纯水液压缸在农业液压水坝中的应用研究

张燕，范南坤，刘力瑗

（1.枣庄科技职业学院，山东滕州 277569；2.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116）

1 水液压技术应用于农业的持续发展

我国是个极度缺水的农业大国，且由于森林面积的减少及近年来生态环境受到影响，在很多方面的农业生产都受到了一定的影响[1]。随着农业的工业化发展，在某些方面也给环境带来了一定程度的影响，因此水资源的合理利用与农业机械使用的环保技术正逐渐被人们所重视。目前农机具润滑系统使用环保可降解润滑油技术在一些国家正尝试应用[2]，一些高校的研究也取得了一定进展。此外，现代的液压传动也进入了水液压传动阶段，水液压的应用技术也在尝试和研究过程中。

随着环保型农业机械的使用，农田水利设施及环保农业生态措施等相关政策，我国农产品产量和质量正迎来绿色化的快速发展，但与此同时我们也看到大型农业机械的使用、化肥农药等技术作为农业增效的重要措施,稍使用不当即会成为土壤、地表水和地下水的污染源。近年来随着人们环境保护意识的增强，水利与农业灌溉的绿色理念正吸引着越来越多人的注意，正由过去的经济型农业水资源利用转变为目前的绿色环保的农业水资源利用。因此，生态农业必然是现代农业发展的一种趋势，在保证农业经济效益的同时，要减少其对于环境的影响和破坏，提升生态效益。目前世界上诸多国家正在研究水液压技术的应用来替代目前广泛使用的液压油[3]，可降解的食品级润滑技术也在部分技术领域开始尝试，伴随着密封元件的发展和各种新型水液压结构的产生，未来水液压技术也将引入农业生产中。

2 水介质的特点

目前，诸多领域正在对水液压技术进行研究尝试并应用，因其独有的环保与安全特性受到越来越多的重视。在“绿色矿山”开采目标引导下，水液压技术在液压支架、单体液压支柱上已经开始使用，水液压支柱已经实现以纯水为介质的主要安全支护的工作装置。

通过对比分析，水介质与传统的液压油相比，其优势明显：安全环保无污染、运行使用成本低、经济性好、阻燃性好。因此，水液压技术在农田水坝灌溉中的研究应用具有重要意义。

1）无环境污染。机械液压油一旦出现泄漏情况，液压油或者合成的高水基乳化液的化学成分排放到农田中，会对农田环境产生巨大的影响；水介质液压技术的采用即使出现泄漏情况，也不会产生污染。

2）经济性好。作为农田水坝的液压系统，可以就近采用水源作为工作介质的来源，这样免去了运输储存等问题，同时避免了使用液压油时的废油处理问题。

3）方便维护保养。水的流动性好并具有清洁功能，故水液压系统的维护保养相对于液压油系统更方便。

4）阻燃性好。对于可能出现的特殊火灾情况，可以用来灭火，消除火灾危险。

3 双密封结构水液压缸设计

石油基的乳化液或其他合成液压介质通常是在水和基础液中加入各类添加剂，一旦出现泄漏情况，含有一定比例的化学试剂对农田环境会产生巨大的影响。因此，我们提倡使用水液压技术作为新的农田水坝液压传动手段，即采用过滤后的淡水或海水代替矿物油作为液压系统工作的介质，设计新型双密封结构的水液压缸。

如图1所示，双密封结构液压缸由缸筒、活塞杆、端盖等组成，在普通液压油缸的基础上增加了类似于高压液压囊结构的油水分离装置。为防止液压介质向液压缸外泄漏或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与缸盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒等之间均存在密封装置。

图1 水液压总体结构图

双密封结构主要有动态密封Y形圈与油缸内油水分离衬套实现二次密封。其主要密封功能部件Y形圈实现高压密封，衬套的主要功能是油水分离实现了水推动液压油的作用。水液压活塞Y 形圈与衬套双重密封图如图2所示。

图2 水液压活塞Y形圈与衬套双重密封

缸筒一端开通，活塞杆的一端插入缸筒内部，缸筒另一端与缸底焊接，在活塞杆上设有活塞，活塞采用橡胶材料制成，在活塞上布置Y形圈，活塞下部固定防水耐油无纺布，衬套一端固定于活塞下部；另一端固定于下端盖位置。衬套外侧是油、内侧是水，衬套外侧涂有润滑脂，与缸筒贴合，避免了水直接与缸筒内壁接触的磨损、锈蚀问题，同时起到二次密封作用。利用纤维布柔性的特点，可以满足工作过程中的拉伸变形，实现静、动工作态条件下的油水分离功能。同时为保证活塞杆的上下往复直线运动，还布置有固定支撑导向环，导向环对活塞杆起导向与支撑作用，导向环外表面增加微小的沟槽，避免导向环将润滑油刮至一端降低润滑性能。

为保证水液压技术应用可靠性，水液压缸结构设计中增加了分离衬套、支撑结构、二次密封装置等部件，液压缸基体进行了防腐处理，以避免在水中浸泡锈蚀降低使用寿命。

4 水液压在农业机械和农田水坝等方面的应用分析

4.1 农业作业机械液力传动的环保趋势

以水代替液压油作为液压系统的介质，符合生态农业的要求，保证了粮食及食品的绿色化，且随着材料学、先进制造技术等学科的发展，在水液压传动方面都有了长足进步。国外研究液压泵的关键部件间的配合间隙和材料，设计出可应用于食品生产等方面的加工设备。西方一些技术比较先进的国家环保技术研究起步较早，已有将水液压传动引入粮食生产等方面的示范，如肉制品的切割设备使用高压水切割肉类；或者采用食用级别可降解润滑油替代机械上常规使用的抗磨损的润滑油，即便液压油或者是润滑油出现泄漏落入土壤中也可以和土壤结合并降解成为有机质，这种植物油与动物油脂中加入抗氧化、抗极压性等添加剂后可以实现良好的润滑、防锈、密封性能，相关环保润滑材料已经在尝试应用。

4.2 农田水坝中液压技术应用分析

将水液压技术引入到农田水坝中，主要针对的是目前广泛使用的橡胶坝、翻板坝和液压坝中的液压坝类型。我国一些地区采用液压升降坝，它的主要结构是由坝面(弧形或直线)、支撑杆、液压杆、液压缸及液压泵站组成，结合自卸汽车的力学原理与支墩坝水工结构型式，从而达到具有挡水和泄洪的双重功能。但在实际使用过程中仍然存在着不少问题，液压油在使用和管理过程中都可能出现泄漏并导致污染和成本的增加，将水液压技术应用到农田水坝使用中，可以有效地避免泄漏导致的环境污染。

为降低成本、简化设计，有的液压坝没有支撑杆，由此当选用液压油作为液压系统的介质时，便出现了新的安全隐患，无支撑杆后，主液压缸本身是双作用液压缸，当作为长期支撑时，虽然液压管路系统不向外漏油，但是双作用液压缸的2个油腔之间会形成内漏，无杆腔向有杆腔通过液压缸活塞串油，这种内漏对于长期的坝面支撑极为不利，坝面整体会缓慢下降，导致多扇坝面无法维持水平面，同时多扇坝面调节统一高度将变得十分困难。

将水作为液压系统的介质时，首先解决了油压系统结构复杂的问题，在一定程度简化了结构，同时我们可以采用“双密封纯水”结构，即在液压缸Y形圈密封基础之上，增加了密封衬套进行二次密封实现了双密封。可有效地控制水液压的水泄漏；即使水液压部件密封等出现问题，主要工作介质水的泄漏不会导致环境的污染，少量的润滑油泄漏不会导致环境的污染，如果采用环保可降解的润滑油则可实现零污染。

5 水液压应用的主要问题

由于水的理化性能不同于矿物油, 水介质具有黏度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点,为了研制与水相适应的液压设备及液压元件, 必须解决以下关键基础技术：

l）由于农业机械工作环境较恶劣，尤其在我国北方，气候较为寒冷需解决水介质在0 ℃以下时的结冰问题,如果水介质的温度降到0 ℃以下，可加入乙二醇防冻剂。

2）由于水是一种弱润滑剂，在相同温度下，水的运动黏度只为液压油的1/30，故纯水液压缸的结构需采用润滑油与水分离的方式工作。

3）由于水的饱和蒸汽压比油的高,从理论上讲,水液压系统更容易产生气蚀，气蚀会破坏过流的固体表面和密封件，使系统流量发生变化，产生压力波动、振动和噪声,带来诸多不良影响。因此需考虑采用新的结构型式和特殊材料以降低气蚀的产生及危害。

4）由于系统是以水为工作介质,对系统进行定期监测是必要的。系统中杂质的累积及各类细菌的生长和繁殖将会阻塞过滤器,并有异味产生，故在特殊场所和特定的温度环境条件下需要进行系统维护。

6 结论

我国水液压传动技术研究起步较晚，但多年来随着各高校、研究所及相关企业间的共同合作，已取得较多的成果。伴随着新时代下国家提出的绿色环保理念正深入人心，使得绿色的水液压技术正越来越得到重视。当下虽然水液压技术仍然存在着诸多问题需要解决，而一旦该技术迈入实用阶段，将在农业、矿业、海洋等诸多方面为国家带来巨大效益。