淺析水射流馬達

王巖+牟森

摘 要：本文對水射流技術進行簡要概述，說明水射流技術的特點，闡述了國內外對水射流馬達的研究現狀，并對水射流馬達發展提出展望。

關鍵詞：水射流；水壓；馬達

1 水射流技術簡介

高壓水射流技術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。此項技術于19世紀中期在北美洲就被應用在采礦業，后來當增壓設備出現，此項技術的發展達到了新的高度。慢慢的，其應用領域逐漸由采礦業擴展到冶金、石化、建筑、交通以及醫學等相關領域，在市場中得到了很好的發展。

2 水射流技術的特點

（1）水射流技術在不同應用領域的特點。水射流技術應用于粉碎、采礦開發領域比較早，因而發展比較完善。其原理是主要用水射流產生的沖擊力來粉碎目標物體，在純水射流中加入磨料可以增加粉碎力，形成磨料射流。水射流技術在這個領域的應用優點具體表現為：能耗低，效率高；粉碎程度高，材料易分類。

水射流技術應用在噴水推進方面其原理是水射流時所產生的反推動力在操縱舵的作用下改變方向來實現航行器前進，水射流技術在這個領域的應用優點具體表現為：適應變工況能力強；推進效率較高。

水射流技術應用于清洗、切割等方面比較廣泛。其原理是有效的利用水射流時產生的高壓動能對目標物進行沖擊，水射流技術在這個領域的應用優點具體表現為：材料適應性強，加工噪聲低；冷加工，無熱應力，環保易控。

（2）水射流技術展望。水射流技術除具有上述應用之外，還可以應用到醫學、石油工程、水處理等領域，水射流技術具有有效、清潔、性能優良、節能環保的優點，但是目前各高校和科研機構在用水射流驅動微型機械方面研究以及應用比較有限。未來高校和科研單位的研究方向應該是關于驅動泵、馬達、閥門等元器件。

3 國內外水射流馬達的研究現狀

（1）國外研究情況。目前國際研究水射流馬達走在前沿的是美國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和科研機構。

1980年美國海軍工程實驗室研制出了壓力為710MPa、轉速為1600 r/min的海水葉片馬達。該種馬達以海水作為工作介質，其優點是體積小、方便取材、反應靈敏、轉動慣量小等；但缺點是存在泄漏現象，以海水為工質腐蝕嚴重，且存在磨損現象。德國博世公司生產的徑向柱塞水馬達以水為工作介質，采用滾動軸承，可以有效增加剛度以及減小機械損失。丹麥 Danfoss 公司生產的低速大扭矩葉片式馬達機械性能優良，其工作壽命可達到八千小時，目前已被廣泛應用，但是該馬達的缺點是體積大、質量重。東京工業大學開發出以水為工作介質的新型馬達。此種馬達解決了密封和泄漏的問題。這種新型式的水馬達是對傳統的配流方式革新，具有劃時代的意義。

（2）國內的研究現狀。國內對水壓技術的研究較之于國外是比較晚的，水壓及水射流技術發展水平不高，國內的文獻涉及水射流馬達的研究很少。華中科技大學、浙江大學、北京工業大學、昆明理工大學、西南交通大學等高校開展了關于水壓技術的相關研究。其他一些研究所及企業對此項研究也頗感興趣。

華中科技大學開展了以海水作為介質的液壓傳動系統方面的研究，研制成功了單柱塞海水液壓馬達，對中國水液壓技術的發展具有深遠影響。浙江大學開展了純水液壓方面的基礎與應用研究，已經自主開發出一批綠色液壓產品與裝置，包括用于反滲透海水淡化系統中的純水柱塞泵以及一系列的純水液壓控制閥。此外浙江大學在研究摩擦副材料領域也取得了卓著成效，目前已建成了國內第一臺測試純水泵和閥性能以及壽命等相關性能的試驗臺，指出了將水壓技術應用到消防或者其他工業領域的可能。哈爾濱工業大學提出將原來以油為介質的內嚙合齒輪泵改變為用水介質，并且根據實驗的結果分析了相應的制造要求。昆明理工大學對以水作為介質的外嚙合齒輪泵的結構及制造要求進行了深入的研究，通過實驗分析了其工作性能。

綜上所述，國內外相關科研機構已經解決了水射流馬達的部分關鍵技術問題并且已經投入到工業生產和應用化階段。我國水液壓傳動技術的研究還處于起步階段，目前還未能研發出具有理想使用性能及壽命的水馬達，這也限制了水壓技術在我國的推廣和利用。

（3）水射流馬達展望。海水是地球上重要的資源，隨著水資源問題日益嚴重，將海水作為工質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困難重重，原因是海水中存在著大量的雜質和微生物，與此同時海水粘度低、潤滑性比較差、導電性能大等特點給海水液壓馬達的研發帶來了許多技術方面的問題，具體表現在以下方面：

1）解決泄露與密封。容積效率是科研機構研究水射流馬達時關心的重要性能指標，但是由于海水的粘度系數過低導致海水馬達的泄露量很大，因此影響海水馬達的容積效率。同時一部分部件需要在油的環境下進行工作，內封問題亦需要解決。

2）沖擊力矩和反推力矩平衡。水射流馬達解決了傳統海水馬達中存在的三對關鍵摩擦副問題，但是同時也引入了沖擊力矩和反推力矩。水射流在水射流馬達中的流動狀態屬于紊流，處于紊流狀態時的水射流的運動軌跡不易控制，能量轉換系數有限。以上設計難題要求必須設計合適的結構和距離來研究沖擊力矩和反推力矩的作用關系用來平穩有效的驅動水射流馬達。

3）材料腐蝕要求。海水中含有大量的腐蝕性物質，對水射流馬達的材料的性能和質量提出了較高的要求。腐蝕現象會使零件的尺寸精度降低，從而致使運動過程中出現卡死現象，嚴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，因此以海水為工質的水射流馬達對介質的污染非常敏感，同時這些雜質中有些還有可能有著堅硬的外殼，給馬達的壽命帶來影響。

4 結束語

隨著社會不斷發展和進步，能源的開發和利用成為一個國家發展和進步的重要因素。海洋領域已經成為各個國家關注的焦點。水射流及海水液壓技術成為近年來發展迅速的高新技術。加快此方面研究將為液壓技術帶來新的發展高度。

參考文獻：

[1]沈忠厚.水射流理論與技術[M].東營：中國石油大學出版社，1997：1-2.

[2]薛勝雄等.高壓水射流技術與應用[M].北京：機械工業出版社，1998：1-2.

[3]楊林等.水射流技術的發展及應用[J].洗凈技術，2004，2（01）：9-13.

作者簡介：王巖（1986-），男，遼寧錦州人，助理工程師。endprint