前 言
自18世紀末英國Joseph Bramah制成世界上第一臺水壓機起,液壓技術的發(fā)展已經(jīng)歷200多年;二戰(zhàn)后,液壓技術開始廣泛應用于各種民用機械;而20世紀60年代以來,隨著原子能、空間技術、計算機技術的迅猛發(fā)展,促進了機電液氣一體化的發(fā)展進程,使液壓技術深入應用于工程機械、礦山機械、建筑機械、冶金機械、鍛壓機械、輕工機械、農(nóng)用機械、汽車工業(yè)、機械制造設備及航海航空設備等等各個工業(yè)領域。但20世紀70年代出現(xiàn)的世界性“石油危機”,以及各國的“綠色化生產(chǎn)”戰(zhàn)略,使液壓傳動技術面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。尋求節(jié)能、環(huán)保的工作介質來替代液壓油,已是當務之急。于是水壓傳動技術的研究與開發(fā),成為流體傳動及控制技術領域國際學科前沿的重要研究方向。
1 水壓傳動的關鍵技術
水壓傳動以水作為工作介質。與礦物油相比,水具有粘度低、腐蝕性強、可壓縮性小、熱膨脹系數(shù)小、比熱容及導熱系數(shù)大等特性,而水的較低的粘度、極強的腐蝕性是制約水壓傳動技術發(fā)展的2大瓶頸。
1.1 密封技術
水壓元件的閥芯與閥體之間存在縫隙,水壓傳動的泄漏主要是縫隙泄漏。以同心環(huán)形縫隙因壓力差產(chǎn)生的泄漏量為例,其泄漏量計算式為[1]
相同的條件下,水壓傳動的泄漏量則為液壓傳動泄漏量的30 ~ 120倍,系統(tǒng)的效率極大地降低。作為水壓傳動系統(tǒng),減少泄漏量的辦法之一就是盡可能控制縫隙量δ,為此要求即提高配合面的尺寸精度,減小配合間隙,當然還要保證配合件的相對運動需要。
然而,配合間隙的減小,水中污染物會因此堵塞縫隙,致使運動件動作失靈,甚至卡死,導致系統(tǒng)故障。實踐證明,流體傳動系統(tǒng)故障80％左右源于工作介質污染。由此可見,開發(fā)適應水壓傳動的過濾器尤為重要。
1.2 抗腐蝕技術
水具有腐蝕性,特別是海水具有極強的化學及電化學腐蝕能力,會引起腐蝕疲勞、應力腐蝕開裂、材料轉移、塑性老化等問題,使材料強度下降,零件表面質量破壞,同時也會影響到零件的尺寸穩(wěn)定性,使元件使用壽命下降。
水壓傳動的研究熱點之一,即在水中加入何種添加劑能解決水的腐蝕性,增強其自潤滑性。有些液壓設備如水壓機、礦山機械、液壓支架等以水基液壓油為工作介質。水基液壓油的主要成分是水,加入某些防銹、潤滑等添加劑,價格便宜,耐火、抗燃,但潤滑性差、腐蝕性強、適用溫度范圍較小。國外20世紀70年代初隨能源危機開發(fā)的高水基液(HWBF)已演變到第三代。這種高水基液實際上是一種微型乳化液,是在95％水相中均勻散布著水溶性抗磨添加劑的膠狀懸浮液。但這種高水基液卻無法解決環(huán)保問題[3]。
目前水壓元件的抗腐設計主要從材料的選擇入手。如不銹鋼、陶瓷、碳纖維增強塑料(CFRP)、合金等抗腐蝕能力強的材料已成為制造水壓元件的主要材料。水壓傳動系統(tǒng)中過濾器的研制與開發(fā),其殼體、濾芯的材料選擇也是關鍵。
2 水壓傳動系統(tǒng)的過濾器
水壓系統(tǒng)中的過濾器作用在于清除混入水中的雜質,降低水的污染度,保證系統(tǒng)的正常工作。
2.1 過濾器的性能要求
(1)過濾精度應滿足水壓系統(tǒng)的要求。過濾精度又稱絕對過濾精度,指流體通過過濾器時,能夠穿過濾芯的球形污染物的最大直徑d/μm(即過濾介質的最大孔口尺寸數(shù)值)。天然水中除含有大量固體雜質外,還有微生物,如海水中的藤壺、海藻、細菌、病毒及原生質等。它們有的帶有堅硬的外殼,形體很小且無規(guī)則,極可能通過濾芯進入系統(tǒng)。除系統(tǒng)入侵物外,還會有一些系統(tǒng)生成物,如元件腐蝕的剝離物、運動部件因摩擦、磨損產(chǎn)生的金屬顆粒等。選擇過濾精度時,應考慮以下幾點:應使雜質的顆粒尺寸小于元件運動表面間隙(一般應為間隙的一半)或水膜厚度,以免雜質顆粒使運動件卡死或使零件急劇磨損;還要求雜質顆粒尺寸小于系統(tǒng)中節(jié)流孔或縫隙的最小間隙,以免造成堵塞;另外,系統(tǒng)壓力越高,要求元件的滑動間隙越小,則過濾精度要求越高。根據(jù)水壓系統(tǒng)的特點,一般要求d<10μm,通常要選用精密(5~10μm)、甚至特精(<5μm)過濾器。
(2)具有足夠大的過濾能力,壓力損失小。過濾能力是指在一定壓差下允許通過過濾器的最大流量。對過濾器過濾能力的要求,應結合過濾器在系統(tǒng)中的安裝位置來考慮,如果安裝在吸水管路上,其過濾能力應為泵流量的2倍以上。水流通過過濾器時,會產(chǎn)生壓力損失,其大小與水的流量、粘度和混入水中的雜質數(shù)量有關。為保持濾芯不破壞或系統(tǒng)的壓力損失不致過大,要限制過濾器的最大允許壓力降。而過濾器的最大允許壓力降取決于濾芯的強度。通常要求壓力降控制在0.03~0.07 MPa左右。
過濾器的工作能力取決于濾芯的有效過濾面積、濾芯本身的性能、水的粘度、過濾器壓差及水中固體顆粒的含量。過濾器進出口壓差越大,阻力越小時,過濾器的過濾能力越大。水流通過濾芯的速度越低,表面壓力越小,則過濾精度越高。過濾器的設計主要根據(jù)工作壓力和過濾精度的要求選擇濾芯材料,按所要求的流量及選擇的濾芯材料來計算過濾面積。過濾器的有效過濾面積[4]
(3)應有很好的抗腐蝕性。殼體及濾芯的材料應有足夠的抗腐蝕能力。殼體選用不銹鋼類材料有很好防腐性能,也可選用其它的輕金屬材料,同時在金屬表面涂敷防腐涂層。防腐涂料中,環(huán)氧樹脂涂料更易于加工成型,固化物性能優(yōu)異,有良好的物理機械性能,特別是對金屬的附著能力強,耐堿性非常好,可以選用。
而用不銹鋼粉末與環(huán)氧樹脂涂料通過極化方法實現(xiàn)最優(yōu)組合生成的粉末環(huán)氧涂料,有更好的耐磨性。濾芯可采用青銅粉等金屬粉末壓制成型,強度高,承受熱應力和沖擊性能好,耐腐蝕能力強,制造簡單。但易堵塞,難于清洗。選用不銹鋼纖維濾芯,耐腐蝕,過濾精度高,且容易清洗。還可采用無機纖維經(jīng)液態(tài)樹脂浸漬處理而成的合成樹脂濾芯,強度大,過濾精度高。
(4)清洗維護方便,濾芯更換容易。過濾器精度越高,濾芯堵塞越快,濾芯清洗或更換周期越短。所以結構設計應時盡量簡單、緊湊,充分考慮到維護的方便性。造價盡可能較低。
(5)濾芯及外殼有足夠的機械強度,能承受高壓的沖擊。
(6)在規(guī)定的工作溫度下,能保持性能穩(wěn)定,有足夠的耐久性。
2.2 過濾器的使用
根據(jù)系統(tǒng)管路的壓力及流量特性,過濾器安裝在不同的位置,其結構型式和濾芯選材亦不同。水壓系統(tǒng)中過濾器主要安裝在泵的吸水管路、壓力管路及低壓管路上。由于以上3種管路的壓力與流量大小不同,過濾器的選擇也應分別考慮。
(1)安裝在吸水管路上。為保證泵的正常工作,吸水管路有一定的真空度。要求過濾器有很強的過濾能力,并在泵流量的2倍以上;壓力損失要小,通常不超過0.03 MPa;安裝時浸沒在水箱液面之下,以防止空氣侵入系統(tǒng)。一般選用過濾精度稍低的表面型過濾器,采用網(wǎng)式或線隙式防腐濾芯。
(2)安裝在壓力管路上,保護系統(tǒng)元件。要求濾芯及殼體材料防腐能力強,耐高壓,有足夠的機械強度,過濾精度高,可以有較大的壓力損失。安裝在溢流閥之后,或與安全閥并聯(lián),但安全閥的開啟壓力應略低于過濾器的最大允許壓差。一般選用深度型過濾器,采用不銹鋼纖維或合成樹脂濾芯,過濾精度高。
(3)安裝在低壓管路上,主要保證回到水箱的工作介質的清潔度?？刹捎镁哂幸话氵^濾精度的低壓過濾器。
過濾器只能單向使用,不能安裝在液流方向經(jīng)常變換的管路上。如果必須在此段管路設置過濾器,應該與單向閥配合使用。
3 結束語
因水壓傳動系統(tǒng)中工作介質的特殊性質,對元件的結構及材料使用有更高的要求。作為系統(tǒng)中重要的輔助元件,設計、加工、安裝使用過濾器時,必須考慮材料的抗腐蝕性、機械強度、耐磨性等,并要選擇有足夠過濾精度及過濾能力的濾芯。
參考文獻:
[1] 左健民.液壓與氣壓傳動[M].第1版.北京:機械工業(yè)出版社,2000.
[ 2] 王新華.綠色產(chǎn)品設計與水壓傳動技術[J].機床與液壓,2004(3):29-32.
[3] 王 強.水壓傳動元件的發(fā)展及其應用前景[J].機床與液壓,2004(10):1-3.
[4] 北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊:第4卷[M].化學工業(yè)出版社,1993.
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