前 言
自18世纪末英国Joseph Bramah制成世界上第一台水压机起,液压技术的发展已经历200多年;二战后,液压技术开始广泛应用于各种民用机械;而20世纪60年代以来,随着原子能、空间技术、计算机技术的迅猛发展,促进了机电液气一体化的发展进程,使液压技术深入应用于工程机械、矿山机械、建筑机械、冶金机械、锻压机械、轻工机械、农用机械、汽车工业、机械制造设备及航海航空设备等等各个工业领域。但20世纪70年代出现的世界性“石油危机”,以及各国的“绿色化生产”战略,使液压传动技术面临严峻的挑战。寻求节能、环保的工作介质来替代液压油,已是当务之急。于是水压传动技术的研究与开发,成为流体传动及控制技术领域国际学科前沿的重要研究方向。
1 水压传动的关键技术
水压传动以水作为工作介质。与矿物油相比,水具有粘度低、腐蚀性强、可压缩性小、热膨胀系数小、比热容及导热系数大等特性,而水的较低的粘度、极强的腐蚀性是制约水压传动技术发展的2大瓶颈。
1.1 密封技术
水压元件的阀芯与阀体之间存在缝隙,水压传动的泄漏主要是缝隙泄漏。以同心环形缝隙因压力差产生的泄漏量为例,其泄漏量计算式为[1]
相同的条件下,水压传动的泄漏量则为液压传动泄漏量的30 ~ 120倍,系统的效率极大地降低。作为水压传动系统,减少泄漏量的办法之一就是尽可能控制缝隙量δ,为此要求即提高配合面的尺寸精度,减小配合间隙,当然还要保证配合件的相对运动需要。
然而,配合间隙的减小,水中污染物会因此堵塞缝隙,致使运动件动作失灵,甚至卡死,导致系统故障。实践证明,流体传动系统故障80％左右源于工作介质污染。由此可见,开发适应水压传动的过滤器尤为重要。
1.2 抗腐蚀技术
水具有腐蚀性,特别是海水具有极强的化学及电化学腐蚀能力,会引起腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂、材料转移、塑性老化等问题,使材料强度下降,零件表面质量破坏,同时也会影响到零件的尺寸稳定性,使元件使用寿命下降。
水压传动的研究热点之一,即在水中加入何种添加剂能解决水的腐蚀性,增强其自润滑性。有些液压设备如水压机、矿山机械、液压支架等以水基液压油为工作介质。水基液压油的主要成分是水,加入某些防锈、润滑等添加剂,价格便宜,耐火、抗燃,但润滑性差、腐蚀性强、适用温度范围较小。国外20世纪70年代初随能源危机开发的高水基液(HWBF)已演变到第三代。这种高水基液实际上是一种微型乳化液,是在95％水相中均匀散布着水溶性抗磨添加剂的胶状悬浮液。但这种高水基液却无法解决环保问题[3]。
目前水压元件的抗腐设计主要从材料的选择入手。如不锈钢、陶瓷、碳纤维增强塑料(CFRP)、合金等抗腐蚀能力强的材料已成为制造水压元件的主要材料。水压传动系统中过滤器的研制与开发,其壳体、滤芯的材料选择也是关键。
2 水压传动系统的过滤器
水压系统中的过滤器作用在于清除混入水中的杂质,降低水的污染度,保证系统的正常工作。
2.1 过滤器的性能要求
(1)过滤精度应满足水压系统的要求。过滤精度又称绝对过滤精度,指流体通过过滤器时,能够穿过滤芯的球形污染物的最大直径d/μm(即过滤介质的最大孔口尺寸数值)。天然水中除含有大量固体杂质外,还有微生物,如海水中的藤壶、海藻、细菌、病毒及原生质等。它们有的带有坚硬的外壳,形体很小且无规则,极可能通过滤芯进入系统。除系统入侵物外,还会有一些系统生成物,如元件腐蚀的剥离物、运动部件因摩擦、磨损产生的金属颗粒等。选择过滤精度时,应考虑以下几点:应使杂质的颗粒尺寸小于元件运动表面间隙(一般应为间隙的一半)或水膜厚度,以免杂质颗粒使运动件卡死或使零件急剧磨损;还要求杂质颗粒尺寸小于系统中节流孔或缝隙的最小间隙,以免造成堵塞;另外,系统压力越高,要求元件的滑动间隙越小,则过滤精度要求越高。根据水压系统的特点,一般要求d<10μm,通常要选用精密(5~10μm)、甚至特精(<5μm)过滤器。
(2)具有足够大的过滤能力,压力损失小。过滤能力是指在一定压差下允许通过过滤器的最大流量。对过滤器过滤能力的要求,应结合过滤器在系统中的安装位置来考虑,如果安装在吸水管路上,其过滤能力应为泵流量的2倍以上。水流通过过滤器时,会产生压力损失,其大小与水的流量、粘度和混入水中的杂质数量有关。为保持滤芯不破坏或系统的压力损失不致过大,要限制过滤器的最大允许压力降。而过滤器的最大允许压力降取决于滤芯的强度。通常要求压力降控制在0.03~0.07 MPa左右。
过滤器的工作能力取决于滤芯的有效过滤面积、滤芯本身的性能、水的粘度、过滤器压差及水中固体颗粒的含量。过滤器进出口压差越大,阻力越小时,过滤器的过滤能力越大。水流通过滤芯的速度越低,表面压力越小,则过滤精度越高。过滤器的设计主要根据工作压力和过滤精度的要求选择滤芯材料,按所要求的流量及选择的滤芯材料来计算过滤面积。过滤器的有效过滤面积[4]
(3)应有很好的抗腐蚀性。壳体及滤芯的材料应有足够的抗腐蚀能力。壳体选用不锈钢类材料有很好防腐性能,也可选用其它的轻金属材料,同时在金属表面涂敷防腐涂层。防腐涂料中,环氧树脂涂料更易于加工成型,固化物性能优异,有良好的物理机械性能,特别是对金属的附着能力强,耐碱性非常好,可以选用。
而用不锈钢粉末与环氧树脂涂料通过极化方法实现最优组合生成的粉末环氧涂料,有更好的耐磨性。滤芯可采用青铜粉等金属粉末压制成型,强度高,承受热应力和冲击性能好,耐腐蚀能力强,制造简单。但易堵塞,难于清洗。选用不锈钢纤维滤芯,耐腐蚀,过滤精度高,且容易清洗。还可采用无机纤维经液态树脂浸渍处理而成的合成树脂滤芯,强度大,过滤精度高。
(4)清洗维护方便,滤芯更换容易。过滤器精度越高,滤芯堵塞越快,滤芯清洗或更换周期越短。所以结构设计应时尽量简单、紧凑,充分考虑到维护的方便性。造价尽可能较低。
(5)滤芯及外壳有足够的机械强度,能承受高压的冲击。
(6)在规定的工作温度下,能保持性能稳定,有足够的耐久性。
2.2 过滤器的使用
根据系统管路的压力及流量特性,过滤器安装在不同的位置,其结构型式和滤芯选材亦不同。水压系统中过滤器主要安装在泵的吸水管路、压力管路及低压管路上。由于以上3种管路的压力与流量大小不同,过滤器的选择也应分别考虑。
(1)安装在吸水管路上。为保证泵的正常工作,吸水管路有一定的真空度。要求过滤器有很强的过滤能力,并在泵流量的2倍以上;压力损失要小,通常不超过0.03 MPa;安装时浸没在水箱液面之下,以防止空气侵入系统。一般选用过滤精度稍低的表面型过滤器,采用网式或线隙式防腐滤芯。
(2)安装在压力管路上,保护系统元件。要求滤芯及壳体材料防腐能力强,耐高压,有足够的机械强度,过滤精度高,可以有较大的压力损失。安装在溢流阀之后,或与安全阀并联,但安全阀的开启压力应略低于过滤器的最大允许压差。一般选用深度型过滤器,采用不锈钢纤维或合成树脂滤芯,过滤精度高。
(3)安装在低压管路上,主要保证回到水箱的工作介质的清洁度。可采用具有一般过滤精度的低压过滤器。
过滤器只能单向使用,不能安装在液流方向经常变换的管路上。如果必须在此段管路设置过滤器,应该与单向阀配合使用。
3 结束语
因水压传动系统中工作介质的特殊性质,对元件的结构及材料使用有更高的要求。作为系统中重要的辅助元件,设计、加工、安装使用过滤器时,必须考虑材料的抗腐蚀性、机械强度、耐磨性等,并要选择有足够过滤精度及过滤能力的滤芯。
参考文献:
[1] 左健民.液压与气压传动[M].第1版.北京:机械工业出版社,2000.
[ 2] 王新华.绿色产品设计与水压传动技术[J].机床与液压,2004(3):29-32.
[3] 王 强.水压传动元件的发展及其应用前景[J].机床与液压,2004(10):1-3.
[4] 北京有色冶金设计研究总院.机械设计手册:第4卷[M].化学工业出版社,1993.
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