关键词：高水基介质 水压传动 液压泵

    1 引言
    近年来由于环保和可持续发展的需要，水压传动技术又重新受到人们的关注。水压传动是指用纯水或高水基介质传递动力的液压传动。在循环方式上，水压传动有开式和闭式之分，开式系统的基本特征是所有传动介质必须首先满足外部系统的使用要求，如水切割、高压水清洗就需用纯水介质，而高压切削液排屑则必须用乳化液作介质，等等。可见，纯水压传动虽然是今后液压技术发展的主要方向，但高水基液压传动也不会完全消失；在纯水压技术尚不成熟的今天，经济适用的水基液压技术仍具有工程价值。

    高水基介质的成分是水和添加剂，其中水的比例大于90%。用于传动其理化性能虽优于纯水，但却远不及矿物油，二者间差异主要反映在粘度上。常温下高水基价质的运动粘度为1-2cSt，仅为矿物油的1/20 - 1/40，因此，材料表面无法形成液体润滑，元件尤其是泵容易过早磨损；粘度低也大大降低了系统容积效率；此外，摩擦副上介膜变薄，元件对污染也更为敏感。总之，由于容积效率和使用寿命过低，普通液压元件不能直接用于高水基介质。

    2 水基介质中液压泵性能分析
    液压泵是液压系统的心脏，水压技术的发展水平主要取决于水压产的研究进程。

    2.1 双作用叶片泵
    叶片泵最容易磨损的零件是叶片和定子。叶片在压油区受力情况，诸力间的平衡关系。

    2.2 斜盘式轴向柱塞泵
    柱塞泵的滑履副和配流盘副的接触比压大，PV值高。为减小磨损防止“ 烧盘”，滑履和配流盘多采用静压支承技术。由润滑理论可知，静压支承的最小油膜厚度应满足下列条件：1）大于两倍的滑动面的粗糙度，不平度和可能的变形。也有学者认为，最小油膜度等于粗糙度、不平度、变形及位置误差的总和再加2um。2）大于杂质颗粒的直径。3）摩擦副温升在允许范围。

    柱塞副为0.01-0.02mm的固定间隙配合，泄漏量也和介质的粘度成正比。

    斜盘式轴向柱柱塞泵的容积效率一般为95%。若在泵的结构和工作压力均不改变的情况下使用水基介质，由上式计算的容积效率将趋于)，但实际上是泵达不到规定的压力。若改变泵的结构，将水膜厚度减小到5um，泵的容积效率也只有70%。最近研究成果表明：水压柱塞泵配流盘最小水膜厚度的取值应在1.5-4um。这一结论不仅使泵的制造变得十分困难，对系统的清洁度也提出了极为苛刻的要求，所以，还有待进一步研究。

    如果采用动压润滑，最小水膜的厚度仅为油膜的1/4 - 1/6。此外，水也没有油的热楔效应，这将使本来就处于边界润滑状态的摩擦副变得更不可靠。至于间歇润滑，它比静压支承泄漏小，但配流盘在断流期间要靠介质的挤压效应承载，承载能力；也和介质的动力粘度u成正比。可见，这种润滑方式用于水基介质时也不可靠。事实上，柱塞泵只有在上述摩擦副的结构、材料及制造工艺等方面进行彻底改造，方可用于水压系统。

    2.3 高压齿轮泵
    齿轮泵的弱点是容积效率低和径向力不平衡。高压齿轮泵在结构上作了改进，性能已有很大提高。

    泵的齿顶和壳体因采用“ 扫膛工艺”配合间隙很小，故而泄漏有限。因齿顶副不承载，齿间槽可容纳杂质，配合面经“ 扫膛”等于跑合，壳体采用铝合金和齿轮材料不相溶，因而齿顶副磨损很小。

    轮齿啮合面理论上无间隙，泄漏很小。两齿面综合曲率及相对滑动速度都比叶片定子副小得多，齿面啮合时间也短，不象叶片始终压在定子上；齿面间作用力相对平稳，不像叶片与叶片槽及定子，常因润滑不良、磨损或嵌有杂质而出现摩擦力不稳定、甚至冲击、卡紧现象。实践证明，水基介质中，齿顶、壳体及齿面在泵的寿命期内都不会发生异常磨损。

    齿轮端面的泄漏占泄漏量的75%-80%。高压齿轮泵采用了浮动侧扳技术，基本上满足了水基介质对密封性的要求。浮动侧扳靠剩余压紧力消除间隙，处于边界润滑状态。侧板配合面上烧结了一层磷青铜，剩余压紧力不大，故侧板磨损并不严重，通常只发生磨料磨损。

    轴承是易损件。高压齿轮泵采取了减小径向不平衡力，加强轴承的冷却与润滑等措施，轴承的工况已得到很大改善，但因水基介质的润滑性能太差，普通滑、滚动轴承的寿命仍不长。笔者在压力为7MPa，浓度为9%的乳化液系统中使用过CB-F100齿轮泵，行,300h后，轴承磨损量为0.02mm；500h后，磨损量达0.05mm。但因泄漏量大，水的冷却效果也较好，故轴承未发生过粘着磨损。泵运行约300h后，因轴承和侧扳磨损，系统压力开始下降，此后须适时调高溢流阀才能维持系统压力。500h后，即使溢流阀完全关闭，压力也只能达到4MPa。可见，在水基介质中使用齿轮泵也必须采取相应措施。

    3 液压泵用于水基介质时应采取的措施
    泵的选型十分重要。从经济性和实用性出发，在压力和流量都满足的情况下，高压齿轮泵最为适宜。

    泵的制造精度也不容忽视。首先，欲减小泄漏必须减小配合间隙；其次，水基介质生成的介膜薄，滑动面应有更低的粗糙度。实践证明，使用水基介质时，制造精度对泵的性能和寿命的影响比用油时大得多，因此，应尽量选用优质泵。

    由上述可知，齿轮泵的磨损形式基本上是磨料磨损，故提高清洁度可有效提高泵的寿命。齿轮泵耐污染性能好，用油时杂质的敏感粒度为0.03mm，用水基介质时因介膜薄，粒度值也必然减小。经验表明，当泵的进油口过滤精度达到0.01mm时，基本上能满足泵的使用要求，但此时滤油器上会有较大压降。

    使用水基介质，泵的磨损规律主要取决于边界膜的性质。边界膜不外乎吸附膜和反应膜两大类。吸咐膜由油性剂生成，性能不稳定，当负荷较大时会随温度升高而逐渐失去作用，故适合较缓和的边界摩擦。反应膜由极压剂成生，可防止材料在重载、高速、高温下发生胶合。齿轮泵最易磨损的零件是轴承和侧板。经过正常跑合，它们的工况都不算恶劣，尤其是侧板，载荷小、冷却条件好，且磷青铜有良好的耐磨性和跑合性，故适合用油性剂。轴承因负荷大，冷却条件也不如侧板，吸附膜有时会破坏，故需用一定比例的极压剂。对新泵或进入磨损状态的泵，因金属表面粗糙、局部温度高，故也需适量的极压剂。可见，为兼顾各摩擦副的需要，必须作针对性研究。使用添加剂时，还要考虑添加剂的腐蚀性、添加剂间及其与金属材料的匹配以及开式系统的外部要求等多方面问题。

    降低泵的工作压力不仅可以减小磨损，也能减小泄漏，从而延长泵的寿命。但应注意，齿轮泵的“扫膛工艺”是在一定压力下进行的，改变工作压力会破坏齿顶与壳体的配合性质。故对这类泵降压使用时，必须确认这种破坏是能够接受的。

    因水容易蒸发，故应避免泵的进口压力过低或温度过高，以防止因气蚀或吸液不足而引起的干摩擦。

    可应用新材料新工艺对泵的结构加以改造。如在高压齿轮泵上使用无需润滑的粉末冶金浸渍铅和PTFE的DU轴承。又知，可有陶瓷等离子喷涂提高齿轮泵侧板等滑动表面的耐磨、耐蚀性等。因泵在水基介质中的工况十分恶劣，浴盆曲线所表征的磨损规律在时间坐标上会大大缩短，故日常维护保养的周期必须相应缩短。

    4 结束语
    叶片泵叶片上作用的诸力构成封闭力系，使用水基介质时因摩擦力增大，容易形成恶性循环使泵过早磨损。柱塞泵的滑履与配流盘PV值过高，使用水基介质时，泄漏与磨损间的矛盾目前还很难解决。在中低压场合，高压齿轮泵应是较好的选择，但要延长其
在水基介质中使用寿命还必须采取适当措施。