劉安漣，劉輝，金正濤

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

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2種閥門遙控水基液壓液性能的試驗

劉安漣，劉輝，金正濤

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

考慮到船舶液壓油具有可燃性，為了降低船舶特定場合液壓系統(tǒng)的風(fēng)險，試驗分析采用水基液壓液的可行性，探討長液壓管路的壓力損失、液壓控制延時、液壓液與系統(tǒng)的相容性、高溫環(huán)境的適應(yīng)性等技術(shù)問題，結(jié)果表明，控制好系統(tǒng)的防銹蝕和導(dǎo)電性能，閥門遙控系統(tǒng)介質(zhì)選型范圍可從油基擴大到水基。

船舶；液壓系統(tǒng)；難燃液壓液

液壓系統(tǒng)的可靠性、使用壽命和安全性與系統(tǒng)的工作介質(zhì)關(guān)系密切。介質(zhì)在液壓系統(tǒng)中，不僅起有效傳遞能量和信號作用，也起著潤滑、冷卻及減震等作用，同時對腐蝕和銹蝕起抑制作用。液壓系統(tǒng)根據(jù)其組成、結(jié)構(gòu)、工作要求、環(huán)境條件，對工作介質(zhì)提出一系列要求，主要包括合適的粘度，良好的粘溫性能、氧化安定性、熱安定性、潤滑性、抗泡性和防銹蝕性，與材料的相容性，抗燃性等。任何一種工作介質(zhì)均無法同時滿足上述條件，在具體選擇和使用時，往往是多種因素的折中考慮，即根據(jù)工作環(huán)境、工作條件、使用要求，以及安全性、經(jīng)濟性等方面綜合分析〔1〕。

目前國內(nèi)船舶液壓系統(tǒng)中大部分采用礦物油型液壓油或?qū)Ｓ靡簤河妥鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)。液壓油有很多優(yōu)點，但其主要缺點是具有可燃性，在消防危險品分類中屬于石油產(chǎn)品危險性等級第4級。由于船舶空間受限、熱源較多、液壓管路布置廣在船舶振動環(huán)境下易泄漏，或液壓系統(tǒng)出現(xiàn)油管破裂、元件泄漏，在接近明火、高溫?zé)嵩?，以及其他易發(fā)生火災(zāi)的地方，使用液壓油介質(zhì)存在著火甚至爆炸的潛在危險[2-3]。

為了解決在危險場合使用液壓系統(tǒng)的問題，國外船舶上采用難燃液壓液替代礦物油。美國和西方一些工業(yè)發(fā)達國有法律規(guī)定，對于高溫或明火附近,以及煤礦井下的液壓設(shè)備，不能用礦物油，只許用難燃液。難燃液壓液已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國外船舶行業(yè)熱源附近或易發(fā)生火災(zāi)的液壓系統(tǒng)中，而國內(nèi)船舶行業(yè)液壓系統(tǒng)使用難燃液壓液作為工作介質(zhì)目前正處于起步階段[4]。還缺少在船舶上使用難燃液壓液的相關(guān)資料和使用經(jīng)驗。為此，篩選2種典型的水基難燃液壓液(HFC-1和HFC-2)進行可行性分析，試驗對比長液壓管路的壓力損失、介質(zhì)與系統(tǒng)的相容性、高溫環(huán)境的適應(yīng)性、液壓控制延時。為采用難燃液壓液設(shè)計船舶液壓系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

1 試驗介紹

1.1 試驗平臺搭建

試驗平臺由液壓泵站(含蓄能器組)、電磁閥箱、監(jiān)控裝置、負(fù)載模擬裝置、補液泵組、注液機、空壓機、液壓管路及附件等組成。連接液壓泵站、電磁閥箱和負(fù)載模擬裝置，液壓泵站到電磁閥箱之間的管路選用規(guī)格為直徑×壁厚=30 mm×4 mm、長度220 m、彎頭數(shù)量52個，直通管接頭數(shù)量23個，連接的進回液管路上串接有流量計；進回液管路的2端分別裝有精密壓力表。電磁閥箱到負(fù)載模擬裝置之間的管路選用規(guī)格為直徑×壁厚=10 mm×2 mm、長度65 m、彎頭和彎管數(shù)量32個、直通管接頭數(shù)量12個。系統(tǒng)連接完畢，對管路進行清洗與串油檢查。

1.2 試驗所用器材

1)精密壓力表。測壓范圍0～25 MPa，精度0.4級。

2)溫度計。

3)流量計(LWGYH-10)。流量范圍0.2～1.5 m3/h，準(zhǔn)確度±0.5%，線性度0.42～0.48%，重復(fù)性0.15%～0.16%。

4)秒表。

5)注液機。流量63 L/min。

6)空壓機。出口壓力0.8 MPa。

7)pH計(PHS-3C)：測量范圍(0～14)pH。

8)粘度測定器(SYP1003-IA)。

9)污染度檢測儀(HPCA-2)。

10)水份試驗器(SYP1015-IV)：加熱功率350 W。

11)補液泵組額定壓力28 MPa，流量25 L/min。

1.3 試驗內(nèi)容

1)長距離液壓系統(tǒng)壓力損失試驗。測定2種難燃液壓液(HFC-1和HFC-2)[5]在不同規(guī)格、長度及流量下的壓力損失，并和理論計算值比對。

2)液壓控制延時試驗。在長液壓管路系統(tǒng)中，測定換向閥電磁鐵得電到執(zhí)行機構(gòu)模擬裝置開始動作的難燃液壓液的液壓控制延時。

3)耐高溫環(huán)境試驗。分別進行2種難燃液壓液在(60±5)℃和(70±5)℃環(huán)境溫度情況下，累積40 h液壓介質(zhì)高溫試驗。在試驗過程中,檢查系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并抽取試樣，檢測試樣外觀、水份含量、粘度、污染度和PH值等理化特性指標(biāo)。驗證液壓液在高溫環(huán)境下能否可靠工作，其理化特性是否在所規(guī)定的范圍以內(nèi)。

4)與系統(tǒng)相容性試驗。2種難燃液壓液與液壓系統(tǒng)運行3個月，試驗過程中檢驗系統(tǒng)功能，試驗后檢查系統(tǒng)中的設(shè)備和附件所用的材料是否與工作介質(zhì)相容。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 長距離液壓系統(tǒng)壓力損失試驗

表1為采用HFC-1液壓液、流量范圍0.994～20.530 L/min、液箱內(nèi)液溫26.1～28.0 ℃、環(huán)境溫度26.0～28.0 ℃時所做的進液管道系統(tǒng)壓力損失試驗數(shù)據(jù)。試驗時，流量從1.003 L/min逐次上升至20.530 L/min，再從20.530 L/min逐次下降至0.994 L/min，分別測量上升和下降時各流量所對應(yīng)的壓力損失值。部分流量所對應(yīng)的壓力損失計算見表2。

根據(jù)表1和表2繪出的壓力損失-流量特性曲線如圖1所示。

表1 HFC-1壓力損失測試值

表2 HFC-1壓力損失計算值

表3為采用HFC-2液壓液、流量范圍1.049～20.450 L/min、液箱內(nèi)液溫25.0～26.0 ℃、環(huán)境溫度21.0～21.5 ℃時所做的進液管道系統(tǒng)壓力損失試驗數(shù)據(jù)。試驗時，流量從1.049 L/min逐次上升至20.450 L/min，再從20.450 L/min逐次下降至1.0494 L/min，分別測量上升和下降時各流量所對應(yīng)的壓力損失值。HFC-2液壓液部分流量所對應(yīng)的壓力損失計算值見表4。

表3 HFC-2壓力損失測試值

根據(jù)表3和表4繪出的壓力損失-流量特性曲線如圖2所示。

表4 HFC-2壓力損失計算值

從圖1和圖2可知，當(dāng)流量增加時，壓力損失也成比例地增加。流量逐次上升時的壓力損失流量特性曲線(曲線2)和流量逐次下降時的壓力損失-流量特性曲線(曲線3)重合性較好。

HFC-1和HFC-2的計算所得出的壓力損失-流量特性曲線(曲線1)與實測的壓力損失—流量特性曲線幾近重合(HFC-2的誤差稍大)，表明理論計算與試驗結(jié)果是相吻合的。

相同條件下，HFC-1的阻力損失比HFC-2大。

2.2 液壓控制延時試驗

試驗測定從發(fā)出指令，換向閥電磁鐵得電到執(zhí)行機構(gòu)開始動作的液壓控制延時，采用人工記錄與監(jiān)控裝置自動記錄相結(jié)合的方式，為使用難燃液壓液確定液壓控制延時提供依據(jù)。

表5是HFC-1液壓液，管路規(guī)格直徑×壁厚=10 mm×2 mm、長度65m、油箱溫度26.1～26.5 ℃、環(huán)境溫度26 ℃，換向閥電磁鐵得電到執(zhí)行機構(gòu)模擬裝置開始動作液壓延時試驗數(shù)據(jù)。表6是HFC-2液壓液，同條件下液壓延時試驗數(shù)據(jù)。

從表5和表6可知，液壓液的液壓控制延時有以下特點。

1)當(dāng)管道內(nèi)流量增加時，換向閥電磁鐵得電到執(zhí)行機構(gòu)開始動作時的液壓延時向變短的趨勢變化，執(zhí)行機構(gòu)動作時間加快。

2)使用HFC-1介質(zhì)當(dāng)流量從0.214 L/min升至0.580 L/min時，手動記錄液壓延時從1.52 s下降至0.41 s，液壓延時平均時間為0.97 s；自動記錄的液壓延時時間從1.50 s下降至0.40 s，液壓延時的平均時間為0.95 s。

表5 HFC-1液壓控制延時測試值

表6 HFC-2液壓控制延時測試值

3)使用HFC-2介質(zhì)當(dāng)流量從0.215 L/min上升至0.800 L/min時，手動記錄的液壓延時時間從1.72 s下降至0.53 s，液壓延時的平均時間為0.79 s；自動記錄的液壓延時時間從1.70 s下降至0.50 s，液壓延時的平均時間為0.73 s。

4)手動記錄的液壓延時和自動記錄的液壓延時基本吻合，使用HFC-1介質(zhì)當(dāng)管道中的流量為0.466 L/min時，2種記錄的液壓延時誤差最大，最大誤差為13.04%。使用HFC-2介質(zhì)當(dāng)管道中的流量為0.567 L/min時，2種記錄的液壓延時誤差最大，最大誤差為20%。

3.3 耐高溫環(huán)境試驗

HFC-1介質(zhì)和HFC-2介質(zhì)在(60±5)℃和(70±5)℃的溫度條件下，分別進行累積40 h耐高溫試驗，試驗完畢后，分別檢測2種難燃液壓液的外觀、粘度、污染度、水分含量和pH值。試驗測試結(jié)果見表7。

從表7可知，HFC-1和HFC-2難燃液壓液的水份含量、粘度、污染度、pH值等性質(zhì)均在規(guī)定的范圍以內(nèi)。2種介質(zhì)的高溫適應(yīng)性較好。

表7 難燃液壓液耐高溫測試結(jié)果

3.4 液壓液與系統(tǒng)相容性試驗

液壓系統(tǒng)采用2種難燃性液壓液(HFC-1和HFC-2)運行3個月，試驗后檢查系統(tǒng)中的設(shè)備、密封件、管接頭及管道所用的材料是否與工作介質(zhì)相容。同時通過測壓口取試樣，檢測樣品的外觀、水份含量、粘度和pH值等特征值，檢查液壓液的性能指標(biāo)是否發(fā)生變化。

上述試驗過程中，系統(tǒng)工作正常，系統(tǒng)中的密封件、管接頭及管道所用的材料與工作介質(zhì)相容。但在設(shè)備的檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，日用儲液箱內(nèi)表面部分涂層剝落，金屬表面出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，日用儲液箱的材質(zhì)為Q235-A.F鋼，該材料和難燃液壓液有不相容現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)當(dāng)系統(tǒng)流量增加時，壓力損失也成比例地增加。壓力損失-流量特性曲線的試驗值與計算值幾近重合，表明理論計算與試驗結(jié)果是相吻合的。在相同的條件下，HFC-1的阻力損失比HFC-2大。

2)當(dāng)系統(tǒng)流量增加時，換向閥電磁鐵得電到執(zhí)行機構(gòu)開始動作時的液壓延時向變短的趨勢變化，執(zhí)行機構(gòu)動作時間加快。手動記錄的液壓延時和自動記錄的液壓延時基本吻合。為確定液壓系統(tǒng)延時提供依據(jù)。

3)2種液壓液在(60±5)℃和(70±5)℃的環(huán)境溫度下，分別進行累積40 h耐高溫試驗，其理化參數(shù)滿足要求2兩種難燃液壓液的熱安定性均較好。

4)2種液壓液的防銹蝕性差。選用時要考慮液壓系統(tǒng)材質(zhì)的防銹蝕性能。

5)2種液壓液都具有較強的導(dǎo)電性能。因此電氣元件應(yīng)采取有效的措施避免受介質(zhì)導(dǎo)電特性的影響。

嘗試使閥門遙控系統(tǒng)介質(zhì)選型設(shè)計范圍從油基擴大到水基，提供了一種研究方法和相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。閥門遙控系統(tǒng)使用難燃液壓液能夠降低船舶發(fā)生火災(zāi)的概率，在特定的船用環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 林銳，李小軍，嚴(yán)軍.水-乙二醇介質(zhì)在船舶液壓系統(tǒng)的使用[J].流體傳動與控制，2008，27(2)：54.

[3] 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[4] 林銳，曾榮輝，陳捷捷.船舶液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的選擇與使用[J].流體傳動與控制，2010，42(5)：35.

[5] 機械工業(yè)部自動化研究所.難燃液壓液使用導(dǎo)則：GB/T 16898—1997[S].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1997.

[6] 林銳，劉安漣.一種船用液動閥門啟閉控制液壓系統(tǒng)：ZL201220338925.3[P].2013-02-13.

Performance Experiment of Fire-resistant Hydraulic Fluid Used in Ship’s Valve Remote System

LIU An-Lian, LIU Hui, JIN Zheng-tao

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Hydraulic oil is combustible. In order to decrease the risk of hydraulic system in dangerous shipping environment, the feasibility of using fire-resistant hydraulic fluid in the shipping hydraulic system was studied by experiments which focus on the pressure loss of long hydraulic pipe, the delay of hydraulic control, the compatibility of hydraulic fluid and system, and the adaptability of high temperature environment. The test can provide technical support to designing shipping hydraulic system with fire-resistant hydraulic fluid.

ship; hydraulic system; fire-resistant hydraulic fluid

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.014

2017-01-18

國家部委基金資助項目

劉安漣(1970—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：艦船系統(tǒng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0061-05

修回日期：2017-03-07