现代技术对传统液压技术的影响.pdf

lk 备 管 月 贬 现代技术对传统液压技术的影响 朱建军 中国长城铝业公司， 河南 郑州 4 5 0 0 4 1 [ 摘要I 随着现代技术的应用， 传统液压技术与机电技术、 电子技术、 信息技术、 材料科学等方面已无 严格界面， 机电一体化已成为自动化技术的代名词。 〔 关键词] 液压传动; 电传动; 控制技术; 能量转换; 数字总线 [ 中图分类号] T H 1 3 7 . 1[ 文献标识码] B[ 文章编号] 1 0 0 3 一 8 8 8 4 2 0 0 4 S 1 一 0 0 9 2 一 0 3 随着科学技术的进步， 不仅液压技术本身的内 涵已包含了许多高新技术的内容， 而且它的应用也 已遍及高新技术的各个领域， 特别是机电一体化的 许多产品中。笔者认为， 高新技术对现代液压技术 的影响主要体现在电子与信息技术、 村料科学和现 代制造技术方面。它们既为液压技术的进一步发展 带来了新的机遇， 也在某些方面扮演了挑战和竞争 者的角色。 1 电子和信息技术的影响 人们常将液压技术分为“ 液压传动” 液压驱动 和“ 液压控制” 两个领域。传统的液压控制系统常用 若干固定的和可变节流元件以压差方式测取、 识别 和调节系统流量。此类由多个“ 液阻” 构成的复杂液 压网络系统曾被发展到了很高的水平。例如， 在上 世纪7 0 年代， 就出现了以纯液压的方式按某种既定 规律 恒功率、 恒扭矩， 负载敏感、 转速反馈敏感等 调节泵和马达排量的装置， 然而在同一时期电子控 制技术迅速崛起。电子比例和脉宽控制技术的发展 促使液压变量泵和马达的变量系统只需要保留推动 外盘或缸体偏摆的功能和一套通用的电液接 口装 置， 而把调节信号的处理任务交给电子系统去完成。 通过在更深层次上引入电子调节技术， 特别是数字 总线技术， 更实现了从仅对单个元件的离散控制到 对从原动机、 传动机直到工作机的整个系统的综合 实时优化控制的发展。相对于需要用精密机加工方 式制造的纯液压控制装置， 电子控制装置不仅在功 能和控制精度上， 而且在尺寸、 能耗效用性、 兼容性 以及开发和制造成本等多方面都具有明显的优点。 有鉴于此， 液压控制的角色将越来越多地被电子装 置所取代， 而液压装置的任务则逐渐集中于能量转 换、 功率流切换和主系统的过载保护等方面的动力 传动方面。但是， 即使是液压传动也在面临电传动 技术的挑战。近年来， 基于微电子技术和磁性材料 技术的进步， 具有优异无级调速性能的交流变频电 传动已成为液压泵一马达驱动装置的重要竞争对 手。 对于固定设备， 电传动相对于液压传动具有以 下“ 先天” 的优势 ①可直接利用电网能量， 无须液压泵站这样的 二次能量转换装置， 污染小， 噪声低; ②系统与计算机的联接和信息交流比液压驱动 系统更为方便; ③电力导线比液压管道更容易敷设。 但是液压传动仍在下列方面处于优势 ①比功率较高。液压马达重量低于同功率的电 动机， 特别是低速大扭矩液压马达目前还没有电驱 动元件可与之相比拟; ②系统内的工作介质自身可起冷却润滑作用， 便于集中冷却。而电传动系统则必须为每个功率元 件单独设置相当复杂的风冷、 水冷或油冷装置以及 润滑系统， 这在很大程度上抵消了优点; ③对于需要大推动力往复运动的场合， 电动线 性执行器还远非液压缸的对手。 有鉴于此， 在各种压力机、 螺杆式注塑机和其他 一些固定设备上， 液压传动还将继续发挥重要的作 用。 在移动设备和行走机械领域里， 电传动除在大 功率矿用汽车和内燃机车上早有应用外， 又在向许 多新的领域稳步进军。基于环保等原因， 以蓄电池 有色设菌2 0 0 4 St 设 备 昔 国 厄 为二次能源的电动汽车已成为包括中国在内的世界 各国的热门研究课题， 还出现了采用内燃机一发电 机一电动机传动模式的叉车和牵引车。类似元件和 技术亦用于高蓄电池电机一内燃机混合能源 动力 传动的车辆上。燃料电池技术的进步， 更大大推动 了电动车辆技术的发展。 由于液压传动存在着泄漏污染的风险， 矿油基 工作介质的防燃问题和某些冗余度技术方面的困难 例如失效的液压马达会产生过大的旋转阻力， 而失 效的电动机却一般可以自由空转 ， 一些高性能的军 事装备已倾向于取消包括液压缸在内的所有液压传 动装置， 并在谈论未来的所谓“ 全电坦克” 和“ 全电飞 机” 。在中小型轿车和某些工程机械上， 电动转向助 力装置也已崭露头角。然而较之固定设备来说， 在 移动设备和行走机械上用电传动取代液压传动并没 有形成趋势。除了上述十分重要的功率密度等诸点 之外， 尚有以下原因 ①对于经常在恶劣气候、 地面条件和复杂电磁 环境下工作的行走机械来说， 高压大功率电传动装 置存在诸多不安全因素; ②电传动的自身制动能力不如液压传动装置。 后者在车辆低速甚至静止状态时仍保持优良的制动 能力， 前者在此时需补加相当大的反向电流才有制 动能力; ③行走机械的大部分工作机构和驱动轮的额定 转速较低， 当采用液压传动时， 可在高速液压马达或 低速液压马达直接驱动这两种方式之中选用， 而且 由于尺寸紧凑、 噪声低和附加损失小而获得了越来 越多的应用。 . 当转为电传动时， 目 前却只有高速电 机加减速器一种， 采用电传动并不比液压传动更为 方便; ④在行走机械上， 功率电传动元件的冷却问题 更为突出; ⑤被动或主动液气悬架装置尚无电气元件可代 替。 有鉴于此， 液压传动技术在行走机械领域的地 位目 前并未被电传动的进人而动摇。相反， 行走机 械液压传动技术的进步相当大程度上得益于电子控 制技术的成果， ‘ “ 液” 和“ 电” 的合作成分远大于竞争 成分。例如， 孤立地看， 液压传动装置“ 稳态效率” 不 如传统的机械变速器而价格却要贵得多。但一台行 走机械的总能耗取决于从发动机飞轮直到车轮的整 个传动系统的综合效率， 并非仅由变速装置的效率 一项所左右; 而构成动力传动系统的各环节本身的 效率又都是随实时工况而变化的， 并非简单的“ 稳 态” 效率所能表述。一台主机的总的造价受多种因 素影响， 也并非仅由个别传动部件的成本所决定。 从整体上看， 电子控制技术与液压传动技术的有机 结合， 能对整个动力传动系统实现综合实时优化控 制。装有这样的系统的叉车、 装载机之类的工况经 常变化的机具的运行总能耗比装有稳态效率较高的 机械传动时还要低。加之电控液压传动系统以其布 局和匹配方面的灵活性， 还能轻易解决用机械传动 难以处理的许多结构问题， 在降低整机的开发和制 造成本和提高其性能价格比方面颇有潜力。近年来 液压传动技术在工程机械、 农林机械、 起重运输机械 和军民用特种车辆等领域中的应用日盛， 电子技术 的“ 加盟” 功不可没。 电子技术的介人还使一些特殊的液压系统的性 能得以提高。上世纪7 0 年代末已注册专利的“ 二次 调节系统” 技术， 具有可使液压马达在由扭矩和转速 两个坐标构成的四个象限中连续运转而无“ 死区” 、 多用户独立调节及能量回收等一系列独特的优点， 却因受制于纯液压控制在频响和稳定性等方面的困 难而很少应用。运用电子控制技术后， 上述问题迎 刃而解。在传统的负荷传感系统、 极限功率调节系 统中多采用压差法间接测取流量值， 不仅精度不高， 而且增加了能量损耗。引进电子传感元件后， 不仅 这些系统的调节品质和功能得到了显著改善， 而且 由于无须在主油路中设立节流元件而减少了能耗和 系统的热负荷。在多用户同步传动系统中， 也有类 似的情况。 电子技术对于液压技术的影响还表现在另一方 面。由于 日趋广泛地应用了系统仿真和 C A D , C A M, C A T , C A E 等以电 子计算机为核心的新技术， 不仅显著地加快了液压元件和系统的设计、 开发、 制 造和试验的进度， 而且可以更多地关照原来难以顾 及或无意忽略的许多细枝末节， 从中或许又将引出 一些对于未来的发展具有重大意义的创新课题。 2 材料科学和先进制造技术的影响 液压技术的基本原理很容易理解， 但要圆满地 实现它的功能却有赖于材料科学及制造技术的进 步。有资料表明， 近2 0 年来液压技术的发展来源于 育国设.2 0 0 4 S 1 i t备 管 月 绝 自 身结构改进的科研成果仅约2 0 ， 而依靠材料、 表面技术， 加工工艺等方面研究成果的却占到 3 0 。当然， 这一现象绝不仅仅发生在液压技术领 域， 没有一种学科或产业能关起门来自我发展。各 学科间的相互结合、 借鉴和成果的移植是今天和今 后科学技术的发展趋势。 科学技术是螺旋式上升的。各种液压元件的结 构都经历了一次到几次的由简单到复杂， 再到简单 的反复循环的过程。每一次循环后的元件的性能都 有了质的提高， 而这在很大程度上都得益于同一时 期材料和制造技术的进步。原始的液压元件的结构 是很简单的， 例如一个铁筒加一个实心回柱体就构 成了液压缸。其后人们开始按照所需功能的不同， 把一个简单的零件分解成专司转换运动方向的、 抗 磨的、 承力的、 密封的等多个“ 专业化” 零件的组合。 结果是元件的性能有了提高， 但复杂性也增加了许 多。一旦出现了具有某种综合性能的新材料和能制 造某种复杂型面的新的加工方法后， 人们又会力图 把多个功能重新集中到一个零件上。例如， 早期的 内曲线马达曾广泛采用柱塞封油、 横梁 或连杆 传 力、 再经过带滚针轴承的滚轮转换为扭矩的结构。 在出现了具有良好综合性能的新材料和相应的制造 技术后， 新型马达即得以把封油、 传力和支撑滚子的 功能都集中到一个形状特殊的柱塞上， 并用“ 四点接 触” 的单个轴承取代了原来成对配置的向心推力轴 承， 甚至将轴承内、 外环也“ 集成” 到了滚道轴线盘和 输出轴上。这些措施大幅度地减小了马达的径向尺 寸， 使其功率密度在叨年间提高了一倍多， 价格则显 著降低。材料科学和新的制造技术对于促进液压元 件技术进步的意义由此可见一斑。 笔者认为， 以下材料科学的新成果和相关的先 进制造技术将对今后液压技术的发展产生重大的影 响。 2 . 1 陶瓷材料 新一代的工程陶瓷和陶瓷涂层是液压元件内高 应力、 高耐磨、 高抗蚀性功能部件的很有希望的材 料， 特别是用纯水和海水作为介质时。现已用陶瓷 制出了配流盘、 斜盘材板、 换向阀芯、 咳喘等零件， 也 掌握了将集成有位移或速度传速感器的陶瓷涂层制 备在液压缸活塞杆上的技术。 2 . 2 高分子合成材料 各种工程塑料已广泛地用于液压元件作为结构 材料和密封、 绝缘等材料， 用合成材料制备的自 润滑 涂层已开始应用于清水或海水介质的液压元件。新 的应用领域是用高强度合成纤维缠绕方法制造重量 很轻的液压缸和蓄能器以及流动阻力更小也更为柔 软的高压软管。人们还在期待着出现具有弹性好、 耐腐蚀、 摩擦系数低、 工作温度宽和高强度等更优异 的综合指标的新型合成材料， 来制造一体化的密封 因， 特别是解决高压、 高线速度的旋转密封问题。 2 . 3 压电材料 利用某些陶瓷材料的压电伸缩效应制造的喷孔 挡板装置， 已成功地应用在频响高达 5 5 0 H z 的伺服 阀上。今后这两种具有机电量转化效能的材料在电 控液压元件上的应用将进一步扩大。 2 . 4 纳米技术 纳米技术涉及的是尺度为1 0 - 9 m量级的对象， 已达到了分子水平。迄今为止人们在流体传动领域 中论及的仅是液相和气相的介质， 固相成分则一向 被认为是混入介质的污染物。纳米材料的介人将使 今后液压介质中的固相和液相成分的界线变得模糊 起来， 并将引发一次观念上的更新。某些功能材料 的纳米级超细粉末现已成功地用作内燃机润滑油的 抗磨添加剂， 类似的技术也会用于新的高品质液压 介质的制备， 成为发展和应用更多的功能性添加剂 和定向提高特定性能的一种有效手段。 和在别的领域中的情况相类似， 用纳米材料填 充的增强塑料将在液压元器件中那些需要高强度、 高耐磨性零部件上获得应用。采用纳米技术制作过 滤材料， 可以显著提高过滤器的精度和滤材寿命。 然而， 纳米技术对于液压技术的发展所产生的 更深远的影响很可能是在电流变技术方面。电流变 系指某些液体介质的在电场的作用下当量动度发生 变化的效应， 这一效应在“ 电” 和“ 液” 之间建立了直 接联系。人们已研制出带有桥接的电流变阀的伺服 液压缸， 频响达 4 0 0 H z 。今后还有望研制出各种新 型的电控间直至液压泵和马达的电控配流元件。如 同电机中的无刷技术一样， 将来也许会用新型高速 电流变控制组件和电子角度传感组件取代液压系和 马达的现有的机械式配流部件。但是目前使用的电 流变介质的各项性能都还不理想而且稳定性很差。 人们有理由期待利用纳米技术制造出实用的高性能 电流变介质。而电流变技术的应用，必将促使许多 下转第4 8页 有色设奋2 0 0 4 S 1 居 协脸 花 开究 表1 联轴器性能表 比较项 目刚性联轴器齿式联轴器 十字滑块联 轴器 十字万向联 轴器 簧片联轴器 其它型滚珠 联轴器 本专利滚珠 联轴器 被联轴器的角度交叉 要求 0 0★3 *★★}0 . ★★ ★ 1 8 0 ★★ ★ 2 0 0★★5 * ★★ ★ 1 8 0 被联接轴的平行对中 要求 高★较高★★较高★ ★ ★ 一般 ★★ ★★ 被联接轴的角度速度 变化 有★★无 联接 附加力、 振动 大★较大★★较小 ★ ★ ★ 较小 ★★ ★★ * * ★ ★ ★ ★ ★★ ★★ 隔离轴振动能力差★一般差★★一般较好较好 ★★ ★ ★ 好 ★★ 承载能力较大★一般 ★ ★ ★ ★ 小★★一般★ ★ ★ 较小 ★★ 一般 ★ ★ ★ 大 抗冲击性能较差★★差★差★较好 ★★ ★★ 一般★ ★ ★ 较差 ★★ ★ 好 传动噪声 刁 、* *较 大 ★★大★小 ★★ ★ ★ 较小★ ★ ★ 传动效率低★★较低★★低★高 ★★ ★ ★ 一般★ ★ ★ 较高 ★★ ★ ★ 高 ★★ 使用寿命小★较短★★短 ★ ★较长 ★★ ★★ 一般* * ★ 较长 ★★ ★ ★ 长 综合评价2 1 颗★2 4 颗★2 0 颗★4 0颗★3 4 颗★3 9 颗★5 0颗★ 上接第9 4页 传统液压元件的结构和控制方式发生革命性的变 化。对于正在研究开发的磁流变技术， 也有类似的 情况。 3 结束语 液压产业既需要创新， 也需要扬长避短， 才能适 应当今各高新技术产业蓬勃发展的新环境。 科技创新常常源于多种学科的契合。除了前文 已 述及的液压传动和电子控制、 液相介质与纳米材 料等方面相契合的事例 以外， 传统技术之间的契合 也带来许多创新的机遇。 和一切事物一样， 液压技术有其突出的优点， 但 也有它的局限性。人们总是在那些最能发挥其优 点、 避免其缺点的场合来应用它们。以行走机械的 传动装置为例， 纯机械、 液力、 液压和电力传动这“ 四 大家族” 都各有特点， 也各有自己的最佳应用领域。 虽然在具体的主机产品和特定的应用范围上会出现 一时的此消彼长的现象， 但就整体而言， 它们都会继 续发展， 至少在可预见的将来， 并不存在由一两种传 动方式完全取代其它而统治天下的局面， 有的只是 各种技术的竟争和契合。 〔 参考文献] [ 1 ] 王t,瑶. 液压传动与控制〔 M] . 机械工业出版社， 1 9 8 6 . [ 2 1 王广怀. 液压技术应用「 M] . 哈尔滨工业大学出版社， 2 0 0 1 . 4 8 育色设奋2 0 0 4 S 1