现代液压机发展趋势

现代液压机发展趋势液压机是一种利用液体静压力来加工各种材料的机械，它常用于压制工艺和压制成形工艺，如锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、翻边、薄板拉深、粉末冶金、压装等等。从1795年第一台水压机发明到现在，液压机经历了200多年的改进和创新，由于其具有加工工艺“万能性”，使得液压机广泛应用在国民生产的各行各业。随着现代制造技术的不断发展，制造行业产品竞争越来越激烈，为了提高液压机的市场竞争力，传统液压机必须克服油液泄漏、油温升高、传动精度低、能耗大等缺点，提高液压机的控制精度和效率，实现绿色液压机的设计和制造。液压机的系统和整机结构经过近几十年的发展已经较为成熟，国内外液压机的研究重点主要集中在在伺服控制技术、绿色节能技术、集成化技术、机液混合驱动技术、多工位液压机技术以及其他辅助技术等方面。1伺服控制技术伺服控制是近几十年发展起来的一种精密驱动技术，其核心技术是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化。伺服液压机就是将伺服控制技术与液压系统相结合的一种新型压力机，它指的是主传动油泵采用伺服电机驱动，减少控制阀回路，调节主油泵完成对滑块精确控制。图1为伺服液压机圆体，液压机的主油缸上腔安装有压力传感器，在液压机滑块处安装位移传感器。控制器根据压力反馈信号、位置反馈信号、压力给定信号、位置给定信号、速度给定信号等计算出伺服电机的转速，从而控制液压泵的输出，以进行压力、速度、位置控制。伺服驱动液压机依靠调节伺服电机的转速，来控制液压机的压力、速度、位置等参数，取消了液压控制回路中的压力控制阀、流量控制阀等元件，简化了液压控制回路。伺服驱动液压机在滑块快降、滑块静止在上限位进行上下料时，伺服电机转速为零；滑块加压和回程时伺服电机的转速由设定速度确定；滑块在保压时伺服电机的转速仅弥补泵和系统的泄漏。传统液压机在整个工作过程中电机始终处于恒定转速。图2为在整个工作过程中，传统液压机与伺服控制液压机电机转速的区别，图中①为滑块快降阶段，②为滑块加压工作阶段，③为保压阶段，④为滑块回程阶段，⑤为滑块静止时的上下料阶段。图1伺服控制液压机原理图2在工作过程中的转速区别与传统液压机相比，伺服控制技术应用在液压机上主要有以下优点：1.1精度高伺服电机主要靠脉冲来定位，每接受1个脉冲就会旋转1个脉冲对应的角度，单单考虑伺服电机其控制精度可以达到1/1024圈，结合相应的传感器，可以实现对滑块任意位置的精确控制。伺服液压机相较传统液压机运动曲线可以优化，适当的滑块曲线可以抑制板材压制过程回弹，提高之间精度。1.2柔性高滑块运动曲线可根据不同生产工业和模具进行优化设置，可设计特殊的工作特性曲线，进行高难度高精度加工，实现坏块“自由移动”。滑块运动方式可以是往复式、在下死点停留等复杂运动方式，如图3所示日本学者采用往复式运动曲线压制薄板制件，能有效的抑制变形曲率较大处褶皱现象。a往复式运动曲线b冲压件质量对比图3冲头往复式冲压1.3效率高可以在较大范围内设定滑块行程次数，滑块速度和行程调节方便，能根据成形工艺，滑块可在最小行程工作，借助自动送料技术，大大提高生产效率。1.4节能伺服液压机和机械压力机相比省去飞轮、离合器，采用直接传动，传动环节大大减少，润滑量减少，可维护性强。没有离合器结合能耗，滑块停止后，电机停转，也没有了电机、皮带轮空转，能耗显著降低。在普通机械压力机中，飞轮空转耗能约占总能耗的6%～30%，离合器（主要指摩擦离合器）耗能约占总能量的20%，伺服液压机没有飞轮和离合器，这部分能量得以节省。日本某公司曾进行过3000kN液压机连续工作功耗对比试验，结果证明伺服液压机节能32%～42%。尽管伺服控制技术在液压机上展现了强大的生命力，目前仍然有很多关键技术需要完善：A.研制具有自主知识产权的大功率伺服电机和驱动控制单元；B.开发采用伺服电机直接驱动的液压机主油泵；C.研究能量回收系统；D.开发专用控制系统；E.开发智能化成形工艺库。目前日本网野、德国力士乐、穆格、威格士等国际著名液压元件制造公司都已开发了交流伺服液压机，并已经形成系列产品，国内合肥合锻机床股份有限公司于2010年研发出SHPH27－200型伺服液压机用于试验研究，并于2012年将伺服液压机推向市场。目前已经开发了1000～10000kN的各类伺服液压机。2绿色节能技术尽管液压机有能量密度高、工艺万能性、成本低等优点，但是能耗大、能量利用率低、噪声大、液压油泄漏对环境污染大等问题，一直阻碍其发展。绿色节能技术是提高液压机的能量利用率，并降低液压泄漏，该技术也成为衡量液压机的一项重要指标，绿色节能技术将会会成为未来液压机的一个重要发展方向。液压传动中系统的能量传递过程为：电能、化学能-机械能-液压能-机械能，如图4所示。液压系统的能量损失可分为三类：(1)能量转换元件的转换损失。包括液压泵和液压马达中的机械摩擦损失、压力损失和容积损失，这些能耗主要形成温升转化为热量,而热能不可逆,不能加以回收利用。能量损耗的多少不仅与能量转换元件类型有关，还与工况、运行工作点以及磨损情况等因数有关。（2）液压回路传输损失。过剩流量和过剩压力是产生液压回路能量损失的根本原因。液压传动系统中，节流控制是实现各种控制功能的基本方法，但液阻不可避免的会产压降，这种压降必然是一种能量损耗，这部分能量主要以热能的形式传递到环境中，不可回收，这些能耗主要与液压回路有关。（3）液压源与负载不适应而产生的匹配损失。液压机的吨位在设计之初已经固定，在不同工件加工过程往往会出现大马拉小车的现象，这必然造成液压源供给系统的能量大于需求，而造成能量浪费，此外一般液压机的有效工作行程仅为总行程的1/3甚至更小，空行程阶段主缸充满高压油液，造成能量浪费，这也是油温升高的另一个重要原因。图4液压系统中的能量损失根据分析可知，要实现液压机的节能可以从下面两个方面考虑：一是选择合适高效的液压元件，改善和提高元件的能量转换效率；二是选择设计合理的液压系统，改善和提高液压系统回路的效率。目前国内外对液压机绿色节能的研究重点主要集中在以下几个方面：2.1节能型液压元件节能型液压元件主要集中在液压泵和液压控制阀。世界四大液压元件生产公司都将电子控制与液压泵变量控制相结合，得到较好的节能效果，如前文提到的伺服控制技术，与此同时液压泵与原动机的一体化和自由活塞内燃机的结合使用具有高效率、噪声低等优点，受到国内外研究人员的重视。液压控制阀多采用节流原理，造成压降损失，而基于磁流变液和电流变液的控制阀，利用磁场和电场改变流体粘性达到改变回路压强的方法无压降损失，节能效果明显，给液压节能技术提供了新的思路。2.2节能型液压系统日本研究人员江木正夫曾根据节能效果将液压系统节能化的发展划分为五个阶段，即节流阀控制、负载感应阀控制、负载感应泵控制、泵容积控制和泵回转数控制阶段，其发展趋势由阀控制逐渐转为泵控制。泵节能的核心思想是是液压源提供的功率与负载匹配，基于这一思想出现了很多节能系统，如混合动力技术、变频调速技术、液压变压器技术和二次调节系统以及能量回收系统（图）。未来液压节能系统可能是一些先进技术的融合，如将变频调速技术、能量回收技术和二次调节技术的结合在一起将会有更好的节能效果。2.3水压传动技术水液压技术其实是在第一次工业革命中兴起的古老技术，是液压传动技术的初始阶段，而后随着石油工业的发展，液压油取代了水作为工作介质，而随着世界各国对节能环保的呼声越来越高，许多科学又把目光投向了水这一环保工作介质。液压传动技术向水液压传动技术的发展研究，不是技术的简单的重复和循环，而是要向更高的阶段发展。从经济性、环保性、难燃性、与工作环境的相容性以及可持续发展等方面考虑，自来水（或海水）都是一种理想的工作介质。它的主要优点有：1)成本较低；2)对生产产品无污染；3)抗燃性好；4)可压缩性小。但是要想将水压技术得到真正意义上的工业应用必须解决防腐、气蚀、润滑、防冻等关键技术，这给液压机带来了挑战和机遇。3集成化技术5.1电机与阀一体化电磁直驱阀是一种将电机与普通液压阀集成在一起的新型液压阀，如图所示，该阀的该阀的电机械转换器是永磁直线力马达，用它来直接驱动阀芯，与传统伺服阀相比，它取消了喷嘴-当班前置级，用先进的位移传感器替代了工艺负载的机械反馈装置，简化了结构提高了可靠性，大大降低了制造成本。该阀已广泛应用于压铸、冶金等重工业设备上。1零位调整塞2插座3阀芯4阀套5对中弹簧6直线马达7位置传感器8集成电路MOOGDDV伺服阀结构图5.2电机与泵一体化液压电机泵是一种将液压泵与原动机高度融合的新型液压动力元件，该结构形式的电机泵比传统的通过联轴器将两者进行联接的电机—泵装置更具有优势，如结构紧凑、功率重量比大、体积小、噪音和振动低、可靠性高等等，电机内置省去联轴器整体尺寸减少20%，工作噪声减少10dB以上，德国VoithTurboHLHydraulic公司与日本大金公司均有这方面的系列产品，国内在这方面的产品较少，图为燕山大学设计的一种轴向柱塞液压电机泵。这种结构是将永磁同步电动机与斜盘式轴向柱塞泵高度集成，以永磁同步电动机为基础，在电机转子内部设置有斜盘式轴向柱塞泵，其泵的进油口和出油口分别设在泵体两端，整个流道环绕在泵体侧壁，通过流体在泵内循环流动以带走电机定、转子以及各种摩擦等产生的热量，起到散热冷却的作用。1前端盖2大轴承3进油口4泵套5壳体6斜盘7电机转子8回程盘9滑靴10柱塞11缸体12配流盘13小轴14电机定子15后端盖16小轴承17回油口轴向柱塞液压电机泵结构图4机液复合驱动技术机械压力机和液压机的设计人员和制造者,长期以来围绕机械压力机和液压机的优点和不足,争论不休,各抒己见。但是有一点是无可争辩的事实,那就是两者都在扬长祛短,吸收对方的优点,逐渐完善本身。把液压驱动和机械驱动同时应用在一台压力机上成为近几年研究的热点，国内外有很多类似的专利，图（）为一种典型的机械液压复合式压力机。1液压系统2伺服电机3机械连杆4滑块5机身图机械液压复合式压力机机空行程采用伺服电机驱动曲柄连杆机构，在连杆完全竖直处于锁模状态时液压系统驱动油缸进行公称力压制。机械液压复合式压力机将空行程与公称力行程单独驱动，空行程采用伺服电机驱动机械连杆，有效的降低了液压能在空行程阶段的浪费，并最大限度的保留了机械压力机快速精确定位的优点，空行程电机为伺服电机，提高了控制精度。1大电机2内缸体3行星丝杠4外缸体5行星减速器6小电机7活塞杆空行程与工作行程单独驱动增压缸基于空行程与工作行程单独驱动原理，可以设计很多节能型液压缸，图为一种结合行星丝杠和伺服电机的增压缸，空行程采用小功率电机驱动，工作行程采用大功率电机配合行星减速器和增压腔，整体结构设计巧妙，紧凑。国内外在近几年在机械液压复合驱动方面作了大量工作,其中以德国和日本的研究成果具有代表性。尽管两国的设计方案不同,德国是以机械传动(即曲柄一连杆系统)作为压力机的主传动,日本则相反,把液压系统作为主传动,但是两种模式的基本宗旨都是把机械压力机和液压机的优点综合应用到一台压力机上。不少公司(其中不乏知名的大企业)和科研单位在这方面投入了大量人力、财力,事情本身就足以反映出这项科研开发项目的重要意义。具有实用性的样机已经开发出来,但仍需经过一段时间的各种试验并不断完善。相信在可以预见的将来,这种新型压力机将会有产品供应市场,满足用户需要。5多工位液压机技术汽车覆盖件和结构件生产过程需要冲压、翻边、整形、冲孔等多个冲压工艺，对于某些高强钢板还需要热成形，以前都是采用单工位压力设备分别逐步完成各个工序，由于设备分散布置，坯料需要中间输送，降低了生产效率，增加了占地面积，对于热成形工件，中间需要二次加热，浪费能源。多工位压力机是先进的压力机设备，是多台压机的集成，一般由线头单元、送料机构、压力机和线尾部分组成。最快节拍可达25次/分以上、可满足高速自动化生产多工位液压机结构如图所示，采用整体焊接的框架结构，将多个液压缸有序的排列，配合自动上下料技术可以快速的完成零件从坯料到产品的