摘 要

随着工业领域液压系统中对工作介质要求的不断苛刻，难燃液压液在液压液应用领域内所占比例不断扩大，在高温、高压或靠近明火的液压系统中已逐步替代了矿物型液压液，发挥着十分重要的作用。

本文主要阐述了难燃液压液的类型与特点以及国内外的研究与使用现状，不同工作条件下如何选择合适的难燃液压液作为液压系统工作介质，并以船舶液压系统中的水-乙二醇难燃液压液为例子展开介绍了难燃液压液的合理选用及使用维护，提出了难燃液压液作为工作介质时的注意事项。

利用被试液压泵来对难燃液压液的进行检测，是反应出不同类型难燃液压液的使用性能的主要手段。现如今，利用液压技术作为工业机械领域能量的传递与控制的手段现已取得了长远发展，但液压元件的使用性能及安全性是国内外液压技术发展的一个难题。液压泵在液压系统中的具有重要的地位，本文在查阅了液压设计手册和国内外相关参考文献后，设计出一套具有功率回收的液压泵性能试验台液压系统，可以实现该%的能量回收，极大地减少了系统能量的浪费。该液压系统主要由动力驱动系统、功率回收系统、过滤温度控制系统、液压控制系统组成，具有一定的工程应用价值和社会意义。

关键词：难燃液液压；液压泵；功率回收；加载方式；调速方式

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Abstract

With the demanding requirements of working medium in hydraulic system in industrial field, the proportion of refractory hydraulic fluid in the field of hydraulic fluid application is expanding, and mineral hydraulic fluid has been gradually replaced in high temperature, high pressure or hydraulic system close to open fire. Plays a very important role.

This paper mainly expounds the types and characteristics of refractory hydraulic fluid and the present situation of research and application at home and abroad, and how to select suitable refractory hydraulic fluid as the working medium of hydraulic system under different working conditions. Taking the water-ethylene glycol refractory hydraulic fluid in the ship hydraulic system as an example, the reasonable selection and maintenance of the refractory hydraulic fluid are introduced, and the matters needing attention when the refractory hydraulic fluid is used as the working medium are put forward.

Using the tested hydraulic pump to detect the refractory hydraulic fluid is the main means to reflect the performance of different types of refractory hydraulic fluid. Nowadays, the use of hydraulic technology as a means of energy transmission and control in the field of industrial machinery has made a long-term development, but the performance and safety of hydraulic components is a difficult problem in the development of hydraulic technology at home and abroad. Hydraulic pump plays an important role in hydraulic system. After consulting the hydraulic design manual and relevant references at home and abroad, a set of hydraulic pump performance test-bed hydraulic system with power recovery is designed in this paper. This% energy recovery can be realized, which greatly reduces the waste of system energy. The hydraulic system is mainly composed of power drive system, power recovery system, filtration temperature control system and hydraulic control system. It has certain engineering application value and social significance.

Key words: refractory liquid hydraulic；hydraulic pump；power recovery；loading mode；speed regulation mode

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景 1

1.2 难燃液压液的研究及使用状况 2

1.3 难燃液压液的类型及特点 4

1.4 难燃液压液的合理选用及维护 6

1.4.1 以水-乙二醇难燃液压液作为船舶液压系统中的工作介质时注意事项 8

1.4.2 水-乙二醇难燃液压液的使用维护 9

1.5 课题研究的目的和意义 9

第2章 液压泵性能评定试验台技术标准及方案的确定 10

2.1 液压泵性能评定试验台的技术要求 10

2.2 液压泵性能试验的分类与相关要求 11

2.3 液压泵性能评定试验台功率回收形式的确定 11

2.3.1 非功率回收液压泵性能评定试验台 12

2.3.2 机械补偿功率回收液压泵试验系统 12

2.3.3 液压补偿功率回收系统回收液压泵试验系统 14

2.3.3.1 串联液压补偿功率回收液压泵试验系统 14

2.3.3.2 并联液压补偿功率回收液压泵试验系统 16

2.3.4 功率回收方式的确定 17

2.4 液压泵性能评定试验台系统调速方法和加载方式的确定 17

2.4.1 调速方法的确定 17

2.4.2 加载方式的确定 18

2.5 本章小结 20

第3章 液压泵性能评定试验台系统设计 21

3.1 动力驱动系统设计 21

3.1.1 被试液压泵 21

3.1.2 加载液压马达 22

3.1.3 电动机 24

3.1.5 变频器 25

3.1.5 转矩转速传感器 25

3.1.6 联轴器 26

3.1.7 支撑架 28

3.2过滤温控系统设计 28

3.2.1油箱设计 28

3.2.1.1油箱结构设计 29

3.2.1.2油箱容量的计算： 30

3.2.1.3油箱散热量计算 30

3.2.2 冷却器 31

3.2.2.1冷却器的选型 32

3.2.2.2 水冷式冷却器冷却水量的计算 32

3.2.3过滤器 33

3.3 液压控制系统设计 34

3.3.1 液压阀选型 34

3.3.2 集成块设计 35

3.4 系统管路设计 37

3.4.1 管路内径的计算 37

3.4.2液压管路的连接 37

3.5 本章小结 38

第4章 液压泵评定试验系统原理图设计 39

4.1 功率回收系统 39

4.2 液压控制和测试系统 40

图4.2 液压控制和测试系统 40

4.3 温度和污染度控制系统 40

4.4 系统原理图分析 41

4.5 系统各试验模式分析 43

4.6 试验模式及电动部件动作顺序表 45

4.7 本章小结 46

第5章 总结与展望 47

5.1 全文总结 47

5.2 展望 47

参考文献 49

致谢 51

第1章 绪论

1.1 选题的背景

工作介质是液压系统的生命血液，没有它液压系统中各类元件难以沟通成一个有机的整体，依靠流体类工作介质来传递能量动力是任何液压系统中都不可改变的方式，因此工作介质的安全性和可靠性在液压系统工作中发挥着十分重要的作用。据统计分析，液压系统中75%~85%的故障与工作介质有关^[6]。因此在液压系统中正确地选用、使用和维护系统工作介质，是避免液压系统故障发生的有效手段，是保障液压系统正常安全、可靠运行的重要途径。

伴随着现代化工业生产面向高温、高速和大容量等主要方面的快速发展，所面临的生产安全问题也日渐突出，以解决因油品喷溅、泄露引起的爆炸和火灾事故损坏机械设备和危害操作人员的安全健康等问题越来越成为人们关心的重要课题。当今，世界上许多国家已经在液压系统中采用难燃性液压液，难燃性液压液以其在系统工作时具有较普遍矿物油更好的抗燃性和优异的使用寿命等特性，使得工业生产中火灾和爆炸等事故的发生几率大大减小。因此，国内许多易发生火灾和爆炸事故的领域中的液压系统已逐渐采用难燃性液压液，其中就包括船舶领域的液压系统。

难燃液压液是一种以有机酸脂作为混合液的基础油，通过添加不同的化学物质来达到不同的预期使用性能，普遍具有极强的抗燃烧性和很强生物降解性的难燃液压液。难燃液压液不仅具有优异的防锈性能、抗氧化性能、防泡沫性能和防磨损性能，还能够使油品遭遇明火或与高温表面接触时发生火灾和爆炸事故的机率降到最低，是一种使用性能比传统液压油更为理想的液压系统工作介质。

液压液早期国内外船舶液压系统大多采用矿物油型液压液作为系统工作介质。但由于矿物油型液压液具有易燃烧的缺点，在遇到突发状况时油液常常会燃烧从而导致重大事故的发生，对船舶及船舱操作人员的安全造成很大的威胁。因此在第二次世界大战末，美国等西方国家开始研制不易燃烧的难燃性液压液作为船舶液压系统的工作介质，以此来提高船舶及工作人员的安全性^[12]。

难燃液压液的首次应用是在飞机液压系统中，随后逐步在其他工业推广应用开来，主要应用有冶金、电厂、机械加工、采矿等已接近高温明火的行业液压系统，大大降低了矿物油型液压液由于泄露而引起的火灾和爆炸事故发生的机率。同时，面临着液压技术的迅猛发展，液压设备工作环境的日益苛刻以及液压设备不断的升级优化，对于工程液压行业领域安全问题的要求不断提高，使得各种类型的难燃性液压液不断地完善和发展，以满足工程系统的需要。

1.2 难燃液压液的研究及使用状况

难燃液压液凭借其相对与矿物油型液压液不易燃烧和爆炸的突出优点，使得国内外相关领域加大了关于难燃液压液的研究及使用，在此期间，不仅开展了相应的性能实验研究和不同类型的对比分析，而且通过长期的行业使用积累了丰富的时间经验。

现如今，国内外的船舶领域中，已普遍采用难燃液压液作为系统的工作介质，主要使用的产品为水基难燃液，其中水-乙二醇难燃液压液的应用数量最多。在军事船舶中，为了更好的保证船舶的安全性和适应环保要求，也已经大量使用水基难燃液压液。同时，法国、英国、日本等发达国家，出于安全问题的考虑，也都在船舶液压系统中使用难燃液压液作为工作系统工作介质。前苏联船舶上的高压液压系统和潜艇一直使用黏度较低、低温性较好的液压液，最早使用的产品牌号为AY锭子油，后改用符合TOCT25821规范的πB型难燃型液压液使用至今^[16]。中国在水-乙二醇难燃液压液方面也开展了很多研究，已经有了一定的技术基础，投入生产使用的产品已具有一定规模。但由于开始研究的时间晚于发达国家，试验方式没有及时更新，使得产品质量和产品指标都不能和发达国家相比较。

HFC型液压液是难燃液压液中研究使用是最长远的，国外关于此类型液压液的应用历史已经超过了70年，而国内也有30多年的应用历史，是目前化工、冶金和铸造等行业的液压设备广泛采用的工作介质之一。早在20世纪50年代初期，美国就已经开始了关于水-乙二醇液压液的研制工作，70年代后，随着环保要求越来越被人们关注，更多国家开始深入研究，针对水-乙二醇液压液的专利申请不断涌现出来，其中较为优异的有日本三洋化工的Fumihide Genjida、Motohiko Li、Toyoaki Nasuno在1976年利用合成的聚酰胺的水溶性聚合物和嵌合环氧乙烷来增强水-乙二醇的抗磨性，紧接着他们又其进行了改进，以嵌合环氧乙烷和不含氮的多羟基醇的水溶性聚合物来替代原先的，使其性能更为优异，并在1980年申请了美国专利US4233170^[15]。到了20世纪90年代后，水-乙二醇难燃液压液的市场需求不断上升，应用领域范围更是不断扩大。

国外的很多公司经营的润滑油也均有水—乙二醇液压液系列产品，例如，美国Houghton公司、英国BP石油公司、德国PETEOFER CHEMIE公司和日本COSMO公司等^[13]。现如今，水-乙二醇液压液已经是很多国家工业设备行业使用的工作介质的主流。我国在20世纪80年代初期，才开始研究制造水-乙二醇液压液，低泡沫水-乙二醇液压液在1995年研制并投入生产使用。2008年，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院参照ISO 12922-1999起草发布了水-乙二醇液压液产品标准GB/T 21449-2008（表1.1），其中对油品的粘温特性、PH值、泡沫特性等都做了详细的要求。为了满足越来越被重视环境保护要求，水基液压液凭借其阻燃性和环境友好的优点，已然成为各国研究生产所关注的热点。

表1.1 GB/T 21449-2008水—乙二醇液压液产品标准

美国曾在1979年依靠舰船内特殊的密封环境作为测试用于船舶的难燃液压液的可燃性、毒性、腐蚀性以及对外界环境的污染性，通过各种试验手段分析了有可能导致船舶液压液泄露发生火灾或爆炸的多种失效模型，通过一系列试验后专家们得出了不同类型的难燃液压液都具有与其他一定独属于自己的优缺点的结论，因此在特定的设备和环境条件下，要采取一定的折中办法去选择适应该工况下的难燃液压液^[20]。由此不难看出，难燃液压液不仅种类繁多，而且各个类型所具有的特性还不尽相同，促进了各国对于难燃性液压液的深入研究和广泛使用。

俄罗斯的民用舰船上普遍使用了难燃液压液，所采用是在水-乙二醇基础上添加甘油、聚乙烯等添加剂研制成的难燃液压液，具有很好的抗磨性、抗摩擦性，使用效果十分优异。

1999年，中国石油化学科学研究院研制出了高含水量抗燃液压液HWF^[17], 2004年广州石油化工学院的庞重军曾对高含水量液压液HWF综合润滑性能进行了研究改进，试验得出了油性剂油酸二经胺皂的最佳添加量为1.0%，通过对比泵试验台结果，优化改进的新型高含水量液压液HWF的综合使用性能明显优异于改进之前的液压液，现已投入生产使用中。

1.3 难燃液压液的类型及特点

所谓难燃性液压液（表1.2），并非绝对不燃。液压液的难燃性应该包括两个方面：一方面指在明火或高温条件下液压液具有抵抗燃烧的能力，或具有使火焰不会矿大和传递的性能；另一方面是指在压力作用下发生物理状态变化时液压液具有抵抗自燃的性能，即具有抗压燃性能。

表1.2 难燃性液压液的分类

难燃液压液主要有下列几种类型：

（1）HFA液压液：HFA液压液名高水基液压液，国际上常简称为HWCF液压液或HWBF液压液。它由95%的水与5%含有多种添加剂的浓缩液调制而成，国际上主要有下列不同品种供应市场：

1）HFAE液压液：HFAE液压液又名高水基乳化液或水包油乳化液。它是由95%的水与5%的矿物油（或其他类型油液）及乳化液、缓冲剂、防腐剂等组成的浓缩液调制而成。它的缺点是乳化稳定性差，油水易分离，润滑性不好，过滤性差，目前国外很少用它作为液压系统的工作介质。

2）HFAS液压液：HFAS液压液又名高水基合成液。其中不含油，由95%的水和5%含有多种水溶性（或半水溶性）添加剂的浓缩液调制而成，为透明状。其润滑性、过滤性等均比HFAE液压液好。

3）HFAM液压液：HFAM液压液又名高水基微乳化液。它是由95%的水与5%由矿物油（或其他类型油）及多种化学添加剂所组成的浓缩液调至而成。

采用高水基液压液作为液压系统工作介质具有以下优点：①难燃行极好。②价格便宜。③节约石油资源。④污染少，废液便于处理。有些牌号的高水基介质具有良好的生物降解作用，其生物耗氧量（BOD）很低，可以不经处理直接排放。⑤节约运输及仓库费用。因为95%的水是在使用时加入的，只有5%的浓缩液需要运输和储存，所以可减少95%的运输及仓储费用。⑥广泛受到操作人员的欢迎。高水基液压液无毒、无刺激性，泄露的液体不仅不会弄脏机器和地面，反而具有良好的洗涤作用。但是高水基介质的理化性能因所加添加剂性能的不同而差别很大。另外，它与矿物油相比，具有粘度低、汽化压力高、润滑性差等严重缺点。HFA液压液为碱性溶液，对锌、铝、镉、镁等轻金属有一定的腐蚀性；对纸、皮革、软木、石棉及聚氨酯、硅酮橡胶、乙丙稀橡胶等不相容，与一般油漆也不相容。传统的油压元件与它并不完全适应必须进行改进、降压使用或重新研制。

1. HFB液压液：HFB液压液又称油包水乳化液。它是由60%的矿物油、40%的水及多种添加剂借助乳化液的作用形成相对稳定的乳化混合体。水以分散颗粒的形式分布在作为连续相的水中，形成油包水乳化液。

HFB液压液具有以下优点：①由于含有60%的矿物油，因此具有良好的润滑性及抗腐蚀性，其润滑性要比HFA液压液及HFC液压液好；②与油压系统常用的密封材料、涂料及金属材料（镁除外）有较好的相容性；③具有较好的抗燃性，而其价格有较低廉。

HFB液压液的主要缺点有：①乳化稳定性差，由于尘埃污染、使用温度较高或较低、储存时间较长、反复通过较精细的过滤器等因素，均可能导致乳化液分离（这个缺点对HFAE液压液同样存在）；②为两相非牛顿流体，其粘度常因受强烈剪切作用而降低；③过滤性能较差；④容易产生气蚀。

1. HFC液压液：HFC液压液又名水-乙二醇，其含水量约为45%，其余为能溶于水的乙二醇、丙二醇或它们的聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、缓蚀、消泡等添加剂，是现如今靠近明火或高温表面液压系统中最常用的一种难燃液压液。HFC液压液为透明的真溶液。

HFC液压液具有以下优点：①凝点低，适于低温环境下工作，其使用温度范围为-20～50°C；②稳定性好，使用寿命长；③接近液压油的粘度，同时粘温特性好。

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