宋開財(cái)+王建華+李春生+顏皓

摘要：文章考察了不同類型難燃液壓液的難燃性、黏溫特性和蒸發(fā)特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同類型多元醇和增黏劑對(duì)水基難燃液壓液主要性能的影響。并進(jìn)行了長(zhǎng)液壓管道壓力損失試驗(yàn)和液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明：水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，但蒸發(fā)率越高，蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化是先增加后減少。水溶性聚醚的稠化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚乙二醇，低溫時(shí)無結(jié)晶現(xiàn)象。不同類型難燃液壓液的壓力損失符合實(shí)際流體伯努利方程關(guān)系特性。采用水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，液壓泵流量、容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)；以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，泵流量和容積效率有一定下降趨勢(shì)。此研究結(jié)果對(duì)于水基難燃液壓液的配方研究和使用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；水基液壓液；含水量；蒸發(fā)特性

中圖分類號(hào)：TE626.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高溫、高速和大容量方向發(fā)展，保障機(jī)械設(shè)備和操作人員的安全，解決因油品噴濺、泄漏引起的爆炸和火災(zāi)事故已越來越成為人們所關(guān)心的重要課題。世界上許多國家都在高溫高壓的液壓系統(tǒng)應(yīng)用難燃液壓液[1-2]，國內(nèi)冶金、煤炭等行業(yè)在熱源附近或易發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的液壓系統(tǒng)也廣泛采用難燃液壓液。難燃液壓液是指在明火或高溫作用下能抗燃燒以及在壓力作用下發(fā)生物理狀態(tài)變化時(shí)能抗自燃的液壓介質(zhì)。水基難燃液壓液因具有使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格適中、低凝、無毒、不存在水解安定性等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，已成為眾多難燃液壓液中應(yīng)用較為廣泛的一類液壓介質(zhì)。水基難燃液壓液主要由水、多元醇、增黏劑和功能添加劑組成。本文重點(diǎn)考察了不同組成水基難燃液壓液的難燃性、黏溫特性和蒸發(fā)特性等主要理化性能，研究了不同含水量、不同類型多元醇和增黏劑對(duì)水基難燃液壓液主要性能的影響。研究結(jié)果對(duì)于水基難燃液壓液的配方研究和使用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電光分析天平：型號(hào)TG328A，最大載荷200 g，分度值0.1 mg，上海天平儀器廠。

烘箱：廣口保溫瓶或圓筒形容器，具有保溫層，容器蓋子上有插試管、溫度計(jì)和加入干冰的孔口，也可用半導(dǎo)體致冷器。

水銀溫度計(jì)：符合GB 514要求，供測(cè)量不低于-30 ℃的試樣溫度用。

臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)：由液壓泵站，流量自動(dòng)限制裝置，過濾切換裝置，電磁閥組，液壓執(zhí)行器，負(fù)載模擬裝置，加載與流量檢測(cè)裝置，測(cè)壓閥組，冷卻裝置，主、進(jìn)回液管道（規(guī)格為30 mm×4 mm），進(jìn)、排液管道（規(guī)格為10 mm×2 mm），注液機(jī)，監(jiān)控裝置，測(cè)試儀表以及高溫試驗(yàn)間等組成。系統(tǒng)額定壓力為11～14 MPa，額定流量為21 L/min，額定功率為11 kW。

1.2 化學(xué)試劑

水：蒸餾水或去離子水；

乙二醇：分析純?cè)噭?，純?gt;99.5%，威爾昆化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；

甘油：分析純?cè)噭?，純?gt;99.5%，威爾昆化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；

增黏劑：不同類型的水溶性聚醚（PAG），分子量為5萬左右，無色透明黏稠液體。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1） 低溫結(jié)晶：將盛有300 mL試樣的干凈標(biāo)本瓶置于-18 ℃冷浴中，6 h后用肉眼觀察是否結(jié)晶。

（2） 蒸發(fā)特性：將水基難燃液壓液分別置于幾個(gè)相同形狀和大小的玻璃燒杯中，在一定的溫度下保持不同的時(shí)間后，用高精度電分析天平稱量恒溫前后液壓液的質(zhì)量，數(shù)據(jù)的測(cè)取用重復(fù)試驗(yàn)法進(jìn)行[6]，通過求平均值得到不同條件下該液壓液的蒸發(fā)率。

（3） 長(zhǎng)液壓管道壓力損失測(cè)定模擬試驗(yàn)：在液壓泵排液壓力為（14±0.5）MPa的條件下，測(cè)定流量自動(dòng)限制裝置與過濾切換裝置之間（主進(jìn)、回液管道規(guī)格為30 mm×4 mm，長(zhǎng)度為220 m）、電磁閥組與液壓執(zhí)行器之間（進(jìn)、排液管道規(guī)格為10 mm×2 mm，長(zhǎng)度為65 m）的壓力損失。

（4） 液壓泵摩擦磨損性能試驗(yàn)：在液壓泵吸液口溫度為49～54 ℃，出口壓力為（14±0.5）MPa條件下，兩組恒壓變量泵完成累積500 h的摩擦磨損試驗(yàn)，分別測(cè)量泵流量和效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同含水量水基難燃液壓液的性能研究

圖1為水基難燃液壓液水含量與火焰持續(xù)時(shí)間的關(guān)系圖。液壓液的水含量越高，其火焰持續(xù)時(shí)間越短，難燃性越好，通常要求水基難燃液壓液中水分含量應(yīng)不低于35%。圖2為70 ℃條件下，不同水含量水基難燃液壓液的蒸發(fā)率與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖2中可以直觀地看出，水基難燃液壓液的蒸發(fā)率隨著水含量的增加而不斷增加。水含量越高，蒸發(fā)率越大；并且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，不同水含量難燃液壓液的蒸發(fā)率先是不斷增大，而后隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，蒸發(fā)率先出現(xiàn)下降，而后趨于穩(wěn)定值。這一變化趨勢(shì)隨著難燃液壓液水含量的減少而更加明顯。

2.2 不同類型增黏劑水基難燃液壓液的性能研究

表1列出了水溶性聚醚和聚乙二醇在水-甘油型液壓液中的部分理化性能。由表1可知，水溶性聚醚的稠化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚乙二醇。即添加相同量的稠化劑，聚醚的增黏效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于聚乙二醇，并且低溫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生固體聚乙二醇出現(xiàn)結(jié)晶的現(xiàn)象。表2列出了三種使用不同類型水溶性聚醚難燃液壓液的主要理化性能，該三種難燃液壓液的黏溫特性曲線如圖3所示。從表2和圖3可以看出，三種水溶性聚醚雖然類型不同，但稠化能力和黏溫特性相當(dāng)，液壓液的低溫性能接近。在空氣釋放性方面，聚醚PAG-2的空氣釋放值在20 min以內(nèi)，聚醚PAG-1和PAG-2的空氣釋放值均在20 min以外。

為進(jìn)一步考察三種聚醚的綜合性能，圖4描繪出了三種不同聚醚在70 ℃條件下，液壓液經(jīng)不同試驗(yàn)時(shí)間的蒸發(fā)特性曲線。從圖4中可直觀看出，PAG-1的蒸發(fā)率最大，PAG-2的蒸發(fā)率最小，PAG-3的蒸發(fā)率居中。

2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長(zhǎng)液壓管道壓力損失測(cè)定模擬試驗(yàn)

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)液壓管道（流量自動(dòng)限制裝置與過濾切換裝置之間的主進(jìn)液管道以及電磁閥組與某一液壓執(zhí)行器之間的進(jìn)液管道）的壓力損失進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)上述長(zhǎng)液壓管道內(nèi)難燃液的流量增加時(shí)，管道內(nèi)難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當(dāng)環(huán)境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時(shí)，相同流量情況下同一長(zhǎng)液壓管道內(nèi)的壓力損失值降低。這一變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程中關(guān)于管道內(nèi)液壓液壓力損失與流量的關(guān)系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號(hào)的難燃液壓液在長(zhǎng)液壓管道中壓力損失的測(cè)試結(jié)果均在正常范圍以內(nèi)，滿足液壓系統(tǒng)的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)

采用兩臺(tái)相同型號(hào)的恒壓變量泵，在相同試驗(yàn)條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，檢測(cè)兩臺(tái)恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，以考察兩種難燃液壓液對(duì)液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺(tái)恒壓變量泵實(shí)測(cè)流量與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線及容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當(dāng)以水-甘油型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動(dòng)外，但總的變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢(shì)。這是由于液壓泵內(nèi)主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對(duì)摩擦副，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，該三對(duì)摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當(dāng)分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)時(shí)，兩臺(tái)被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，兩臺(tái)恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發(fā)率越高。在試驗(yàn)條件下，不同含水量液壓液的蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚乙二醇，低溫時(shí)無結(jié)晶現(xiàn)象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當(dāng)，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發(fā)特性略有不同。

（3）長(zhǎng)液壓管道壓力損失試驗(yàn)結(jié)果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，管道內(nèi)液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程關(guān)系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：在500 h范圍內(nèi)，采用水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，泵流量、效率與累積運(yùn)行時(shí)間變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 竹內(nèi)哲朗.一種環(huán)保型難燃液壓液的研制[J].高壓機(jī)械潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，1981，18（12）：11-12.

[2] 前田陸三.水基潤(rùn)滑添加劑[J].合成潤(rùn)滑材料，1985（5）： 17-20.

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[4] Wambach W.Hydraulic Systems and Fluids[J].Lub Eng，1983，39（8）：483-485.

[5] Talor R，WangY.Lubrication Regimes and Tribological Properties of Fire-Resistemt Hydranlic Fluids[J].Lub Eng，1985，40（1）：44-50.

[6] 茆濤松，丁元.周紀(jì)薌，等.回歸分析及其試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1986.

2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長(zhǎng)液壓管道壓力損失測(cè)定模擬試驗(yàn)

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)液壓管道（流量自動(dòng)限制裝置與過濾切換裝置之間的主進(jìn)液管道以及電磁閥組與某一液壓執(zhí)行器之間的進(jìn)液管道）的壓力損失進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)上述長(zhǎng)液壓管道內(nèi)難燃液的流量增加時(shí)，管道內(nèi)難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當(dāng)環(huán)境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時(shí)，相同流量情況下同一長(zhǎng)液壓管道內(nèi)的壓力損失值降低。這一變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程中關(guān)于管道內(nèi)液壓液壓力損失與流量的關(guān)系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號(hào)的難燃液壓液在長(zhǎng)液壓管道中壓力損失的測(cè)試結(jié)果均在正常范圍以內(nèi)，滿足液壓系統(tǒng)的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)

采用兩臺(tái)相同型號(hào)的恒壓變量泵，在相同試驗(yàn)條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，檢測(cè)兩臺(tái)恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，以考察兩種難燃液壓液對(duì)液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺(tái)恒壓變量泵實(shí)測(cè)流量與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線及容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當(dāng)以水-甘油型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動(dòng)外，但總的變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢(shì)。這是由于液壓泵內(nèi)主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對(duì)摩擦副，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，該三對(duì)摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當(dāng)分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)時(shí)，兩臺(tái)被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，兩臺(tái)恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發(fā)率越高。在試驗(yàn)條件下，不同含水量液壓液的蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚乙二醇，低溫時(shí)無結(jié)晶現(xiàn)象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當(dāng)，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發(fā)特性略有不同。

（3）長(zhǎng)液壓管道壓力損失試驗(yàn)結(jié)果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，管道內(nèi)液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程關(guān)系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：在500 h范圍內(nèi)，采用水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，泵流量、效率與累積運(yùn)行時(shí)間變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

參考文獻(xiàn)：

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2.3 不同類型多元醇難燃液壓液的性能研究

2.3.1 長(zhǎng)液壓管道壓力損失測(cè)定模擬試驗(yàn)

采用水-乙二醇型液壓液和水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)液壓管道（流量自動(dòng)限制裝置與過濾切換裝置之間的主進(jìn)液管道以及電磁閥組與某一液壓執(zhí)行器之間的進(jìn)液管道）的壓力損失進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)上述長(zhǎng)液壓管道內(nèi)難燃液的流量增加時(shí)，管道內(nèi)難燃液的壓力損失值近似成比例地增加；當(dāng)環(huán)境溫度以及液壓泵吸液口液溫升高時(shí)，相同流量情況下同一長(zhǎng)液壓管道內(nèi)的壓力損失值降低。這一變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程中關(guān)于管道內(nèi)液壓液壓力損失與流量的關(guān)系特性以及流體的液溫特性。上述兩種型號(hào)的難燃液壓液在長(zhǎng)液壓管道中壓力損失的測(cè)試結(jié)果均在正常范圍以內(nèi)，滿足液壓系統(tǒng)的使用要求。

2.3.2 液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)

采用兩臺(tái)相同型號(hào)的恒壓變量泵，在相同試驗(yàn)條件下，分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，檢測(cè)兩臺(tái)恒壓變量泵的輸出流量、容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，以考察兩種難燃液壓液對(duì)液壓泵的摩擦磨損特性。

兩臺(tái)恒壓變量泵實(shí)測(cè)流量與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線及容積效率與累積運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可見，當(dāng)以水-甘油型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，平均流量為19.025 L/min，平均容積效率為0.902；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率除有一定波動(dòng)外，但總的變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，平均流量為18.687 L/min，平均容積效率為0.915；隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，恒壓變量泵的平均流量和平均容積效率有一定的下降趨勢(shì)。這是由于液壓泵內(nèi)主要有缸體與柱塞、缸體與配流盤及滑靴與斜盤這三對(duì)摩擦副，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，該三對(duì)摩擦副的磨損量有逐漸增大的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致液壓泵的平均流量和平均容積效率有所下降。

由此可見，當(dāng)分別以水-甘油型和水-乙二醇型難燃液壓液為液壓介質(zhì)時(shí)，兩臺(tái)被試恒壓變量泵的平均容積效率比較接近；在累積運(yùn)行500 h時(shí)間范圍內(nèi)，兩臺(tái)恒壓變量泵容積效率的平均值不低于0.9，均在液壓泵正常使用所要求的容積效率范圍以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）水基難燃液壓液的水含量越高，難燃性越好，蒸發(fā)率越高。在試驗(yàn)條件下，不同含水量液壓液的蒸發(fā)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。

（2）水溶性聚醚的稠化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚乙二醇，低溫時(shí)無結(jié)晶現(xiàn)象。不同類型水溶性聚醚的稠化能力和黏溫特性相當(dāng)，低溫性能接近，空氣釋放性和蒸發(fā)特性略有不同。

（3）長(zhǎng)液壓管道壓力損失試驗(yàn)結(jié)果表明：以不同類型難燃液壓液為液壓介質(zhì)，管道內(nèi)液體流量、溫度與壓力損失值的變化過程符合實(shí)際流體伯努利方程關(guān)系特性。

（4）液壓泵摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：在500 h范圍內(nèi)，采用水-甘油型液壓液為液壓介質(zhì)，泵流量、效率與累積運(yùn)行時(shí)間變化狀態(tài)平穩(wěn)，無明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)以水-乙二醇型難燃液為液壓介質(zhì)時(shí)，隨著累積運(yùn)行時(shí)間的增加，泵流量和容積效率的平均值有所下降。

參考文獻(xiàn)：

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