将水液压技术推向更广阔的应用空间（访谈）
来源：液压气动与密封时间：2020-07-19发布人：奇夏小编辑
将水液压技术推向更广阔的应用空间
——访华中科技大学机械科学与工程学院水液压技术研究团队随着低碳经济的兴起，资源节约型和环境友好型的绿色制造成为现代机械工程发展的重要目标之一。从全生命周期的角度综合考虑，水液压传动的能源、资源、物力及财力消耗要远远低于油压传动和其他介质的液压传动，是理想的绿色技术和安全技术，在食品、饮料、医药、电子、包装等对环境污染要求严格场合，在冶金、热轧、铸造等高温明火环境，在海水淡化、海上救捞、海洋资源调查、船舶工程、海洋建筑以及内陆水库大坝、港口码头和河道工程的检测与维护等领域，均具有广阔的应用前景。从1795年世界上第一台水液压机算起，水液压传动技术的发展已有200多年的历史；从20世纪60年代，美国军方开展水下作业工具的研究算起，水液压传动技术已发展了半个世纪。水液压传动技术的快速发展始于20世纪90年代。在我国，从20世纪80年代初期开始，陆续有高校和科研院所开展水液压传动技术研究。华中科技大学是国内最早开展水液压传动技术及其基础理论研究工作的单位之一，学术带头人是李壮云教授。李壮云教授在条件艰难的情况下，经过多年努力，为海淡水液压技术的研究奠定了基础，更可贵的是他培养了一批献身水液压技术研究的学科继承人。在朱玉泉教授、张铁华教授、杨曙东教授的共同努力下，已发展成如今拥有3名教授，7名副教授以及40余名博士、硕士研究生的水液压技术研究团队，团队负责人是现任华中科技大学流体动力控制工程系主任刘银水教授。进入21世纪以来，华中科技大学水液压技术研究团队实现了多项水液压技术的研究突破：研制了全深度超高压海水泵、控制阀组及可调压载系统，在国际上首次用于万米水下；不断在系列高品质单相细水雾技术与装备方面进行创新；开展矿用高压超大流量水液压元件研究，构建我国矿用水液压元件的技术体系……。他们坚信水液压技术以其绿色、环保的突出优势，将为传统应用领域带来革新，为新兴领域带来创新应用，把正在崛起的水液压技术，推向更广阔的应用空间，助推中国水液压技术尽早跨入世界先进水平行列。由于液压油存在易燃和污染两大严重缺点，使得油压传动不仅在诸如食品、饮料、医药、电子、包装等行业难以推广应用，而且在冶金、热轧、铸造等高温明火场合以及煤矿井下等易燃易爆环境的应用也逐渐失去优势。为了消除易燃这一严重缺点，一系列难燃液，如高水基液压液（HFA）、油包水乳化液（HFB）、水—乙二醇（HFC）及合成型难燃液（HFD）等相继被开发出来，以取代液压油而用于高温明火环境或煤矿井下。然而，使用这些难燃液时，仍然存在污染严重、价格昂贵以及要求更苛刻的贮存、维护和监测等缺点，使其难以广泛推广应用。如果从与环境友善、难燃、保证安全生产以及清洁卫生、与产品相容等多方面的要求来看，只有水才是最理想的液压系统工作介质。所以水液压技术已成为国际液压界和工程界普遍关注的热点，这也是水液压技术能够崛起并持续发展的根本动力。现代水液压技术的崛起所具备的学科基础是18世纪末和19世纪初所无法比拟的。材料学的发展为水液压元件的选材提供了保障；现代设计理论的发展为水液压元件的设计提供了保障；先进制造技术的发展为水液压元件的制造提供了保障。还有其他相关学科的发展，如润滑与摩擦学、流体力学、表面工程等，均为水液压传动的发展提供了必要的学科基础。现代水液压传动技术是以相关学科为基础发展起来的，具有显著的高新技术特征。现代水液压传动技术一般指以没有加任何添加剂的水作为工作介质的液压传动，包括天然水（海水和淡水）和根据需要处理过的水（去矿物质水、自来水、去离子水、蒸馏水）。水液压技术可以根据压力高低来分类，也可以按照工作介质分为海水液压传动和淡水液压传动。海水液压元件是深海装备核心基础件，是推进我国海洋战略由近浅海向深远海转移的重大需求，也是国家强基工程重点攻关和扶持领域。
李壮云教授是我国水液压技术的开创者。1980年他赴美国俄克拉亥马州立大学流体动力研究中心进修水基介质液压传动专业，2年后回到华中工学院，开启高水基液压技术的研究工作，是中国水液压技术研究的奠基人之一。在李壮云教授的积极倡导和努力下，华中科技大学成为国内最早开展水液压传动技术及其基础理论研究工作的高校。后来，先后开设水液压传动方向研究的还有浙江大学、北京工业大学、大连海事大学等高校，其学科带头人的渊源均可追溯到华中科技大学。水液压技术在国内的一个重要应用项目，是20世纪90年代初研制的一台用在舰艇上的水液压泵，用于替换原有泵，该项目就是由李壮云教授牵头的。当时因受国内工业制造水平所限，设计该泵时选择的材料等级、压力体系等都比较落后，李壮云教授带领团队，克服重重困难，圆满完成了水液压技术在海洋装备中的应用。随后他又带领团队完成了两种型号的潜艇水液压阀，并装艇应用至今。液压工具由于其功率密度大、作业能力强，是陆地和水下重载作业的主要驱动形式。“六五”期间就有研究院所和高校开展相关研究工作，但都是以矿物油作为工作介质，存在油液泄漏污染等弊端。针对此问题，李壮云教授大胆提出了采用海水直接作为工作介质取代矿物油的设想，这个设想引起军方的浓厚兴趣。20世纪末期经过近5年的方案不断调整和完善，2000年海水液压水下作业工具项目终于立项，但研制周期只有2年，这是李壮云教授退休前作为负责人完成的最后一个重大项目，也是当时华中科技大学最大的项目，项目经费达280万，受到了学校的高度重视。海水液压水下作业工具项目2002年冬季在南海圆满完成海试。该项目的完成具有特殊意义，因为以前研发的舰艇和潜艇上的水液压产品，其实际作业环境是在一个密闭空间，没有耐压要求。海水水下作业工具是完全在海水中作业，有严格的耐压要求。这个项目让水液压技术取得了系统性的研发成果，为水液压技术的进一步推广应用奠定了很好的基础，增强了团队推动水液压技术发展和应用的信心。
2002年，师从李壮云教授攻读博士的刘银水取得博士学位后，进入华中科技大学材料科学与工程博士后流动站工作，2004年出站后被留校任教，接过导师的接力棒，将水液压技术研究与应用，推广到新的领域和国家重点工程、重点装备国产化配套项目中。2006年前后，水液压技术的应用出现了空窗期，因为海洋装备零部件的更换周期比较长，而其他领域的推广尚未打开，当时水液压元器件的性价比还满足不了其他用户需求，全面推广只能等待时机。刘银水在这个时期做了一个前瞻性的思考，水液压技术的优势在深海中更为明显，可以深挖水液压技术在深海海洋装备中的应用潜力。在深海超高外压、高负荷以及悬沙海水的相互强化作用下，水液压产品面临提深度、增效率、延寿命的国际难题。长期以来，受限于薄弱的液压基础件水平，我国在该领域一直处于空白，高压柱塞泵更是被公认为深海装备的卡脖子技术之一，严重制约了海洋重大工程和装备的发展。2006年，刘银水带领团队开始聚焦深海水液压技术的研究。他大胆思考，积极探索，带领团队努力寻找项目合作机会。这一年，刘银水拿着一台试制的海水液压元件样品去天津航保部谈合作，接待他的高工很惊讶，没想到他真的能拿着样品来，谈话中被刘银水表达的诚意和信心深深感动。上级领导听取这位高工的汇报并经研究后，决定立项订制两套深海水液压动力源及作业工具系统，项目研发经费共168.6万元。2008年，该项目成功通过验收，这是刘银水第一次作为牵头人完成的科研项目，亲身经历了项目规划、开展、试制、试验、装配调试等等每一个环节，是一次难得的实践历练的机会，让他学会了更加认真深入地思考问题，更加注重细节。这个科研项目成功以后，团队坚定了做深海水液压技术研究的路线。在国家项目持续资助下，经过近20年的探索创新，在耐超高环境压力结构原理、超高压高速高效动密封、重载摩擦副抗污染磨损材料及工艺等领域公认的瓶颈技术方面取得突破性进展，发展和创建了新的技术体系，实现了我国深海海水液压元件从无到有、从浅到深的技术跨越，填补了万米海水液压元件的国际空白，应用范围覆盖海洋全深度全海域。
◆研制的全深度超高压海水泵、控制阀组及可调压载系统已交付我国在建“全海深载人潜水器”进行总装，可耐144MPa外压，海水泵工作压力120MPa时的流量为1.85L/min,集成控制阀组工作压力120MPa时实现零泄漏，系统动作可靠，运行平稳，满足了我国自主研发建造的全新一代载人潜水器“全海深载人潜水器”的功能和技术指标要求，实现了万米级海水可调压载技术的新突破。◆研制出的压力73MPa的超高压海水泵及控制阀组，应用于“蛟龙号”载人深潜器，采用无高压动密封圈的结构极大地提高了元件的可靠性和寿命，为在蛟龙号的成功应用成功应用提供了保障。◆研制出超高压海水泵应用于4500米载人深潜器“深海勇士号”可调压载系统，压力48MPa时流量为5.8L/min，总效率可达83.9%，为4500米载人潜水器可调压载系统功能的实现提供了可靠保障。◆研制出海水泵、浮力自适应系统和疏水系统等，满足了几代水下大型AUV、运载平台以及潜艇、深潜救生艇等重大装备的需求。中央电视台也以“海水泵：小设备，大作用”为题对项目成果进行了报道。团队获奖科研项目有：“海水液压动力系统”2004年荣获国防科技进步奖二等奖；“大深度海水液压元件关键技术及应用”2016年荣获湖北省技术发明一等奖；“一种全深度浮力调节海水泵，ZL 201210169993.6”2016年荣获湖北专利奖金奖；还有项目在2017年荣获中国船舶重工集团公司科技进步一等奖。
深海海水液压元件的科研取得较大突破后，刘银水思考下一步工作是将现有的技术积累转化到其他领域，拓展水液压技术的应用领域。 近年来，基于人们对生态环境保护、安全生产以及节约能源的日益重视，西方国家制订了一系列相应的法律、法规，以利于国民经济的持续发展。因此，在各个领域得到广泛应用的液压技术也必须向安全、卫生及与环境友善的方向发展。这给水液压产品在一些安全、环保要求严格的领域，替换其他介质液压产品提供了机会。煤炭在我国一次能源消费结构中占到60%以上，煤炭的绿色高效开采是我国长期面临的重大需求。液压支架是煤矿开采的关键装备，每个工作面由100～200台液压支架组成庞大的支护设备群，提供安全生产空间。高压泵是液压支架的心脏，其作用是通过将工作介质增压，为液压支架的动作提供动力。随着煤矿开采高产高效的发展，液压支架高压泵面临两大发展趋势：一是压力和流量不断提高，压力由目前的31.5MPa提高到37.5MPa，流量由目前的400L/min提高到1000～2000L/min，单台泵的功率已超过1MW。其次，传统的高压泵采用高水基乳化液作为工作介质，导致每年约有300多万吨乳化液排放至井下，造成非常严重的、永久性的、大面积的水体污染，甚至部分矿井水源地也已遭到严重破环，涉及全国16个省份。直接以不加任何添加剂的水为工作介质具有绿色、环保的突出优势，已成为行业的关注焦点和未来的发展方向。近年来，刘银水带领团队深入煤炭科工集团、郑煤机、无锡煤机等煤炭装备企业进行技术推广，当用户了解到他们取得的深海水液压研究成果和系统化的技术积累后，开始重视水液压技术，已经把配套水液压元件作为重要的发展方向。面向煤矿开采需求，刘银水团队开展了高压大流量水液压泵和控制阀的材料以及设计理论与方法的研究，并正在开展压力40MPa、流量1200L/min，压力40MPa、流量1600L/min的高压大流量水泵的设计以及控制阀的设计工作，重新构建我国矿用液压元件的动力体系。目前已有水液压元件样机在煤炭装备中试用。2019年，团队联合几家煤炭装备企业制定了水液压的第一个标准——《水液压系统通用技术条件》团体标准，入选2019年工信部团体标准应用示范项目。中国煤炭装备是液压产品非常大的存量市场，在该领域的替换推广，将是一个突破口，为水液压拓展其他传统应用领域打下基础。团队同时还关注特殊工况的工程机械、港口机械等领域，已经与一些工程机械企业做了技术交流和探讨，双方都认为中小功率的工程机械完全可以用水液压元件进行替换。为此刘银水计划分步实现这些领域水液压技术的突破，第一步是功能实现，第二步是性能实现。“也许短期内达不到油压技术在工程机械、港口机械上应用的成熟度，但是相信主机企业都能看到水液压技术的优势和亮点。”刘银水对此颇有信心。
除了在传统应用领域对油压元件的技术革新、更新替代，刘银水团队还承担了一些通用机械领域水压动力元件的研发项目，如雾化、清洗、海水淡化装备水压泵等。作为动力元件的水泵应用量比传动系统液压泵的应用量更大，应用面更广，而且电气传动无法替代。Danfoss公司的水液压产品就包含两部分，一是流体传动及控制元件（即传统定义的液压元件），二是流体动力元件，后者没有流体传动中的机械能-压力能-机械能的转化过程，而仅仅是完成机械能-压力能的转换，其终端可能是喷嘴、润滑部件、渗透膜等，由于水泵采用液压泵的结构原理，因此比普通水泵的体积更小、转速更快、功率密度更高。在国家自然科学基金等项目的支持下，刘银水团队取得了系列高品质单相细水雾技术与装备的重要创新成果。单相细水雾是指将水通过由动力源、压力控制部件以及雾化喷头等核心部件组成的装备雾化成的具有一定动量的微水雾滴，兼具高温易气化、降温速度快以及对红外波的衰减和散射等突出性能，是国家重大工程和装备实现安全防火、红外隐身等关键技术手段。由于使命特殊，同时资源和空间约束紧张，重大装备对细水雾品质提出了严格要求：动力源低振动，复杂管网低脉动冲击，大规模喷射高效高可靠，从而对细水雾装备及其动力源、压力控制和终端雾化提出了巨大的挑战。高品质单相细水雾技术与装备在航空、航天、航海上的成功应用也是水液压技术拓展新应用领域的重大突破。为此，刘银水建议行业把水液压产品定义得更广一些，不仅仅局限于流体传动元件，还包含流体动力元件，统称为水液压技术，而不是水液压传动技术。刘银水团队的研究方向，一是流体动力传动领域的水液压元件，二是通用机械领域的水液压动力元件，也因此，华中科技大学也将专业方向定名为“流体动力控制工程系”。
欧洲把水液压技术列为EUREKA新技术发展规划重点资助项目之一，德国、英国、芬兰、瑞典等均开展了相关研究。日本流体动力协会成立了水液压驱动系统研究委员会（Research Committee of aqua drive system），组织有关大学和公司共同开展水液压技术的研究。国外开展水液压传动研究的大学有：坦佩雷理工大学（芬兰）、林雪平大学（瑞典）、赫尔大学（英国）、普渡大学（美国）、亚琛大学（德国）、丹麦技术大学、南洋理工大学（新加坡）、卢布尔雅那大学（斯洛文尼亚）、上智大学（日本）、静冈大学（日本）等。国外生产或研究水压技术的公司有：Danfoss（丹麦）、Waterhydraulics（英国）、Elwood Corp.（美国）、Oilgear Company（美国）、Hytar OY（芬兰）、HauhincoTrading（德国）、Ebara Research Co. Ltd（日本荏原综合研究所）等。其中丹麦Danfoss公司、英国Water hydraulics公司生产的水压元件比较齐全，涵盖系列化的海淡水液压元件，包括泵、马达、缸及控制阀等。中国机械工程学会流体传动及控制分会也于2010年成立了水液压技术专业委员会，为国内从事水液压技术研究的高校、科研院所和企业搭建交流平台，从2011年12月在湖北武汉华中科技大学成功召开了第一届全国水液压技术研讨会开始，每年举办一次年会，来自高校、企业、研究所的代表就我国水液压技术已取得的成果及未来的发展趋势和方向展开深入交流。中国液压气动密封件工业协会为推动水液压技术的国际交流与合作，曾于2016年与日本流体动力工业会共同举办“2016中日流体动力水液压技术交流会”，会议邀请中日行业专家做技术专题报告，内容包括：日本水压传动系统技术的发展情况；中国有关高校在消防、海水液压元件、海水淡化等方面所做的研究工作；德国开展水液压研究的情况等。会议还围绕中日双方合作推进水液压传动系统国际标准的制定、推进水液压应用技术的发展等展开了深层次的讨论。水液压传动技术在我国正引起政府部门、高校、研究所和企业的重视。华中科技大学、浙江大学、大连海事大学、燕山大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、西南交通大学、昆明理工大学、兰州理工大学、南昌大学、武汉纺织大学、中国海洋大学、安徽理工大学、广西大学等科研院所均结合自己的优势，开展了水液压传动技术的研究，研究内容包括水压传动基础技术、元器件开发及水压传动技术应用等，但从整体水平来看，同国际先进水平相比还有较大差距。
同油压传动技术相比，水液压传动技术目前还存在以下特点：◆水液压元件的种类和规格没有油压元件齐全。水液压系统的元件品种目前还比较单一，可供选择的余地很小。以泵为例，目前商品化的水液压泵基本为柱塞泵。◆水液压元件的价格比油压元件昂贵。水液压元件由于受材料、工艺因素以及目前生产和应用规模影响，其一次性投资的成本为油压元件的1～3倍。但需要注意的是，水液压系统的后期使用维护成本比油压系统低，因此从整个寿命周期来看，两者的价格相差并不大。◆水液压技术的应用还没有油压技术普遍。就使用范围来讲，水液压技术的应用目前还远远比不上油压传动。这与目前水液压传动技术的成熟程度有关，也与水液压传动技术的自身特点和不足有关。◆水液压系统的运行范围较油压系统窄。水在零度以下会结冰，温度高了会汽化。所以其使用的温度范围较油压系统要窄很多，如果不做特殊处理，一般推荐在3℃～50℃范围内使用。为了适应水液压传动技术的应用领域不断扩大的需要，一方面需要扩大和完善水液压元件的品种规格，既包括普通传动元件，也包括比例/伺服控制元件的开发。另一方面，不断进行技术创新，采用相关学科，特别是材料学科的最新研究成果，不断提高水液压元件和系统的工作性能和可靠性。可以相信，随着水液压技术的不断发展，其应用范围也将越来越广泛。华中科技大学无锡研究院成立了海洋特种泵阀研究所，该所依托华中科技大学液压气动技术研究中心，开展海淡水液压传动技术及应用的研究，承担项目成果转化的各项工作，致力于提升水液压产品的稳定性和一致性。刘银水教授在中国液压气动密封件工业协会主办的“PTC ASIA 2017高新技术展区国际技术交流报告会”上作有关水液压技术专题报告时说：“高校作为科研重地，要充分发挥技术引领与创新应用的作用，向更多新兴行业渗透推广绿色高效的水液压技术，激发更多的市场需求，让水液压产品为国家创造更多的社会和经济效益，促进水液压技术应用水平的提升，让我国水液压技术尽早跨入世界先进水平行列。”
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