摘 要：回顾了纯水液压技术的发展历史，概述了纯水液压技术的特点及国内外研究状况，着重介绍了纯水液压技术在消防、矿山开发和深海采矿中的应用。
关键词：纯水、液压传动、深海采矿、水利提升、研究现状
随着社会的发展，人们对人类赖以生存的环境有了一个更高的要求，希望有一个安全无污染、高度文明、美好的环境。因此也要求科学技术向安全、生态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。水介质本身独有的一系列特点正好满足了现代社会提出的这一要求，因此，纯水液压技术就应运而生了，它标志着液压传动技术正向更高的阶段发展。纯水液压技术，尤其是深海纯水液压技术已经成为现代液压界关注的热点：
随着新材料的研发成功、精密加工技术的不断进步，以及各种新结构的液压元件研制成功，使水压传动技术在最近10年内取得了长足的进步，并重新开始进入了有严格要求无污染的领域，具有十分诱人的应用和发展前景。同时，鉴于国防建设与某些特殊经济领域的迫切需要，以及未来市场的诱惑，西方国家一直在集中力量研究该项技术，并已取得了突破性进展，部分已进入实用阶段：目前，国外已经生产出专为纯水液压系统设计的液压元件，如德国Hauhinco公司生产的Ehk-3k系列柱塞泵，英国于1988年研制成功14MPa的海水柱塞泵及10MPa的海水柱塞马达。国外的纯水液压技术已进入包括海洋开发、水下作业、原子能动力工厂、钢铁工业、食品、医药等诸多领域中，创造了很大的经济效益。
国内自20世纪初也开展了纯水液压传动技术的研究，华中理工大学进行了海水液压传动技术的研究，现已成功地研究出轴向柱塞式海水液压泵，该泵能用含有微细沙粒的海水工作，额定工作压力为3MPa，最高工作压力为6.3MPa，额定流量为100L/min，容积效率达到了85%。同时，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也投人大量的人力、物力从事纯水液压技术的开发和研究工作。安徽理工大学也从2002年起投人人力、物力，进行纯水液压元件的设计与开发，已设计出用于纯水液压系统的齿轮转子泵(马达)系列。
2纯水液压技术的特点与技术难题
所谓"纯水"是指纯粹的天然水，即不含任何添加剂的水。关于纯水的分类见表1。
纯水作为液压传动的工作介质，具备如下特点：无污染，有利于全民绿色意识的提高；成本低、阻燃性、安全性(这对大量使用液压油的冶金行业来说其前景十分看好)、系统沿程损失和局部损失都非常小；响应快(采用纯水作为工作介质可以使液压伺服系统的执行机构实行更准确的定位)、温升小；系统维护保养方便、维护监测成本低等项优点。同时也存在腐蚀性强、腐蚀严重、防漏性差等缺陷。但这些缺陷正随着科学技术的不断进步，被逐步克服。
(1)润滑磨损问题的解决，有两种方式。一种是，元件的轴承部分用油来润滑，通过密封件与高压纯水分开，纯水仅作为能量和控制信号进行传递；另一种是，水参与润滑。选用合适的制作材料对纯水液压系统是最基础的工作。目前考虑的材料有工程塑料、结构陶瓷、高分子材料等。结构陶瓷由于其优越的耐磨性、抗气蚀性能好、良好的化学稳定性、较低的摩擦系数等特性倍受青睐，在液压元件中用结构陶瓷代替部分金属材料将会大大改善液压元件的性能。
(2)泄漏问题的解决。液压元件中大部分的运动副采用间隙配合方式，其缝隙量对泄漏量影响极大。密封间隙的减小，又会使润滑膜厚度减小，元件的磨损加大，继而导致密封迅速失效。因此，仅以采取减小间隙的配合方式是不行的。目前有研究结果表明，在水压传动元件中用组合密封形式是较为理想的防泄漏手段。
(3)气蚀问题的解决。由于水的汽化压力高，加之水中含有2%左右的空气，特别容易诱发汽化，导致气蚀现象。据统计，在维修的泵中，10%是因为气蚀而损坏。对于液压泵，容易发生气蚀的部位是配流盘吸、压窗口的交界处，以及泵的吸入口。研究结果表明，气蚀现象可通过在泵的人口加压解决。
3纯水液压传动的应用
现在一般认为，纯水液压传动的应用可分为四个阶段。第一阶段主要是一些特殊领域，如高压清洗、喷雾、消防等；第二阶段主要是食品加工行业，例如面包机、肉类切割等；第三阶段则扩展到工程机械及通用机械。在此阶段，纯水传动将会逐渐扩大市场份额，其函数关系如图1所示，第四阶段将主要应用于深海采矿。
图1 纯水液压传动的应用比例与趋势
3.1 用于消防
我国现代建筑正逐渐向高层化发展，但高层建 筑的消防灭火问题却存在着严重的隐患。高层建筑起火而无法迅速有效扑灭的一个重要原因是高层消防用水压力不足，特别是在灭火的后期，即使在装有自动喷水灭火系统的地方，由于水压较低，水喷淋系统所喷出的水覆盖的空间小。这样灭火的效果需要以缩小住户的有效住宅空间来作为代价。而纯水液压传动的基本特征就是能够输出高压水流。如果采用高压高效纯水液压灭火系统的话，则和现有的喷水灭火系统不一样，在楼层中间再额外地设置几个中转加压泵站，这样不仅可以显著提高高层建筑喷水灭火系统的灭火效果，大大减少灭火系统成本，而且还有效地扩大了高层楼房的实际使用面积。同时，高效水雾化具有动力消耗小、系统简单、占用空间小、布置方便等优点。但其形成条件是消防水必须具有足够高的压力，一般来说，不得低于10MPa，纯水液压系统的输出压力通常在10-32MPa，高压细水雾灭火系统在喷水方式、成雾原理、灭火机理、灭火效能、应用范围及系统经济性能上均产生了质的飞跃，工程应用前景十分乐观，同时，水的高压雾化也是射流技术在灭火领域新的应用。这一套系统同样可用在其它用高压水射流的场合，例如：钢板的切割及钢板的除锈等，这会比以往的高压水射流的获得方法节省许多能量。
3.2 用于海洋开发
评价一个国家的综合国力强弱的标准是对外层空间和海洋的利用能力。开发和利用公海海底矿产资源日益引起国际社会的广泛关注。大洋采矿技术是较航天技术难度更大的一项综合高新技术，涉及到勘探、海洋；机械、电子、自动化、船舶、通讯诸多技术领域。设备制造难度大，正因为如此，大洋采矿技术才构成海洋高科技的前沿和制高点，并以空间的广阔性和时间的长期性向人类展示一个全新的高新技术的应用和发展领域。
对于深海采矿的纯水液压传动技术，至今仍处于萌芽时期，还没有成熟的经验、技术可供我们借鉴。许多国家包括中国都已把深海纯水液压技术作为未来液压技术的前沿课题。例如深海采矿的液压系统如改用海水液压，将为工作的进行带来很大的方便而且会产生很高的经济和社会效益。日本及法国已于上世纪80年代研究开发出用于海洋作业的水液压系统；大洋金属结构开发采用流体提升采矿的方法如图2，
图2
流体提升采矿法
这是目前国际上公认最具有实用价值和工业应用前景的方法，该方法是当采矿船到达采区后，将集矿机和扬矿管接好并逐步放人海底，扬矿管上端悬置于采矿船。柔性软管将集矿机与主扬矿管道连接呈拱形浮在水中，允许集矿机偏离主扬矿管左右移动绕过障碍，且在地形高度变化时可补偿扬矿管下端距海底的高度变化。当采矿作业区出现台风或热带风暴时，采矿船与水下系统脱开，驶往安全地带避风，而水下系统仍然留在采区，风暴过后，采矿船返回原位，重新接上水下系统。集矿机用于采集海底沉积物中的结核并进行初处理。在除去大结核的同时将合格尺寸的结核输入扬矿管底端，以水力或气力提升方法使管内的水以足够的速度向上运动，将结核输送到海面采矿船上。该方法可配用自行式遥控集矿机，具有较好的灵活性，且有避开海底障碍物与不利地形的能力、较高的采矿效率、开采规模大、技术难度小等优点。该系统由自动集矿机、扬矿机(提升)子系统、监控子系统、采矿船和运输支持子系统五大部分组成。其中，集矿机和提升泵等关键设备都涉及到液压传动与控制技术。其中，集矿机采用水力和机械装置结合的复合式集矿方法达到采集、分选结核目的，为满足结构简单、重量轻、压陷深度浅、牵引力大、对海底破坏轻、跨越或绕过海底障碍物容易、通过性较好的要求，采用履带行走方式。其中的液压系统用电机驱动，泵、电机、阀组均装在耐压仓内，预压进行水压平衡补偿。而且可以预见，如何将水压传动技术用于大洋采矿工程应当作为液压界的重点课题，这一课题必将成为液压技术的前沿课题。
目前，我国在深海采矿基础理论和原理性试验方面取得重要突破，研制出了复合式集矿模型机，完成水力提升、气力提升机理研究及不同体积、浓度输送参数试验，并对工业开采水力提升参数进行了预测和初步优化，建成了既可进行集矿技术研究和设备性能试验，又可进行管道提升方法和工艺参数研究的大型海洋采矿综合试验室。
3.3 用于矿山开采
纯水液压传动技术在煤矿机械例如在MXG500/4.5H型电牵引采煤机上的应用已取得了一定的进展，而且在液压凿岩机械和液压钻机中水压传动应用的前景也十分看好。
长久以来，煤矿的现场生产条件十分恶劣。同时，生产对地表以下环境的污染也十分严重。产生这种污染很大的一个原因就是液压油和高水基乳化液的使用，面对愈来愈重视环境保护的将来，逐步解决这些问题，改善煤矿的生产环境，纯水液压技术的使用是有效的方法之一。纯水与液压油和高水基乳化液相比，不仅有良好的抗燃性、散热性，而且价格也便宜。所以使用纯水液压，对降低煤矿的生产成本是有益的。在煤矿生产中广泛使用的液压支柱，大量消耗着乳化液。调查发现，很多煤矿的工人在液压支架和液压支柱的使用中，很少按规定要求混加乳化液，以使乳化液浓度只有5%左右，有些煤矿的乳化液浓度连1%都不到，甚至是纯水，但液压支架仍可以在液压支架中得到应用，这在煤炭行业中，将大大地改善矿井的工作和安全条件，例如，用纯水液压提供高压水，然后用高压水射流采煤，这将是纯水液压技术在煤炭行业应用的雏形。这对于有丰富煤炭资源，距离水源很近的淮南来说是很可取的，而且这不但可以提高采煤机的除尘效果，而且使电牵引采煤机完全实现无油化，真正成为绿色环保产品。
4结束语
综上所述，纯水液压传动技术因其特有的优势，已经成为现代液压传动技术新的发展方向之一。面对国际上纯水液压传动技术的快速发展和我国加入WT0这一历史性机遇与挑战，大洋采矿是海洋高科技的前沿，是海洋资源开发的制高点，如何开发和利用国际海底资源，开辟我国新的矿产资源基地是实现国民经济建设可持续发展的重要战略目标。相信在21世纪，纯水液压技术的应用前景将更加广阔。
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