淺析水射流馬達(dá)

王巖+牟森

摘 要：本文對水射流技術(shù)進(jìn)行簡要概述，說明水射流技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了國內(nèi)外對水射流馬達(dá)的研究現(xiàn)狀，并對水射流馬達(dá)發(fā)展提出展望。

關(guān)鍵詞：水射流；水壓；馬達(dá)

1 水射流技術(shù)簡介

高壓水射流技術(shù)具體操作過程為采用高壓裝置將水流通過噴嘴以特定的形式噴射出來形成水射流。此項(xiàng)技術(shù)于19世紀(jì)中期在北美洲就被應(yīng)用在采礦業(yè)，后來當(dāng)增壓設(shè)備出現(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了新的高度。慢慢的，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由采礦業(yè)擴(kuò)展到冶金、石化、建筑、交通以及醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域，在市場中得到了很好的發(fā)展。

2 水射流技術(shù)的特點(diǎn)

（1）水射流技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)。水射流技術(shù)應(yīng)用于粉碎、采礦開發(fā)領(lǐng)域比較早，因而發(fā)展比較完善。其原理是主要用水射流產(chǎn)生的沖擊力來粉碎目標(biāo)物體，在純水射流中加入磨料可以增加粉碎力，形成磨料射流。水射流技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)為：能耗低，效率高；粉碎程度高，材料易分類。

水射流技術(shù)應(yīng)用在噴水推進(jìn)方面其原理是水射流時(shí)所產(chǎn)生的反推動力在操縱舵的作用下改變方向來實(shí)現(xiàn)航行器前進(jìn)，水射流技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)為：適應(yīng)變工況能力強(qiáng)；推進(jìn)效率較高。

水射流技術(shù)應(yīng)用于清洗、切割等方面比較廣泛。其原理是有效的利用水射流時(shí)產(chǎn)生的高壓動能對目標(biāo)物進(jìn)行沖擊，水射流技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)為：材料適應(yīng)性強(qiáng)，加工噪聲低；冷加工，無熱應(yīng)力，環(huán)保易控。

（2）水射流技術(shù)展望。水射流技術(shù)除具有上述應(yīng)用之外，還可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、石油工程、水處理等領(lǐng)域，水射流技術(shù)具有有效、清潔、性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但是目前各高校和科研機(jī)構(gòu)在用水射流驅(qū)動微型機(jī)械方面研究以及應(yīng)用比較有限。未來高校和科研單位的研究方向應(yīng)該是關(guān)于驅(qū)動泵、馬達(dá)、閥門等元器件。

3 國內(nèi)外水射流馬達(dá)的研究現(xiàn)狀

（1）國外研究情況。目前國際研究水射流馬達(dá)走在前沿的是美國SPX Fluid Power公司、芬蘭 HYTAROY公司、德國博世公司、丹麥 Danfoss公司、日本荏原研究所和日本小松公司等企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)。

1980年美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室研制出了壓力為710MPa、轉(zhuǎn)速為1600 r/min的海水葉片馬達(dá)。該種馬達(dá)以海水作為工作介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、方便取材、反應(yīng)靈敏、轉(zhuǎn)動慣量小等；但缺點(diǎn)是存在泄漏現(xiàn)象，以海水為工質(zhì)腐蝕嚴(yán)重，且存在磨損現(xiàn)象。德國博世公司生產(chǎn)的徑向柱塞水馬達(dá)以水為工作介質(zhì)，采用滾動軸承，可以有效增加剛度以及減小機(jī)械損失。丹麥 Danfoss 公司生產(chǎn)的低速大扭矩葉片式馬達(dá)機(jī)械性能優(yōu)良，其工作壽命可達(dá)到八千小時(shí)，目前已被廣泛應(yīng)用，但是該馬達(dá)的缺點(diǎn)是體積大、質(zhì)量重。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出以水為工作介質(zhì)的新型馬達(dá)。此種馬達(dá)解決了密封和泄漏的問題。這種新型式的水馬達(dá)是對傳統(tǒng)的配流方式革新，具有劃時(shí)代的意義。

（2）國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。國內(nèi)對水壓技術(shù)的研究較之于國外是比較晚的，水壓及水射流技術(shù)發(fā)展水平不高，國內(nèi)的文獻(xiàn)涉及水射流馬達(dá)的研究很少。華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、昆明理工大學(xué)、西南交通大學(xué)等高校開展了關(guān)于水壓技術(shù)的相關(guān)研究。其他一些研究所及企業(yè)對此項(xiàng)研究也頗感興趣。

華中科技大學(xué)開展了以海水作為介質(zhì)的液壓傳動系統(tǒng)方面的研究，研制成功了單柱塞海水液壓馬達(dá)，對中國水液壓技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。浙江大學(xué)開展了純水液壓方面的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，已經(jīng)自主開發(fā)出一批綠色液壓產(chǎn)品與裝置，包括用于反滲透海水淡化系統(tǒng)中的純水柱塞泵以及一系列的純水液壓控制閥。此外浙江大學(xué)在研究摩擦副材料領(lǐng)域也取得了卓著成效，目前已建成了國內(nèi)第一臺測試純水泵和閥性能以及壽命等相關(guān)性能的試驗(yàn)臺，指出了將水壓技術(shù)應(yīng)用到消防或者其他工業(yè)領(lǐng)域的可能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出將原來以油為介質(zhì)的內(nèi)嚙合齒輪泵改變?yōu)橛盟橘|(zhì)，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析了相應(yīng)的制造要求。昆明理工大學(xué)對以水作為介質(zhì)的外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)及制造要求進(jìn)行了深入的研究，通過實(shí)驗(yàn)分析了其工作性能。

綜上所述，國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)解決了水射流馬達(dá)的部分關(guān)鍵技術(shù)問題并且已經(jīng)投入到工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用化階段。我國水液壓傳動技術(shù)的研究還處于起步階段，目前還未能研發(fā)出具有理想使用性能及壽命的水馬達(dá)，這也限制了水壓技術(shù)在我國的推廣和利用。

（3）水射流馬達(dá)展望。海水是地球上重要的資源，隨著水資源問題日益嚴(yán)重，將海水作為工質(zhì)引起了科研單位的重視，但是由于海水的特殊性使得以海水作為工質(zhì)困難重重，原因是海水中存在著大量的雜質(zhì)和微生物，與此同時(shí)海水粘度低、潤滑性比較差、導(dǎo)電性能大等特點(diǎn)給海水液壓馬達(dá)的研發(fā)帶來了許多技術(shù)方面的問題，具體表現(xiàn)在以下方面：

1）解決泄露與密封。容積效率是科研機(jī)構(gòu)研究水射流馬達(dá)時(shí)關(guān)心的重要性能指標(biāo)，但是由于海水的粘度系數(shù)過低導(dǎo)致海水馬達(dá)的泄露量很大，因此影響海水馬達(dá)的容積效率。同時(shí)一部分部件需要在油的環(huán)境下進(jìn)行工作，內(nèi)封問題亦需要解決。

2）沖擊力矩和反推力矩平衡。水射流馬達(dá)解決了傳統(tǒng)海水馬達(dá)中存在的三對關(guān)鍵摩擦副問題，但是同時(shí)也引入了沖擊力矩和反推力矩。水射流在水射流馬達(dá)中的流動狀態(tài)屬于紊流，處于紊流狀態(tài)時(shí)的水射流的運(yùn)動軌跡不易控制，能量轉(zhuǎn)換系數(shù)有限。以上設(shè)計(jì)難題要求必須設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)和距離來研究沖擊力矩和反推力矩的作用關(guān)系用來平穩(wěn)有效的驅(qū)動水射流馬達(dá)。

3）材料腐蝕要求。海水中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，對水射流馬達(dá)的材料的性能和質(zhì)量提出了較高的要求。腐蝕現(xiàn)象會使零件的尺寸精度降低，從而致使運(yùn)動過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，嚴(yán)重會威脅零件的壽命。

4）污染敏感。海水中含有的污染物比較多，因此以海水為工質(zhì)的水射流馬達(dá)對介質(zhì)的污染非常敏感，同時(shí)這些雜質(zhì)中有些還有可能有著堅(jiān)硬的外殼，給馬達(dá)的壽命帶來影響。

4 結(jié)束語

隨著社會不斷發(fā)展和進(jìn)步，能源的開發(fā)和利用成為一個(gè)國家發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。海洋領(lǐng)域已經(jīng)成為各個(gè)國家關(guān)注的焦點(diǎn)。水射流及海水液壓技術(shù)成為近年來發(fā)展迅速的高新技術(shù)。加快此方面研究將為液壓技術(shù)帶來新的發(fā)展高度。

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作者簡介：王巖（1986-），男，遼寧錦州人，助理工程師。endprint