以海水为介质的柱塞泵的润滑与磨擦
王东1，李壮云2，朱雨泉2
1．武汉理工学院，自动化系，中国武汉，430073
2．华中科技大学，中国武汉，430073
摘要：由于水液压技术具有对人类无害和对环境无污染等特点而已经了人们的关注。柱塞泵是近代工程技术领域一个最常用的液压元件。由于水和油的特性的差异，在水液压柱塞泵比采用油作为工作介质的柱塞泵更容易发生润滑失效。因此这儿有例如磨损和腐蚀等重要问题需要去进行研究。研究出一种在水中没有腐蚀和侵蚀的具有更长寿命的材料。华科设计出一种具有更好吸入性能的海水液压柱塞泵。这个项目着重于对新材料、结构和实验。
关键词：水液压技术；柱塞泵；润滑；材料；实验。
CLC编号：U664.72 文章代码：A 论文呈：167`-9043(2003)01-0035-06 引言
早期的液压系统采用水作为工作介质，由此必须严格控制介质的工作温度、腐蚀和润滑问题。直到上世纪90年代才开始采用矿物质液压油。后来，液压油逐渐成为液压装置的工作介质。近年来，由于淡水具有易于得到、易保存、低成本、对环境污染小和不易失火等优点，淡水液压获得了广泛的应用。因此，淡水液压能够被用于许多新的领域，例如食品、医药、玻璃制造业、采矿和核工业等。
与矿物质液压油相比，水的粘度较低。例如，在40℃下，水的运动粘度为0.7m2/s,而普通的液压油的粘度为32m2/s。当然在水液压系统中，许多在油液压系统中不需要考虑的问题都应该重新被考虑进去。首先，水的粘度较低以致于难以在磨擦副中建立起水压支承，并且，要想在高硬度材质间实现动压润滑几乎不可实现。因此，水的粘度较低导致了其润滑性较差。由此导致腐蚀和磨擦性损耗等问题。其次，当水中含有杂质时水将会导电变成电解液。在这种情况下，将会导致电解腐蚀。因此，当金属材料采用水作为介质时应该考虑到电化学腐蚀。基于上述观点，液压油在润滑方面具有很多优点。但是随着材料、设计和磨擦学中新技术的采用便利用水作为介质提供了可能性。大量的新材料能够能够在水中能够很好地工作，例如不锈钢、防腐蚀合金、陶瓷、高分子聚合物、青铜、黄铜、
铝合金等。伴随着现代设计和制造技术的发展，水液压技术变得越来实用化。现代科学技术为水液压技术的再次出现和发展提供了大量的技术保证。
柱塞泵是液压工程技术领域最常用的一种液压元件。与采用作为介质的柱塞泵相比，水液压柱塞泵的润滑性能差。在水液压系统中，最首要的目标是发展可用水来作为工作介质的柱塞泵和马达。为了解决用水作为润滑济的问题，人们着重于研究三个重要的磨擦副：缸体与配流盘、柱塞与缸孔、斜盘与滑靴。
许多发达国家已经开发出了水液压柱塞泵，例如美国、英国、丹麦、德国和芬兰等。泵和马达实际上是可逆的。英国的Fenner公司已经开发出一种可用水作为工作介质的定量轴向柱塞泵。这种类型的泵和马达都采用同一种型式的斜盘。轴承的中心线与转矩的中心线相重合有减小配流机构所带来的倾覆力，所有的磨擦副都采用高分子材料和合金相接触。这种泵的柱塞采用陶瓷，泵壳采用不锈钢，其压力可以达到14MPa。德国Hauhinco径向柱塞泵是一种定量柱塞泵。泵在设计时采用新材料以致于减少一个单独的润滑机构。其工作介质可以采用工业用水，同时也是润滑济。这种泵的流量可以达到240L/min,压力可以达到
32MPa。丹麦的PHA系列中的丹佛斯系列（Danfoss Nessie）作为一个完整系列斜盘式柱塞泵。这种泵的所有磨擦表面都单独采用不加强型橡胶和不锈钢，例如缸体、配流盘和滑靴。外部的壳体都单独采用专用的铸造黄铜以防止腐蚀，泵的各个运动部件都靠水来润滑。而泵的各个部件均采用耐腐蚀材料以保证泵有较长的寿命。这种泵的压力最高能达到16MPa。芬兰的Hytar公司的轴向柱塞泵可以当作马达使用，并且能够在淡火和海水中工作。其压力可以达到21MPA,寿命可以达到8000h.
华中科技大学经过十年在流体力学基础上的对高压水的研究和试验，目前正在实施一个由国家自然科学基金所支持的淡水和海水液压项目。最近，华中科技大学开发出一种具有较好吸入性能的轴向柱塞泵。这个项目着重于研究新材料、结构和实验。同时，本文也次这种泵的应用。
1.海水液压柱塞泵
图1为我们展示了华科海水液压柱塞泵的结构简图。这是一种斜盘式七柱塞定量轴向柱塞泵。即能用海水也能用淡水作为工作介质。其流量可以达到
40L/min，压力可以达到14MPa，额定压力为10MPa，泵的进口与出口都与带有橡胶密封的单向阀单独与每个柱塞相通。柱塞位于吸入侧时，水在真空下通过入口的单向阀被吸入进来，充满柱塞的左侧空间；柱塞位于压排侧时，水通过出口的单向阀被压出去。为了使得轴承获得较好的润滑效果，泵的驱动装置都采用油润滑，并且在每个柱塞上都采用双向密封使得右腔与左侧配流装置隔开。因此，轴承、斜盘和滑靴磨擦表面都采用油润滑，而柱塞与缸孔之间的磨擦都采用水进行润滑。
由于水的化学性质活泼、粘度低、润滑性差和水蒸气压力高等特点，因此当采用水润滑时，材料的选择对一个水液压柱塞泵的寿命起着重要的作用。这种泵前后的端盖都采用经过电极处理的铝合金，柱塞与缸体的衬套都分别采用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）和高强度的高分子材料（PEEK）。入、出口阀的材料的密封都采用PTEF材料，带有塑料密封的提升阀采用镀有青铀的不绣钢。
图1 柱塞泵的结构简图
为了减少表面的磨擦，必须采用磨擦系数较小的材料，PEEK材料在水中的磨擦系数大约为0.02。这个磨擦系数可与钢与钢在矿物质油中的0.05～0.07相比。近年来，PEEK材料逐渐成为水液压柱塞泵和马达运动部件广泛采用的材料。
3实验
为了验证这种泵的性能，我们也同时在进行实验装置的研究。图2是华中科
技大学海水液压柱塞泵实验装置的简图。这个实验装置包括水箱、节流阀、溢流阀、冷却器、压力传感器、流量传感器和被测试的泵等。被测试的泵靠电机驱动，为了测试这种泵在反转的功能，采用了一个电气控制柜来控制电机的正反转。安全阀起到过载保护的作用，节流阀用于对被测试的泵进行加载，冷却器用于控制系统的油温。这个实验台所有的液压元件都由我们自己进行设计的。
2.2试验方法
试验方法如下：无论是自来水还是海水都可以作为压力介质。模拟的海水的成份均参照美国的标准（ASTMD-1142-52），如表1所示。
实验的由数据由下面的参数所决定：
(a).加载的压力最高达到14MPa;
(b).转速可高，且最高达到1000r/min;
(c).当转速达到一个稳定值后，记录下流量和压力；
(d).油液的温度控制在20℃～40℃之间。
图2 实验台装置
表1 海水成份
