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液压技术的新境界

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一、液压控制和液压传动已成为现代工程机械的重要核心技术


机器和工具是人类四肢的延长,电子传感器和控制软硬件是人类感官和思维的延长。契合了电子技术的液压控制和液压传动已成为现代工程机械不可或缺的核心技术。所谓“高端工程机械”, 在很大程度上在于采用了高品质的液压元件和先进的液压系统。液压技术撑起了现代工程机械的半边天,很多整机的研发历史确实是:成也液压,败也液压与一些固定设备与航空领域逐渐以新锐的电传动取代其它传动的趋势不同,液压技术在工程机械领域的势头依然强劲,这得益于它在工程机械的作业环境下的一些突出优点,诸如较高的功率密度,强大的调控功能、良好的匹配适应性以及在系统布局方面的灵活性等等。液压技术的新发展正在有力地促进着工程机械的整机的创新与进步。


改革开放以来,我国的工程机械行业有了长足的进步,已经位居世界工程机械制造大国的前列,在这个坚实的基础上正在向制造强国发展。工程机械企业在向用户提供更安全、更高效、操作更舒适以及外形更美观的优质产品的同时,也将使自身的收益从主要依靠产量、吨位等的数量型向依靠自主技术和知识产权的质量型转化。其中,契合了电子技术的液压装置已成为现代工程机械不可或缺的核心技术装备。


例如,在工程机械领域,不仅各种产品的工作装置和转向装置早已广泛采用了液压传动与控制,而且技术含量更高的静液压驱动行走装置也在各种路面机械、滑移转向装载机和随行叉车等机型上成为了“标配”。如今在铰接转向的装载机上又出现了以静液压驱动取代液力传动的趋势。


德国阿亨和布伦瑞克等大学的几个顶尖的液压与工程机械研究所合作研究表明,通过元件品质的改善和参数匹配的优化,在装载机上采用静液压驱动取代传统的液力传动,不仅具有布局灵活方便和其操作精细舒适的优点,而且能降低油耗达20%以上。大量类似实践已证明静液压驱动的行走装置不能使装载机、推土机、叉车等获得更为优越的操控性能,而且还具有明显的节能效益。以往认为液压传动效率低下的观念应该改变,液压技术已进入了在节能减排方面同样大有作为的新境界。


二、多领域技术的契合是工程机械液压技术进步的必由之路


国外另一个著名的研究报告指出,在液压技术领域的众多创新成果中,基于液压行业自身的专业知识实现的仅占约20%,而源自其他行业的创新却高达50%;另有约30%是移植了其他行业的技术。我们生活在一个多元化的世界里,各种文化、科学、语言、艺术和技术的契合已成为促进人类文明和谐发展与进步的巨大动力,液压技术的进步同样植根于多种技术的相互契合。它山之石可以攻玉。


通过这些契合,液压技术在以下几方面获得了特别明显的进步:


1. 电子与液压技术的契合顺应向信息化发展的大趋势:


电子传感器、操控指令与反馈信号的电子传输以及智能化电子解算系统的引入极大地提高了液压系统的控制品质;例如电子测速使得以输出轴转速作为控制参数的二次调节液压系统得以实用。而这种按用户需求分配流量并能回收多余能量的节能技术本身又是借鉴了恒压电力网络的运行模式。


 机载计算机控制的液压系统具有实时改变多用户回路,并精细控制它们的工况的转换过程的能力,已成功应用于装载机行走驱动系统中多个液压马达的在线切换、挖掘机动臂油缸举升下降时回收势能等具有节能效益的切换回路中。


 一些电子设备开始直接嵌入液压元件内部,出现了在结构中固化集成数控装置的液压缸、液压泵和液压马达。一个意义深远的创新是变量液压泵和马达的数控配流技术。此处电子与液压技术的契合的促成了柱塞变量液压泵和马达核心结构深层次的重大改革。


电子与液压技术的契合还促成了整机综合管理系统的发展。这一技术在汽车产品中已十分普及,各种液压传动和控制的工程机械上也具备应用智能化信息技术基本条件。


这里简单介绍一下数控配流变量泵和马达的工作原理和基本结构。传统的变量柱塞元件经历了机械直接变量、液压伺服变量等发展过程,现在越来越多地采用了电子比例或脉宽控制型的机电一体化的变量方式,但在元件内部仍然保留了改变柱塞行程的机械机构和机械耦合的配流装置。新型的数控配流变量泵和马达用电子转角信号经过数字控制系统和高速电磁阀的电气关联取代了以机械方式关联主轴转角的配流机构,又以电子脉宽无级调节柱塞的有效行程的方式取代了传统的变量机构。这一源自内燃机的电控喷油技术的系统在配流过程的启闭特性、密封特性和流动特性等方面都得到优化,在机械和容积效率方面都有了显著的改善。这种元件的总效率超过95%的区域显著超过了传统结构的柱塞泵和马达,尤其是在部分排量时仍有良好的总效率。效率的改善主要得益于以下一些因素:。这项已应用于兆瓦级大功率风电设备的技术也被成功移植到了油液混合动力车辆的驱动系统中。


2. 机械与液压技术的深度契合实现了高效率与无级变速的优势互补:液压机械功率分流传动是一种将液压与机械功率流 “并联”传输处理后再合流输出的系统。其目的是把机械传动较高的效率和液压传动良好的调速性能的优点相结合,构成一种既能无级变速,又有较高的效率的传动装置,其中也借鉴了液力双功率流传动的成熟技术。液压机械双功率流无级变速箱上世纪末在已开始在高端农业拖拉机上推广,现又在为工程机械配套。采用这种变速箱的轮式装载机比前述纯净液压驱动的机型的能耗有了进一步的降低。


3. 气动与液压的契合催生了节能效果显著的油液混合动力技术。


在行走装置液压驱动系统中设置液压蓄能器为特征的油液混合动力技术契合了蓄能器中压缩气体高效快速充放的压力势能和液压系统控制势能与动能之间相互转化两方面的功能和长项,不仅通过实时回收利用减速和制动时的多余动能有效地减少了能耗,而且赋予它们无级变速的优良秉性。


4.  液压元件的新材料新工艺需要借鉴其他行业的先进技术和配套体系


液压元件的功能和构造上仍然属于机械类产品,其制造难度和精度实际上与汽车等的类似零部件并无本质区别,只是产量的巨大差异使得液压元件的生产和配套难以享受规模效益,成本价格居高不下。然而现今汽车行业的先进制造技术和高度专业化、模块化的配套体系也已经越来越能适应多品种个性化的市场需求。液压行业应该借鉴这些理念和经验,把降低元器件制造成本的价值工程作为一个重要的课题,摆脱一些成果“叫好不叫座”的尴尬。同样,其他行业中出现的新材料、新工艺,特别是节能、轻量化等方面的成果,也都应该为液压行业所用。


新材料:碳纤维复合材料、新型高分子材料、高强度球墨铸铁、高强度镁铝合金等;


先进制造技术:3D 打印增材制造、表面沉积涂层、以车代磨、激光加工、摩擦焊接等;


先进的配套管理体系: 专业化分工、共享平台、轻量化和模块化理念、全球零部件采购及物流的互联互通等。


例如,美国环境保护署(EPA)组织了为汽车油液混合动力系统配套的斜轴型液压泵和马达的研制。可以看出,汽车行业开发的斜轴型液压泵和马达在效率和功率密度即轻量化等方面都有显著进步,值得工程机械液压界借鉴。


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