液压传动技术发展现状与前景展望

中国科技论文在线液压传动技术发展现状与前景展望李建明，陈飞中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州（221008）E-mail：[e-mail]摘要：对液压传动技术及其优缺点进行描述；将其发展现状、工业应用情况作了一个简要的总结归纳；并根据其自身的特点对其发展趋势在液压现场总线技术、自动化控制软件技术、纯水液压传动、电液集成块等四方面做了合理的展望。关键词：液压传动；工业应用；发展趋势中图分类号：TH137.11液压传动的定义及其地位液压传动是以流体(液压油液)为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。它们通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成具有一定控制功能的传动系统[1]。液压传动，是机械设备中发展速度昀快的技术之一，特别是近年来，随着机电一体化技术的发展，与微电子、计算机技术相结合，液压传动进入了一个新的发展阶段[2]。2液压传动的发展简史液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫•布拉曼(JosephBraman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间，才开始进入正规的工业生产阶段[2]。1925年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20世纪初康斯坦丁•尼斯克(G•Constantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展[3]。第二次世界大战(1941-1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。在1955年前后,日本迅速发展液压传动，1956年成立了“液压工业会”。近20~30年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压技术主要是由武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的。随着控制理论的出现和控制系统的发展，液压技术与电子技术的结合日臻完善，电液控制系统具有高响应、高精度、高功率-质量比和大功率的特点，从而广泛运用于武器和各工业部门及技术领域[4]。3液压传动的优缺点3.1与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点1．液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。2．重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。．操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。4．可自动实现过载保护。5．一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长[5]。6．很容易实现直线运动。7．很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控[6]。3.2液压传动的缺点1．由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。2．由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。3．液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。4．由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。5．液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。4液压传动技术工业应用概况正因为液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；矿山机械中的液压钻机、采煤机、提升机、液压支架等[7]；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构、大洋采矿等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等[8]。液压传动与控制是现代机械工程的基础技术，由于其在功率重量比、无级调速、自动控制、过载保护等方面的独特技术优势，使其成为国民经济中各行业、各类机械装备实现传动与控制的重要技术手段[9]。5液压传动技术发展趋势学习了液压传动，对液压传动也有了一个初步的了解，液压传动和气压传动称为流体传动，是工农业生产中广为应用的一门技术[5]。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。历史的经验证明，流控学科技术的发展，仅有20％是靠本学科的科研成果推动，来源于其他领域发明的占50％，移植其他技术成果占30％，即大部分来源于其他相关学科进步的推动[10]。随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键[11]。现从液压现场总线技术、自动化控制软件技术、纯水液压传动、电液集成块等方面介绍液压传动技术发展动态。5.1液压现场总线技术现场总线技术的定义及发展背景现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备和监控设备组成的分布式系统，从计算机角度看，现场总线是一种工业网络平台；从通信角度看，它是一种新型的全数字、串行、双向、多路设备的通信方式；从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。随着现代制造技术的飞速发展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越紧密，在液压领域越来越多的人士开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到观场总线技术的优越性[11]。液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，其与各自的控制阀、执行器相连接。开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。根据开关液压源功能不同，它可组合成升压型或降压增流型开关液压源。由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，可通过高速开关方式加以升压或降压增流。该系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，昀终输出与各执行器需求相适应的压力和流量[12]。当前，现场总线及由此而产生的现场总线智能仪器仪表和控制系统已成为全世界范围自动化技术发展的热点，这一涉及整个自动化和仪表工业的新技术在国际上已引起人们广泛的关注。关于现场总线(Field—bus)技术和智能化仪表技术的研究，构成了当今自动检测和过程控制领域的两大热门课题。20世纪80年代末出现的现场总线技术，将对自动化系统和作为其重要支撑的流体传动及控制技术产生深远影响[13]。5.1.2现场总线技术在液压系统应用中的特点(1)经济性：任何一种新技术新产品的开发与使用，其成本是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统及工程成本。所以，应用单位使用总线产品和供应商提供产品的第一前提应该是以降低总系统的使用成本为目的[14]。(2)按IEC61131—3标准的柔性化程序，易学，学懂，可操作性强。(3)友好的人机对话界面，可方便进行液压系统的参数修改和故障监控。(4)满足所有有关人身安全，电磁兼容，抗冲击及抗震动的重要标准。(5)相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势[15]。5.2自动化控制软件技术在多轴运动控制中，采用SPS可编程控制技术。在这种情况下，以PC机为基础的现代控制技术也和许多自动化控制领域一样，有着自己的用武之地。自动化控制软件将SPS的工作原则与操作监控两项任务集于一身。操作监控技术在伺服驱动中已经发展得比较成熟，并且具有强大的功能和功率。在大量的应用实践中已经证明，以微机软件为基础的控制方案在不同类型的液压控制中也是非常有效的控制方案。利用液压技术控制回路(控制阀、变量泵)和执行机构(液压缸、液压马达)大量不同的变型与组合配置，可以提供多种不同特性的控制方案。有些液压控制的运动与电气驱动的运动类似，PLC可编程序数据库使得液压定位的控制和自动化工作过程的同步运行更加方便。其控制电路与电气自动化控制基本没有什么区别，它同时也对操作与监控进行调节。另外，液压控制软件也可在PLC的标准环境中工作，而且是全透明的运行。利用这种液压控制软件可以对内部数据进行读写，昀大限度地满足了操作监控和自动化控制的需要。所有液压系统的控制信号均可在工业控制局域网的接线柱中测中国科技论文在线得。可以被检测的信号包括：实际位置信号，实际压力信号和控制阀的状态、设置参数。所有工业液压技术的要求均可以以低廉的资金投入来得以实现。所有液压控制的运动功能，它都可以实现。除此以外，还提供了工作力的调节功能，利用电气伺服对输出的扭矩进行限定、调节。液压系统总体功能的制定，原则上按照实际需要而制定，并以模块的形式接受PLC数据库的控制。现代化的液压自动化控制软件使得自动化工程技术人员可以像使用电气控制软件一样方便自如地进行操作[16]。5.3纯水液压传动矿物型液压油作为液压传动介质存在着严重的环境污染和易燃烧问题，这也是世界各国现代经济发展和人类生存环境所不允许的[17]。而水本身所固有的清洁性和阻燃性正好满足了现代社会对工业工程提出的安全、环境友好的要求。这也是昀近20年来纯水液压传动技术持续发展的根本动力[18]。纯水液压传动以纯水（不含任何添加剂的天然水含海水和淡水）为工作介质。而纯水的物理化学性质与液压油有着相当大的差别，所以纯水液压传动与油压传动相比既有优势又有技术难题[19]。5.3.1纯水液压传动的优势(1)纯水价格低廉、来源广泛、不用运输仓储。水的价格仅为液压油的1/5000。而且随地可取，特别是大、特大型的液压系统，可以节省大量的矿物油，经济效益更是可观。(2)阻燃性与安全性好、温升小。液压传动在冶金、热加工及采矿业使用，极易燃烧引起火灾，导致人身设备事故。但是水不会燃烧，故消除了火灾危险，安全性好；另外水的比热与导热系数分别为液压油的约两倍和四倍，故纯水液压系统的温升较低，一般不需加设热交换器，简化了系统结构[20]。(3)纯水的压缩系数小，压缩损失比矿物型液压油降低25%左右，可补偿一部分由于泄露增加而造成的容积损失。(4)使用纯水的液压系统维修方便，维护成本低。在水下时，可以不用回油管、水箱，系统大为简化。(5)可避免或减少产品污染。产品污染是许多生产行业格外关注的事情，泄漏的油液和水基液会使纺织制品、木质胶合板受到玷污，也会使纸张变色、药品变质和食品变味。污染还会使某些产品根本不能出售，只好销毁。但如果纯水渗进产品中，害处要相对小得多或者没有害处。5.3.2纯水液压传动面临的主要技术难题(1)泄露与磨损纯水的粘度通常是油的1/40~1/50,甚至更低。因此，一方面极易引起纯水液压元件及系统的内、外泄漏，导致系统容积效率的降低；另一方面纯水的润滑性很差，在纯水液压元件的耦合摩擦副中形成液压膜就比较困难从而导致干摩擦及卡死。为此,必须采用一些特殊材料、结构和较高的加工精度等技术手段，所以纯水液压元件制造成本要高于同等性能的油压元件的制造成本[22]。(2)材料腐蚀与老化由于水的锈蚀性和导电性很强,能引起钢、铁、铜等常用金属材料的电化学腐蚀及非金属材料的老化。例如常温下新鲜、流动的纯水对碳素钢锈蚀速度可达1.27mm/年,从而降低