 口一纯水介质的密度 风一纯水柱塞泵吸水腔的压力 一滑动轴承任意点水膜厚度 u一轴和轴承滑动面之间相对速度 g一积分常数 c一轴承半径间隙 轴承的偏心率 月轴承半径 上轴承长度 塑垩查堂堡主堂堡垒窭! 丝查塑塑壁窒鍪箜里塑 一 一 第一章绪论 1 1 纯水液压传动的发展概述 在液压传动技术的发展进程中，水作为动力传递、交换和控制的媒介曾起着非常重要的 作用。在十七世纪末及随后的一百多年里，液压传动的介质一直是水。在二十世纪初期，石 油工业的兴起和耐油合成橡胶的出现促进了油压传动的发展，矿物型液压油也以良好的综合 理化性能取代了水而成为了最主要的工作介质，液压元件和系统的性能也因此得以大大提 高，从而极大地推动了液压传动技术的进步。 但是使用矿物型液压油作为液压传动介质存在着严重的环境污染和易燃烧问题，而且最 近二十年来，在经济可持续发展和环境保护的要求下，使得纯水液压技术得到了强力复苏， 而新型材料的发展、精密加工技术的进步和新结构的液压元件研制成功，基本克服了初始水 压传动存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点，使纯水液压传动技术重新得到 了应用并取得了长足的进步，而且己开始广泛进入食品、造纸、纺织、医疗器械、消防、冶 金、采矿、原子能动力厂、海洋开发等工业应用领域。 对环境保护、安全主题与日俱增的关注，使得适用、可靠、干净、安全和低成本的纯水 液压传动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。b a c k e 教授预计纯水液压传动在今后将占整个世界液压行业的l o l lj 。丹麦工业大学认 为纯水液压和油压传动今后将象如图1 1 的趋势发展，水压传动将会得到持续的发展。 寐 翊 噗 越 重喜 矗 吾 2 图11 ：与油压传动的发展趋势比较2 i 1 2 纯水液压传动的研究内容r “朝 1 2 1 纯水液压传动的优点 2 金 曲 写 售 量 晷豢荟量年 应用纯水作为液压传动系统的工作介质，有下列显著的优点： 1 ) 购买和使用成本低来源广泛，无需运输仓储 水的价格仅为液压油的五千分之一，而且随地可取，特别是大型及特大型的液压系统 叽0jq 暑星ii o=口， 塑婆盔兰堡主堂垡堡奎! 丝查塑塑壁墨茎塑婴茎 可以：肯省大量的矿物油，技术经济性、性能价格比和社会效应都很可观。 2 ) 环境友好 纯水液压传动技术可用于对污染有严格要求的场合，如食品加工业，造纸业等。而且泄 露的纯水无需回收，因此，可降低维护费用。而泄露的矿物型液压油极易污染环境，i 升矿 物油可使1 百万升水受到污染，所以必须将其集中起来加以处理，增加了使用费用， 而目 前我国出台了“谁污染谁治理”、“谁污染谁付费”的环境保护政策，并将要求厂家交纳环境 税，使用纯水则没有这方面的额外支出。 3 ) 纯水的阻燃性、安全性好 由于矿物型液压油易燃、易爆、安全性差，采用纯水作介质能消除火灾危险，使工人不 用再呼吸有害的油蒸汽，也不用担心皮肤和眼睛受到液压油的伤害，有利于保障生命安全和 避免财产损失。同时能应用于冶金、采煤等部门，大大拓广了液压系统的应用领域。 4 ) 可避免或减少产品污染 产品污染是许多生产行业格外关注的事情。泄漏的油液和水基液会使纺织制品、木质 胶合板受到玷污，也会使纸张变色、药品变质和食品变味。污染还会使某些产品根本不能出 售，只好销毁。但如果纯水渗进产品中，害处要相对小得多或者没有害处。 5 ) 纯水的压缩系数小 系统的刚度大，压缩损失比矿物型液压油降低2 5 左右，可补偿部分由于泄漏增加 而造成的容积损失。 6 ) 温度变化小 由于纯水系统粘性损失及压缩损失而产生的热量要少。同时，由于水的比热及传导系 数要比矿物型液压油大，在相同工作条件下，一般液体温度要比油压系统低1 0 c 左右。因 此，中小型纯水液压系统可不用冷却装置。 另外，纯水具有易维护保养的特点，使用纯水的液压系统维修方便，易清洗，维护成本 低。而且纯水的粘度低，系统的能量损失小，所以传递效率较矿物油系统要高。 1 2 2 纯水液压传动所面临的技术挑战及对策 纯水所具有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，也给纯水液压传动技 术的研究和应用带来了困难，主要存在如下关键问题： 1 ) 密封与润滑问题 纯水的粘度为o 5 5 一i m m 2 s ，大约只有矿物型液压油的1 4 0 1 5 0 ，故若在同等压力下， 通过相同密封缝隙的泄漏流量将是油介质的3 0 倍以上，这将大大降低系统的容积效率。由 于泄漏增加，密封间隙中的高速液流将对所经过的表面材料产生强烈的冲刷作用，使泄漏进 一步加剧。为了提高容积效率，就必须减小密封间隙，而密封间隙减小后，由于润滑性很差， 摩擦副对偶面上难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易产生干摩擦， 又会使磨损加大，从而会导致密封迅速失效。 在纯水液压系统中可用新型密封方法和采用抗蚀能力强的材料来减小泄漏。在设计上 可采用静压支承的方式来实现纯流体润滑，一般采用陶瓷和聚合物等具有抗磨或减磨性能良 好的新型材料，通过减小元件的间隙和磨损来尽量降低元件的内泄。 2 ) 耐磨损问题 由于在纯水中润滑困难，摩擦副的固体表面常处于蛊接接触状态，很快便会受到磨损。 材料的磨损主要表现为四种形式：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。在边界 润滑和混合润滑状态下，粘着磨损和磨粒磨损占主导地位。表面疲劳磨损在滚动接触中明显 可见。纯水的腐蚀作用可在较低的接触应力下去除腐蚀表面，而新鲜表面更容易受到腐蚀， 这两个过程的相互作用就形成了腐蚀磨损。对于绝大多数材料而言，上述四种形式的磨损在 2 浙江大学硕士学位论文：纯水轴向柱塞泵的研究 水中都比在油中大。 采用特殊的陶瓷或聚合物材料、恰当的材料配对、喷涂耐磨材料和新型的密封结构，将 有助于提高摩擦副的耐磨损能力。 3 ) 耐腐蚀问题 纯水的导电性比矿物型液压油高数亿甚至数百亿倍，它能引起绝大多数金属材料的电化 学腐蚀和大多数高分子材料的化学老化，使液压元件的材料受到破坏。在水压系统中，可使 用不锈钢、铝合金和铜合金等材料来提高抗蚀性能，但要注意防止缝隙腐蚀和点蚀。在水中 滴加酸离子或碱离子是一种有效的途径。 4 ) 气蚀问题 当液体的压力低于相应温度下液体的饱和蒸汽压或气体分离压时，液体将会沸腾并产 生大量蒸汽泡，或者液体中溶解的气体从液体中分离出来产生大量的气泡，当这些蒸汽泡和 气泡进入高压区凝结并溃灭时，局部产生的瞬间爆炸压力会造成过流表面材料的破坏，并导 致元件和系统的性能降低，噪声增高，这就是气蚀现象。在常温下，气体的体积溶解度在矿 物油中为5 1 0 ，在水介质中约为2 。虽然水介质中的气体含量比油中的低，但水介质的 饱和蒸汽压比液压油高数千万倍，如在5 0 c 时水的饱和蒸汽压为o 1 2 b a r ，油的饱和蒸汽压 为1 0 1 0 一b a r ，所以水压元件和系统更容易遭受气蚀破坏。 水的饱和蒸汽压随着温度的升高而增加，为了避免和减小气蚀破坏，水压系统的工作温 度一般限制在5 5 0 c 。此外，液压系统的能量损失多半转化为了热能，导致系统的温度升 高，因此必须在系统中正确设计冷却器。此外，增加泵的入口压力，减小阀口的流速，可以 避免或减小泵和阀的气蚀破坏。 5 ) 细菌控制1 1 0 l 1 1 5 l 当水箱与外界环境接触，并维持在正常的工作温度，可能会造成各种细菌的生长和繁殖。 这可能会阻塞过滤器和发出异味。控制细菌的方法主要有以下几种： 绝育杀菌此方法很适用于小型闭式系统中的纯水。只要在系统中进行了绝育杀菌 处理，在质量上可保证细菌再也不会繁殖。 精细过滤同样，这条途径在实际中适用于小型系统，过滤精度不得大于0 5 u m 才 能有效。 添加杀菌荆这是一种传统的处理方法，可杀死水中的细菌。 添加相克的细菌这种方法仅在最近十年左右的时间内才广泛实用。基本上，一种 特定的细菌群体与另一种细菌群体可相互抑制，起到控制细菌生长和繁殖的效果。 紫外线辐射波长在1 0 0 2 0 0 0 a 。范围内强烈紫外线辐射，对杀灭水中的细菌很有 效。通常，此方法用于城市的净化用水。 6 ) 水击现象 在纯水液压系统中，当流体流动突然停止时就会发生水击现象。它可使系统的振动和噪 音增加，性能不稳定。典型的起因是快速关闭液压阀。 通过系统的正确设计和元件的正确选择，可完全消除水击现象。控制开度仔细设计的阀 可提供精确的加速度或减速度。用蓄能器也能降低系统的刚度。 蓄能器的大小依靠系统的工作压力和压力极限。由于很多水压系统都用蓄能器回路，阀 过大可导致系统冲击，所以良好的设计显得尤为重要。 7 ) 温度影响 纯水传动的工作温度一般为5 c 5 0 c ，过低的温度会使纯水结冰冻住。这严重影响了 纯水系统的应用范围。在不污染环境的前提下，可以考虑采用抗冻剂来拓宽纯水液压传动系 统的应用温度范围。 望婆查兰堡圭兰垡堡奎：丝查塑塑壁墨墨箜堕塑一 1 3 国内外研究及应用现状 现代纯水液压传动技术的研究主要集中在介质、材料、元件、控制等方面，如图1 2 所 示。 应用高水基液的水压传动技术在西方工业发达国家己经是一门比较成熟的技术，已经广 泛应用在采矿、冶金等行业。应用纯水的纯水液压传动技术则始于本世纪八十年代初，现有 美国、英国、日本、芬兰、丹麦和德国等国家一直在投入巨大的人力、物力和财力进行研究 和开发，已经取得了重大进展。目前，我国的纯水液压技术研究也已经起步，浙江大学和华 中理工大学已经开展了这项技术的研究工作。 图12 ：水压传动的研究内容 1 3 1 国外基础应用及液压元件研究现状 纯水液压传动的应用基础研究主要包括：介质研究、在纯水中的腐蚀、磨损、气蚀、润 滑等机理研究、新材料新工艺研究。 1 ) 介质研究i l 1 ”1 主要包括细菌控制、硬度和酸碱度控制、去除污染物、提高润滑性等。细菌控制有前面 提到的几种具体方法。为了防止生成水垢，水的p h 值一般控制在6 7 范围内，硬度控制在 5 1 0 。范围内。通过提高过滤精度来去除水中的杂质和颗粒，但过滤器的滤芯不能采用纸质 和有机物材料。由于水本身的润滑性差，可以在不牺牲水的环境相容性前提下，考虑添加少 量的聚合物来改善水的润滑性。 2 ) 新材料应用研究 b b h u s h a n 和s g r a y 的研究表明：海水润滑的摩擦副通常工作在干摩擦状态，有时也 处于混合润滑或边界润滑状态，很难实现液体润滑。通过对数十种金属、陶瓷和塑料相互间 配对方案的磨损实验，认为塑料与金属的对偶材料在连续滑动摩擦时，磨损和摩擦系数要低 于其他类型的配对方案，其中t o r l o n4 3 0 1 或4 2 7 5 配i n c o6 2 5 合金的效果最佳，特别适合做 纯水液压泵的连续滑动摩擦副材料；而陶瓷与陶瓷配对时，则很适宜往复滑动的摩擦情况， 其中a 1 2 0 3 与w c 、a 1 2 0 3 与a 1 2 0 3 t i 0 2 比较理想。 4 浙江大学硕士学位论文：纯水轴向柱塞泵的研究 一 吉滩裕也指出：海水润滑条件下，塑料与陶瓷或金属配对时，摩擦系数最小( 低于0 0 3 0 ) t 承受的p v 值虽大可达4 0 0 m p a m s ，且磨损速率低，而陶瓷与金属之间或自身配对时，摩 擦系数较大，所能承受的p v 值小，特别是陶瓷与陶瓷配合在重载、高速时，表面易诱生裂 纹而导致疲劳破坏。 但c a b r o o k e s 则认为由于质轻、硬度高、强度大、耐磨性强、化学稳定性好，陶瓷 与陶瓷的配对非常适合作为纯水液压元件的摩擦副，例如英国f e n n e r 海水液压泵的配流盘、 浮动盘、缸体和柱塞均由陶瓷做成，在输出压力为1 4 m p a ，转速为1 5 0 0 r e v m i n ，过滤精度 仅为1 2 0 u r n 时，其工作性能良好。 采用正确的材料对纯水液压传动是非常重要的，也是最基础的。所选用的材料必须不生 锈，能抗腐蚀、耐磨损、耐气蚀破坏和耐流体的高速冲蚀。由上述研究成果可知采用不锈钢、 青铜、或者特殊处理的铝合金等材料可避免腐蚀，也可采用陶瓷、塑料和其他合成材料来消 除腐蚀破坏。考虑到润滑性，由于工程陶瓷具有很高的强度和优异的抗磨性能，塑料具有很 低的摩擦系数和良好的减磨性能，这两种材料也能组成具有良好性能的摩擦副，所以可用它 们作为纯水液压泵和马达的摩擦副材料。 3 ) 元件的研究 纯水液压元件的研究已经达到了一定的水平，其总体性能已基本与油压元件的性能相 近，但价格昂贵，品种少。目前世界市场上已有少量的系列纯水液压元件供应，压力主要有 1 0 m p a 、1 4m p a 、2 1m p a 、3 2m p a 、4 0m p a 等五种等级。具体泵、马达的参数性能见表1 1 所示。 美国1 9 6 7 年，v i c k e r s 公司的j p r y a n 发表了第一篇有关高压海水泵工程材料研 究的报告，这是有关纯水传动技术的最早一篇文献。6 0 年代末，美国海军司令部( n s s c ) 、 海军舰船研究中心( n s r d c ) 及海军土木工程实验室( n c e l ) 等单位为研制适用于海洋的水下 作业工具，开始共同进行海水液压传动的研究。于1 9 8 0 年研制成功7 m p a 的单向叶片马达： 并于1 9 8 4 年研制出1 4 m p a 的首套海水液压传动水下作业工具系统：1 9 9 1 年又研制出冲击 钻、带锯、放置式盘形工具等，组成多功能水下作业工具系统，交付海军使用。 英国 1 9 7 8 年，英国皇家海军委托英国国家实验室( n e e ) 开发海水液压驱动的水下 作业工具，其后s h e l l 公司与e s s o 石油公司又委托n e l 继续进行这项研究。1 9 8 8 年英国研 制成功1 4 m p a 的海水柱塞泵及1 0 m p a 的海水柱塞马达；9 0 年代，h u l l 大学改进水压柱塞 泵，将其应用于海底油井的液压控制系统中。 日本日本川崎工业技术研究所于1 9 8 1 年开始研制超高压海水液压泵，并于1 9 8 3 年研制成功6 3 m p a 的泵；又于1 9 8 7 年压制成功6 8 5 m p a 的超高压海水柱塞泵，此外，多家 企业和研究单位如萱场工业株式会社、小松制作所等，已从事该项研究，并取得了一定的成 果。其中小松水压轴向柱塞泵如图1 3 所示，它的滑动轴承为陶瓷材料，采用径向动压润滑： 轴的表面用碳纤维增强塑料；滑靴采用静压支撑以减小磨损，其他摩擦副为碳纤维增强塑料 与陶瓷或金属配对，其工作压力为2 1 m p a ，流量为3 0 l m i n ，效率为9 2 。 丹麦d a n f o s s 公司与丹麦理工大学( d t u ) 合作，于1 9 9 4 年成功研制出n e s s i e 系列 轴向柱塞泵。见图14 所示。它的轴承和滑靴都采用静压支撑，所有摩擦副配对材料均为增 强塑料和不锈钢。 芬兰t a m p e r e 理工大学( t u t ) 液压及自动化研究所( i h a ) 与h y t a ro y 公司合作， 开发了轴向柱塞海水泵和马达，他们研制的纯水液压系统压力甚至可到8 0m p a ；流量的规 格可从儿升到几百升甚至数千升。其中轴向柱塞泵的结构简图如1 5 所示。其缸体和配流盘 均为陶瓷结构。 德国h a u h i n c o 公司于1 9 9 5 年研制成功2 1 m p a 的淡水柱塞泵，以及陶瓷阀芯的 水压滑阀。 浙江大学硕士学位论文：纯水轴向柱塞泵的研究 表1 1 ：纯水液压泵及马达的市场供应状况 压力流量容积效率工作寿命 形式重量( 附 r m p a )( l m i n )( )( h r s ) 3 22 4 0 h a u h i n c o ( 德国) 三柱塞 往复泵 7 03 0 0 0 0 8 07 0 0 w a l t e r v o s s ( 德国)螺杆马达 2 12 0 2 0 0 n m 柱塞泵 】41 1 3 09 23 7 2 0 6 d a n f o s s ( 丹麦1 柱塞马达 1 4 2 7 5 ，3 3 ，4 d e l a w a r e ( 美国) 柱塞泵 6 32 0 9 2 - 9 53 0 0 0 柱塞泵 h y t a ro i l ( 芬兰) 2 13 0 ，4 2 柱塞马达 萤场( 日本) 柱塞泵2 11 08 5 川崎( 日) 本 柱塞泵6 8 552 0 05 1 5 图1 3 ：小松水压轴向柱塞泵结构简图 图1 4 ：d a n f o s s 纯水液压柱塞泵 6 塑垩查兰堡主堂垡笙奎! 丝查塾塑壁窒壅堕里窒一 图1 5 ：h y t a r 轴向柱塞泵的结构简图 1 3 2 国外系统应用状况 鉴于研究生产所取得的进展，目前纯水液压传动己经进入了实际应用的第一阶段，并且 在工程机械上也成功的进行了应用尝试。纯水液压传动的应用比重和趋势如图1 6 所示。 不同阶段的主要应用领域如下： 纯水液压传动的第一阶段应用领域主要包括几个小的特殊应用领域： 喷雾、消防灭火、货物的装卸； 原子反应堆的冷却： 船舶、飞机的高压清洗； 食品加工行业。 纯水液压传动应用的第二阶段主要是食品加工行业，例如面包机、搅拌发酵机、肉联加 ：r 厂的切割系统。 在第三阶段，纯水液压传动的应用领域将扩展到工程机械占主要份额，同时通用机械上 也将采用纯水液压传动。 纯水液压技术由于它的诸多优点，特别是无污染性，引起了广泛的关注，所以很快走向 了实际的应用领域，应用于食品工业、制药工业、造纸工业、颜料工业、家具工业、冲压成 7 塑垩查堂堡主堂垡堡壅! 丝查塑塑壁窒茎箜婴壅一 型机械、焊接机器人等行业，甚至开拓了一些新的应用领域，如消防器材、水处理工业等。 1 ) 消防应用 应用在消防器材上的纯水液压系统由泵、蓄能器、喷嘴、不锈钢管道等组成，系统图见 图1 7 所示。灭火器工作时，纯水液压泵产生大约8 0 - - 1 0 0 m p a 的高压流体，当流经特殊喷 嘴时，流体被迅速雾化成小于1 0 0 1 u n 的水滴，体积膨胀了1 7 0 0 倍左右，这样可以彻底摊出 火区上空的空气，并使火区的温度下降。它的用水量只有普通喷水灭火系统的一部分，效率 相当高。消防器材实物和灭火情况分别见图i 8 和图i 9 所示 图1 7 ：消防器材上的纯水液压系统 图i 8 ：消防器材实物图 图1 9 ：灭火现场图 2 ) 食品加工行业 目前看来，纯水液压技术在食品工业的应用最为广泛。在1 9 5 0 1 9 8 0 年之间，液压技 术却失去了食品工业的很多的市场，因为食品工业有严格的卫生标准，而油压系统的泄漏从 根本上不可避免，因而被气动系统和电机系统所取代。但由这两者组成的系统经济性差，且 各自还存在一些缺点。 纯水液压技术的出现，则改变了这一状况。因它无污染，满足了食品工业严格的卫生要 求，且经济性较好，能很方便地实现旋转和直线运动，在很大程度上消除目前食品工业所存 在的问题。和电机系统相比，纯水液压系统适合于在潮湿的环境下工作，即使用水冲洗也无 影响：系统产生的热量留在介质中，而对环境温度的影响有限，适合于一些对温度要求苛刻 的食品、电子、精密仪器及制药工业；易于进行无级调速。相对气压系统而言，纯水液压系 统的使用效果好，控制特性好；介质不可压缩性好，易于进行精确的位置控制；同时系统压 力高，结构紧凑，效率也有显著的提高。在奶酪机( c h e e s em a c h i n e ) 、屠宰机( c u t t i n gu n i t s ) 、 汉堡包机( h a m b u r g e rm a c h i n e ) 、牛奶场( d a i r i e s ) 、磨面机( g r a i n m i l l s ) 等机器上均广 泛采用了纯水液压系统。纯水液压传动在屠宰生产线中的应用见图1 1 0 所示。 塑垩查兰堡圭兰堡堡塞! 丝查塑塑壁塞至! 塑堑 图1 1 0 ：纯水液压在屠宰生产线中的应用 3 ) 工程机械 纯水液压不仅仅应用在固定设备中，同样也可以使用在移动机械中。现在纯水液压 系统应用已经在第三阶段即纯水液压系统在工程机械和通用机械中应用进行研究，并在 实际中得到了应用。丹麦丹福氏公司( d a n f o s s ) 和德国德累斯顿( dr e s d e n ) 大学合作， 成功的把纯水液压系统应用在叉车升降机中。图1 1 l 为纯水液压系统在马路清洁车中的 应用。 1 3 3 国内研究应用状况 图1 1 l ：纯水液压系统在移动机械中的应用 华中理工大学在高水基液压传动及其基础理论研究的基础上，于1 9 9 0 年开展了纯水 传动技术研究，并于1 9 9 2 年研制出单柱塞式海水泵原理样机，于1 9 9 6 年研制出轴向柱塞式 海水泵，其工作压力为3 5 m p a ，并研制出海水泵性能试验台。 浙江大学流体行动及控制国家重点实验室十分关注纯水液压技术的发展，并积极投入 资金进行科研，为此已搭建国内第一台纯水液压元件综合性能试验台，该试验系统可测试纯 水泵的性能及寿命以及纯水阀的动态和静态性能。对纯水液压元件所应用的材料进行了腐蚀 和磨损实验，为正确选择材料提供了必要的数据。并且正在加工试制工作压力为1 4 m p a ， 流量为1 0 0 l m i n 的纯水液压轴向柱塞泵。纯水传动技术在消防中的应用正在展开。 9 塑坚奎堂堡主堂垡堡苎! 丝查塑堕壁墨茎堕婴墨一 1 4 课题的选择 1 4 1 选题的意义 现代社会对环境保护、节约能源和安全的要求日益提高，而纯水液压传动本身所具有的 安全、无污染、维护费用低等优点，使其成为当今液压领域的一大热点课题。国外在近几年 左右对纯水液压进行了研究和应用，已经应用的纯水液压系统达到了中压水平，而国内开展 此项研究尚不多。 本课题的研究意义在于： 由于纯水液压技术本身的优点，如无污染、节约能源，符合了当今社会的科技发展 趋势，也有着广阔的应用前景； 液压泵是液压系统的心脏，所以必须首先研制纯水液压泵： 新材料和新工艺在纯水液压泵上的应用，可解决纯水介质给纯水液压泵的磨损、腐 蚀等难题，提高了泵的性能，从而促进了新材料的应用和研究，提高了机械设计工 艺水平： 纯水液压技术是液压传动、机械学、摩擦学、材料学多学科交叉的技术，它的成功 应用，可以为交叉学科的发展提供借鉴： 纯水液压技术的主要技术难点都在纯水液压泵上得到体现，解决这些问题可以给其 他纯水液压元件的设计提供借鉴； 1 4 2 课题的创新之处及难点 课题的创新之处和难点在于： 由于纯水液压技术是近几年来，国际上刚刚兴起的研究，国内从事研究的很少。相 关的信息和资料非常的少，而且处于保密状态，给课题的开展带来了很大的困难； 由于纯水液压泵的设计没有现成的公式或经验可以借鉴，这给纯水液压泵的设计带 来了困难； 传统的液压系统的介质为矿物油，当纯水作为介质时，带来了一系列的难题，如腐 蚀、磨损，易于气蚀等，也给纯水柱塞泵的设计增加了难度； 新材料的应用，有望解决纯水液压泵的腐蚀和磨损问题，但相关的资料较少，材料 的选择还需要根据纯水液压泵的工作情况进行具体的实验加以确定； 新材料的加工工艺有别于一般的普通材料，而液压柱塞泵元件高精度的设计要求， 提高了纯水柱塞泵的加工要求； 10 5 本文主要研究内容 纯水液压泵是纯水液压系统的心脏，它的成功研制将会大大促进纯水液压的发展，也为 其它纯水液压元件的研制提供了重要的参考价值。本文在参考国内外的水介质液压泵研究的 经验基础上，采用材料学，摩擦学等学科的新成果，将之应用到纯水液压泵的设计中，以期 解决纯水液压泵的易腐蚀、易磨损失效和易泄漏等问题。 在作者研制纯水液压柱塞泵之前，本校尚无对纯水液压柱塞泵摩擦副配对材料进行摩擦 磨损和腐蚀实验，对纯水介质也没有进行研究。所以作者做了大量关于纯水介质特性，材料 的腐蚀实验和摩擦副配对材料的磨损实验等基础性工作。在完成纯水液压柱塞泵的结构设计 后，还花了相当大的精力来联系加工，确定工艺，并对纯水液压柱塞泵中的轴承进行了p v 实验和寿命实验，以保证纯水液压柱塞泵的寿命。 本文的具体研究内容如下： 1 0 浙江大学硕士学位论文：纯水轴向柱塞泵的研究 1 调研、分析追踪国内外纯水液压技术的最新进展，为纯水液压泵的设计提供依据。 2 分析纯水液压泵所采用材料的耐腐蚀特性和防护方法，并对所用材料进行盐雾实验 以确定材料的耐腐蚀性能，选择出纯水液压泵适用的材料。 3 分析纯水介质的摩擦和磨损机理以及耐磨损的对镱，对纯水液压柱塞泵摩擦副配对 材料进行摩擦磨损实验，选择出纯水液压柱塞泵摩擦副的适用材料。 4 设计纯水液压轴向柱塞泵。对配流盘进行动态力和力矩平衡分析设计，以及减噪建 模与仿真，分析了减噪效果。还对滑靴副、柱塞副分别进行了动压和静压支撑分析 以确定合适的结构。对选用的滑动轴承在模拟工况下，进行了p v 值实验，以保证 轴承的使用寿命。 5 为了纯水液压柱塞泵的系列化和设计修改的简便，编制了纯水液压柱塞泵关键摩擦 副的参数化设计软件。并对纯水液压柱塞泵进行三维特征造型设计，以方便修改和 提高设计质量。 塑望查堂堡主堂篁笙塞：丝查垫塑壁鲞至塑堑塞 第二章纯水轴向柱塞泵耐腐蚀材料的选择及实验研究 纯水轴向柱塞泵使用自来水作为传动介质，由于泵中的大部分元件采用金属材料制造， 泵在长期工作时，材料易发生电化学腐蚀，从而使泵内部元件遭到腐蚀的破坏。而且纯水轴 向柱塞泵的制造精度较高，元件间隙小，腐蚀产物易在摩擦副间产生三体磨损，或使滑动元 件卡住，从而发生故障。本章对各种金属材料纯水环境下的耐腐蚀性进行分析及实验，以确 定适用于纯水轴向柱塞泵的金属材料，并对高分子材料和陶瓷材料的耐腐蚀性进行了分析。 2 1 纯水的金属电化学腐蚀本质2 旷3 金属电化学腐蚀的实质是通过腐蚀原电池的腐蚀电流作用下，所发生的阳极溶解。腐蚀 原电池的动力是两个电极反应平衡电位差。腐蚀原电池主要由阳极、阴极、电通路和电解质 溶液这四个部分组成。腐蚀原电池的基本工作过程如下所示： f 1 )阳极过程：电位较负的金属溶解，以离子形式进入溶液，同时当量电子留在金属上。 n e m 一 m ”】+ n e _ ( 2 )电子导体：电子通过电路从阳极迁移到阴极 ( 3 ) 阴极过程：能接受电子的氧化剂吸收来自阳极的电子，发生还原反应。