水液压技术在船舶行业的应用和展望

摘要：因水易于获取，价格低廉，对环境无污染，且不燃烧，压缩系数小，故而水代替矿物油作用作为工作介质这一绿色液压技术成为当今国际流体动力领域的前沿热点研究方向之一。文章介绍了液压系统的发展历史以及其趋势。通过对水液压技术的分析，阐明了其在船舶行业应用的前景、难点以及关键技术。最后，本文展望了水液压技术在船舶上的发展趋势。

关键词：水液压技术；船舶行业；优点；难点与关键技术；前景

中图分类号：TH137文献标志码：B

1 引言

水液压技术是使用处理后的淡水或海水代替矿物油作为工作介质的绿色液压技术。因水工作介质无污染、成本低、阻燃性、安全性好，其系统动态特性好、温升小，水液压技术在一些应用场合具有油压技术无法比拟的优势。但水的粘度低、性差、腐蚀性强、饱和蒸汽压高等性质也给水液压系统的研制带来一系列难以解决的关键技术难题，限制了其进一步发展和应用。

现代液压技术是基于帕斯卡原理，根据水压传动技术发展、完善起来的。英国人Jeseph Brama （1749～1814） 研制的水压机是世界上第一台根据帕斯卡原理研制的水压机。19 世纪后半叶，由W. G. Arm strong 研发的利用水为介质的液压机械和元件，开始主要用于船舶起重机和锚机上。在17 世纪末到20世纪初这100多年里， 液压传动的介质一直是水[1]。但是20世纪伴随着石油化工行业的蓬勃发展以及水液压固有的缺点（易泄露，易腐蚀金属元件，液压元件制造和维护成本高等），液压技术逐渐开始往油压发展。到了20 世纪60～70 年代，液压技术快速发展并日益完善，如今进入到稳定成熟的发展时期。然而伴随着时展的要求不断提高，液压油易燃烧和污染环境两大严重问题日益困扰着液压行业的发展，尤其对船舶行业带来很大的冲击。

鉴于现代液压技术中多以矿物油作为介质，其在高温下极易燃烧。且如果液压系统发生泄漏，易造成环境污染。而以水为传动介质的液压传动，因水清洁阻燃，能满足现代社会对环境保护之需求，故而近年来水液压传动技术备受人们青睐。同时，随着新材料技术和高精度加工技术的发展，基本克服水作为传动介质的缺点，推动了水液压传动的研究进展。早在上个世纪七、八十年代，美国日本、芬兰和德国等国家就已经开始投入大量财力、物力以及人才在水液压传动方面，并研制成功了一些水液压传动机械，已经应用于国防与工业生产当中。近年来水液压传动技术取得了快速的发展，2010 年波兰弗洛茨瓦夫工业大学研制了齿轮和外齿圈均采用工程塑料的摆线转子齿轮泵[2]，2011年日本KYB水液压比例阀[3]，法国研发了应用于机械手上的输出压力为21MPa、带宽大于20Hz的水液压伺服阀[4]。我国浙江大学、华中科技大学等高校[5]也正在积极进行关于水液压传动技术方面的研究，响应国家绿色环保、节能、可持续发展的号召，也已经研制出一些海水液压泵以及海水液压控制元件，并对水液压传动技术相关的摩擦学、理论、先进制造等学科进行了深入的研究。总之，相比于矿物型液压油和合成型液压油液压传动，水液压传动具有着非常广阔的发展前景。

2 水液压传动在船舶行业应用的优点

油或水作为工作介质的液压传动对比，如表1、表2所示：

由上述可知，油、水分别作为液压传动工作介质各有着其不同的优缺点，下面来详细介绍一下水液压传动技术在船舶行业应用的优点：

2.1 经济性

地球上，水资源丰富、价格低廉，水来源广泛且无需贮存。目前，水的价格仅仅为液压油的1/5000[6]。对于船舶行业来说，水可以随处可取并能自身生产，更为便捷；对于船舶这类大型液压机械系统，可以节省相当大的成本，所以其经济性非常可观。

2.2 环境友好

产品对环境的污染如今已经成为各行各业关注的焦点。而水液压传动技术有着其得天独厚的优势，水作为一种绿色无污染的资源已经得到了越来越多的应用。船舶作为一种特殊的工作地点，对船舶机械以及船员有着相当大的要求，使用水液压技术可以减轻工作机舱的异味，从而在一定程度上改善船员的工作环境。而且船舶行驶的范围广泛，油液的泄漏会对受污染的水域带来毁灭性的灾难，但是水作为传动介质则会最小程度的降低污染。

2.3 安全性

油压传动技术在船舶制造及运输行业，极易引起火灾，危及船舶及船员生命财产安全和环境。水不会燃烧，安全性好。另外水的比热与导热系数分别为液压油的约二倍和四倍[7]， 故水液压系统的温升较低，一般情况下不需加设热交换器， 不仅简化了船舶系统结构，而且增加了舱容空间；既能提高船舶安全性也能在一定程度上提高其经济性。

2.4 维护简便

使用水的液压系统维修方便，工作杂质容易处理，维护成本低。当在水下工作时， 可以不用回油管和水箱等，大大简化了系统。油泵和油马达比相同功率的发电机及电动机尺寸小、 重量轻、配套安装简单。船舶上的动力机械和各种功能能准确同步，还能够被遥控控制。

3 水液压传动技术在船舶上应用的问题与关键技术

由表2可知，当水作为液压工作的介质时，水存在着粘度低、易腐蚀和气化压力高等特点，所以会对液压传动技术带来一定的限制。水液压传动技术存在以下问题：

1） 限制船舶动力以及其它机械设备的输出功率。由于水的工作温度有限和水易气化的特点，导致研制的液压泵输出的功率太小，所以不适用于大型船舶、特种机械上。如何研制大功率水压系统是现今的一个难点。

2） 水液压的和密封问题。水的粘度低，不易形成膜；不能有效减小运动副之间的摩擦；同时水的腐蚀性也会加剧摩损的速度以及破坏程度。这些都会严重影响船舶液压设备的效率和使用寿命。

在船舶液压设备的水液压系统中，在设计上可采用静压支承的方式来实现纯流体， 最好应用聚合物或陶瓷等具有耐磨损或减磨性能良好的新型材料[8]， 以减小元件的间隙和磨损来减小系统的内泄漏。

3） 腐蚀问题。由于水具有较强的腐蚀能力和导电能力，会引起和加快对液压系统元件的腐蚀。一般在水液压系统中，采用铝合金、不锈钢等材料；为了防止点蚀和缝隙腐蚀[9]，可在水中添加酸、碱离子。金属的腐蚀对船舶行业的影响尤为严重，每年都会造成巨大的财力、物力的损失。

4） 气蚀问题。水的气化压力比液压油高很多，而且一般水中也含有空气，这使得水液压系统容易发生气蚀问题，导致元件材料表面被剥蚀，还会产生振动与噪声等问题，严重影响船员的工作坏境。一般采用限制系统温度、提高液压泵吸入压力等方法。

5） 新的设计理论和方法。从油压向水压发展需要研究新的设计理论、建立新的数学模型，从而建立完整与完善的水液压传动系统。

4 水液压技术在船舶行业的展望

目前，水液压技术的研究已经取得了一定的成就，国外的一些公司生产的水液压元件的性能基本上能与油压元件一样，但是这些水液压元件的价格非常昂贵。

我国水液压技术才刚刚起步不久，浙江大学和华中科技大学等高校已经开展了相关方面的研究。近年来取得了巨大的成就，2009年浙江大学研制出压力8 MPa、流量100 L /min 的端面配流海水轴向柱塞泵，2010年华中科技大学开展工作压力超过45 MPa 的超高压海水柱塞泵研究。

现阶段，水液压技术在船舶上主要应用于高压清洗方面，正在逐步向船舶的通用机械和工程机械方面发展。海面清扫船、小型渔船以及一些特种船舶可以向水液压方面发展。随着环境问题和健康安全不断受到关注，水液压技术的不断发展一定会给我国带来巨大的经济利益。鉴于水粘度低易泄露的缺点，可以对水进行处理，向水中加添加剂，添加何种纳米材料也将是以后研究的重要方向。

5 结束语

船舶液压化将是船舶发展的新方向，具有广阔的应用前景，而水液压技术因有其独特的优点，必将是今后研究的焦点。

参考文献

[1] 李壮云， 贺小峰， 余祖耀， 等.水液压技术的发展、机遇与展望[J]. 流体传动与控制， 2003（1）：1 .

[2] Stryczek J， Biernacki K. Gerotor Pump with Plastic Gears[c]//Proceedings of 7th International Fluid Power Conference， Archen， Germany， 2012.

[3] Yoshida F， Miyakawa S. Effect of parameters on frequency characteristics of proportional control valve using tap water [C]//Proceedings of the 8th JFPS International Symposium on Fluid Power， Okinawa， Japan， 2011.

[4] Gregory D， Olivier D， Yvan M， et al. Making hydraulic manipulators cleaner and safer： from oil to demineralized water hydraulics[C]. 2008 IEEE. RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems， Nice， France， 2008.

[5] 赵恩刚， 黄太祥， 吴张永， 等. 纯水液压传动技术在工农业中的应用现状与展望[J]. 农机化研究， 2006（9）：1 .

[6] 王小红. 现代液压传动技术发展的新方向-纯水液压传动[J]. 机床与液压， 2006（8）：1 .

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[10] 李永林， 胡新江， 曹克强， 等. 液压工作介质物理特性的数字建模[J]. 机床与液压， 2011（1）：1-3 .

[11] 杨华勇， 周华. 水液压技术研究新进展[J]. 液压与气动， 2013（2）：2 .

[12] 杨珍， 吴德发， 陈经跃， 等.超高压水液压柱塞泵柱塞副泄漏性能分析[J].机场与液压， 2012（9）：39-42.

基金项目：上海海事大学校基金项目（20120091）

作者简介：潘道东（1990.12-），男，硕士，研究方向：主要从事于液压方面的研究。