純水液壓缸在農(nóng)業(yè)液壓水壩中的應(yīng)用研究

張燕，范南坤，劉力瑗

（1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東滕州 277569；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

1 水液壓技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展

我國(guó)是個(gè)極度缺水的農(nóng)業(yè)大國(guó)，且由于森林面積的減少及近年來生態(tài)環(huán)境受到影響，在很多方面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都受到了一定的影響[1]。隨著農(nóng)業(yè)的工業(yè)化發(fā)展，在某些方面也給環(huán)境帶來了一定程度的影響，因此水資源的合理利用與農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的環(huán)保技術(shù)正逐漸被人們所重視。目前農(nóng)機(jī)具潤(rùn)滑系統(tǒng)使用環(huán)保可降解潤(rùn)滑油技術(shù)在一些國(guó)家正嘗試應(yīng)用[2]，一些高校的研究也取得了一定進(jìn)展。此外，現(xiàn)代的液壓傳動(dòng)也進(jìn)入了水液壓傳動(dòng)階段，水液壓的應(yīng)用技術(shù)也在嘗試和研究過程中。

隨著環(huán)保型農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用，農(nóng)田水利設(shè)施及環(huán)保農(nóng)業(yè)生態(tài)措施等相關(guān)政策，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量正迎來綠色化的快速發(fā)展，但與此同時(shí)我們也看到大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用、化肥農(nóng)藥等技術(shù)作為農(nóng)業(yè)增效的重要措施,稍使用不當(dāng)即會(huì)成為土壤、地表水和地下水的污染源。近年來隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，水利與農(nóng)業(yè)灌溉的綠色理念正吸引著越來越多人的注意，正由過去的經(jīng)濟(jì)型農(nóng)業(yè)水資源利用轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗木G色環(huán)保的農(nóng)業(yè)水資源利用。因此，生態(tài)農(nóng)業(yè)必然是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)，在保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，要減少其對(duì)于環(huán)境的影響和破壞，提升生態(tài)效益。目前世界上諸多國(guó)家正在研究水液壓技術(shù)的應(yīng)用來替代目前廣泛使用的液壓油[3]，可降解的食品級(jí)潤(rùn)滑技術(shù)也在部分技術(shù)領(lǐng)域開始嘗試，伴隨著密封元件的發(fā)展和各種新型水液壓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，未來水液壓技術(shù)也將引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

2 水介質(zhì)的特點(diǎn)

目前，諸多領(lǐng)域正在對(duì)水液壓技術(shù)進(jìn)行研究嘗試并應(yīng)用，因其獨(dú)有的環(huán)保與安全特性受到越來越多的重視。在“綠色礦山”開采目標(biāo)引導(dǎo)下，水液壓技術(shù)在液壓支架、單體液壓支柱上已經(jīng)開始使用，水液壓支柱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)以純水為介質(zhì)的主要安全支護(hù)的工作裝置。

通過對(duì)比分析，水介質(zhì)與傳統(tǒng)的液壓油相比，其優(yōu)勢(shì)明顯：安全環(huán)保無污染、運(yùn)行使用成本低、經(jīng)濟(jì)性好、阻燃性好。因此，水液壓技術(shù)在農(nóng)田水壩灌溉中的研究應(yīng)用具有重要意義。

1）無環(huán)境污染。機(jī)械液壓油一旦出現(xiàn)泄漏情況，液壓油或者合成的高水基乳化液的化學(xué)成分排放到農(nóng)田中，會(huì)對(duì)農(nóng)田環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響；水介質(zhì)液壓技術(shù)的采用即使出現(xiàn)泄漏情況，也不會(huì)產(chǎn)生污染。

2）經(jīng)濟(jì)性好。作為農(nóng)田水壩的液壓系統(tǒng)，可以就近采用水源作為工作介質(zhì)的來源，這樣免去了運(yùn)輸儲(chǔ)存等問題，同時(shí)避免了使用液壓油時(shí)的廢油處理問題。

3）方便維護(hù)保養(yǎng)。水的流動(dòng)性好并具有清潔功能，故水液壓系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)于液壓油系統(tǒng)更方便。

4）阻燃性好。對(duì)于可能出現(xiàn)的特殊火災(zāi)情況，可以用來滅火，消除火災(zāi)危險(xiǎn)。

3 雙密封結(jié)構(gòu)水液壓缸設(shè)計(jì)

石油基的乳化液或其他合成液壓介質(zhì)通常是在水和基礎(chǔ)液中加入各類添加劑，一旦出現(xiàn)泄漏情況，含有一定比例的化學(xué)試劑對(duì)農(nóng)田環(huán)境會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此，我們提倡使用水液壓技術(shù)作為新的農(nóng)田水壩液壓傳動(dòng)手段，即采用過濾后的淡水或海水代替礦物油作為液壓系統(tǒng)工作的介質(zhì)，設(shè)計(jì)新型雙密封結(jié)構(gòu)的水液壓缸。

如圖1所示，雙密封結(jié)構(gòu)液壓缸由缸筒、活塞桿、端蓋等組成，在普通液壓油缸的基礎(chǔ)上增加了類似于高壓液壓囊結(jié)構(gòu)的油水分離裝置。為防止液壓介質(zhì)向液壓缸外泄漏或由高壓腔向低壓腔泄漏，在缸筒與缸蓋、活塞與活塞桿、活塞與缸筒等之間均存在密封裝置。

圖1 水液壓總體結(jié)構(gòu)圖

雙密封結(jié)構(gòu)主要有動(dòng)態(tài)密封Y形圈與油缸內(nèi)油水分離襯套實(shí)現(xiàn)二次密封。其主要密封功能部件Y形圈實(shí)現(xiàn)高壓密封，襯套的主要功能是油水分離實(shí)現(xiàn)了水推動(dòng)液壓油的作用。水液壓活塞Y 形圈與襯套雙重密封圖如圖2所示。

圖2 水液壓活塞Y形圈與襯套雙重密封

缸筒一端開通，活塞桿的一端插入缸筒內(nèi)部，缸筒另一端與缸底焊接，在活塞桿上設(shè)有活塞，活塞采用橡膠材料制成，在活塞上布置Y形圈，活塞下部固定防水耐油無紡布，襯套一端固定于活塞下部；另一端固定于下端蓋位置。襯套外側(cè)是油、內(nèi)側(cè)是水，襯套外側(cè)涂有潤(rùn)滑脂，與缸筒貼合，避免了水直接與缸筒內(nèi)壁接觸的磨損、銹蝕問題，同時(shí)起到二次密封作用。利用纖維布柔性的特點(diǎn)，可以滿足工作過程中的拉伸變形，實(shí)現(xiàn)靜、動(dòng)工作態(tài)條件下的油水分離功能。同時(shí)為保證活塞桿的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，還布置有固定支撐導(dǎo)向環(huán)，導(dǎo)向環(huán)對(duì)活塞桿起導(dǎo)向與支撐作用，導(dǎo)向環(huán)外表面增加微小的溝槽，避免導(dǎo)向環(huán)將潤(rùn)滑油刮至一端降低潤(rùn)滑性能。

為保證水液壓技術(shù)應(yīng)用可靠性，水液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加了分離襯套、支撐結(jié)構(gòu)、二次密封裝置等部件，液壓缸基體進(jìn)行了防腐處理，以避免在水中浸泡銹蝕降低使用壽命。

4 水液壓在農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)田水壩等方面的應(yīng)用分析

4.1 農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械液力傳動(dòng)的環(huán)保趨勢(shì)

以水代替液壓油作為液壓系統(tǒng)的介質(zhì)，符合生態(tài)農(nóng)業(yè)的要求，保證了糧食及食品的綠色化，且隨著材料學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，在水液壓傳動(dòng)方面都有了長(zhǎng)足進(jìn)步。國(guó)外研究液壓泵的關(guān)鍵部件間的配合間隙和材料，設(shè)計(jì)出可應(yīng)用于食品生產(chǎn)等方面的加工設(shè)備。西方一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家環(huán)保技術(shù)研究起步較早，已有將水液壓傳動(dòng)引入糧食生產(chǎn)等方面的示范，如肉制品的切割設(shè)備使用高壓水切割肉類；或者采用食用級(jí)別可降解潤(rùn)滑油替代機(jī)械上常規(guī)使用的抗磨損的潤(rùn)滑油，即便液壓油或者是潤(rùn)滑油出現(xiàn)泄漏落入土壤中也可以和土壤結(jié)合并降解成為有機(jī)質(zhì)，這種植物油與動(dòng)物油脂中加入抗氧化、抗極壓性等添加劑后可以實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑、防銹、密封性能，相關(guān)環(huán)保潤(rùn)滑材料已經(jīng)在嘗試應(yīng)用。

4.2 農(nóng)田水壩中液壓技術(shù)應(yīng)用分析

將水液壓技術(shù)引入到農(nóng)田水壩中，主要針對(duì)的是目前廣泛使用的橡膠壩、翻板壩和液壓壩中的液壓壩類型。我國(guó)一些地區(qū)采用液壓升降壩，它的主要結(jié)構(gòu)是由壩面(弧形或直線)、支撐桿、液壓桿、液壓缸及液壓泵站組成，結(jié)合自卸汽車的力學(xué)原理與支墩壩水工結(jié)構(gòu)型式，從而達(dá)到具有擋水和泄洪的雙重功能。但在實(shí)際使用過程中仍然存在著不少問題，液壓油在使用和管理過程中都可能出現(xiàn)泄漏并導(dǎo)致污染和成本的增加，將水液壓技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田水壩使用中，可以有效地避免泄漏導(dǎo)致的環(huán)境污染。

為降低成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，有的液壓壩沒有支撐桿，由此當(dāng)選用液壓油作為液壓系統(tǒng)的介質(zhì)時(shí)，便出現(xiàn)了新的安全隱患，無支撐桿后，主液壓缸本身是雙作用液壓缸，當(dāng)作為長(zhǎng)期支撐時(shí)，雖然液壓管路系統(tǒng)不向外漏油，但是雙作用液壓缸的2個(gè)油腔之間會(huì)形成內(nèi)漏，無桿腔向有桿腔通過液壓缸活塞串油，這種內(nèi)漏對(duì)于長(zhǎng)期的壩面支撐極為不利，壩面整體會(huì)緩慢下降，導(dǎo)致多扇壩面無法維持水平面，同時(shí)多扇壩面調(diào)節(jié)統(tǒng)一高度將變得十分困難。

將水作為液壓系統(tǒng)的介質(zhì)時(shí)，首先解決了油壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，在一定程度簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)我們可以采用“雙密封純水”結(jié)構(gòu)，即在液壓缸Y形圈密封基礎(chǔ)之上，增加了密封襯套進(jìn)行二次密封實(shí)現(xiàn)了雙密封。可有效地控制水液壓的水泄漏；即使水液壓部件密封等出現(xiàn)問題，主要工作介質(zhì)水的泄漏不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，少量的潤(rùn)滑油泄漏不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，如果采用環(huán)保可降解的潤(rùn)滑油則可實(shí)現(xiàn)零污染。

5 水液壓應(yīng)用的主要問題

由于水的理化性能不同于礦物油, 水介質(zhì)具有黏度低、潤(rùn)滑性差、導(dǎo)電性強(qiáng)、汽化壓力高等特點(diǎn),為了研制與水相適應(yīng)的液壓設(shè)備及液壓元件, 必須解決以下關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)：

l）由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境較惡劣，尤其在我國(guó)北方，氣候較為寒冷需解決水介質(zhì)在0 ℃以下時(shí)的結(jié)冰問題,如果水介質(zhì)的溫度降到0 ℃以下，可加入乙二醇防凍劑。

2）由于水是一種弱潤(rùn)滑劑，在相同溫度下，水的運(yùn)動(dòng)黏度只為液壓油的1/30，故純水液壓缸的結(jié)構(gòu)需采用潤(rùn)滑油與水分離的方式工作。

3）由于水的飽和蒸汽壓比油的高,從理論上講,水液壓系統(tǒng)更容易產(chǎn)生氣蝕，氣蝕會(huì)破壞過流的固體表面和密封件，使系統(tǒng)流量發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力波動(dòng)、振動(dòng)和噪聲,帶來諸多不良影響。因此需考慮采用新的結(jié)構(gòu)型式和特殊材料以降低氣蝕的產(chǎn)生及危害。

4）由于系統(tǒng)是以水為工作介質(zhì),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)是必要的。系統(tǒng)中雜質(zhì)的累積及各類細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖將會(huì)阻塞過濾器,并有異味產(chǎn)生，故在特殊場(chǎng)所和特定的溫度環(huán)境條件下需要進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

6 結(jié)論

我國(guó)水液壓傳動(dòng)技術(shù)研究起步較晚，但多年來隨著各高校、研究所及相關(guān)企業(yè)間的共同合作，已取得較多的成果。伴隨著新時(shí)代下國(guó)家提出的綠色環(huán)保理念正深入人心，使得綠色的水液壓技術(shù)正越來越得到重視。當(dāng)下雖然水液壓技術(shù)仍然存在著諸多問題需要解決，而一旦該技術(shù)邁入實(shí)用階段，將在農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、海洋等諸多方面為國(guó)家?guī)砭薮笮б妗?/p>