1.3?液壓技術發(fā)展

1.3.1　液壓傳動技術的歷史

液壓技術的發(fā)展是與流體力學、材料學、機構學、機械制造等相關基礎學科的發(fā)展緊密相關的。

對流體力學學科的形成最早作出貢獻的是古希臘人阿基米德(Archimedes)。1648年,法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體中壓力傳遞的基本定律,奠定了液體靜力學基礎。

17世紀,力學奠基人牛頓(Newton)研究了在流體中運動的物體所受到的阻力,針對黏性流體運動時的內摩擦力提出了牛頓黏性定律。

1738年,瑞士人伯努利(D.Bernoulli)從經典力學的能量守恒出發(fā),研究供水管道中水的流動,通過試驗分析,得到了流體定常運動下的流速、壓力和流道高度之間的關系——伯努利方程。

歐拉(L.Euler)方程和伯努利方程的建立,是流體動力學作為一個分支學科建立的標志,從此開始了用微分方程和試驗測量進行流體運動定量研究的階段。

1827年,法國人納維(C.L.M.Navier)建立了黏性流體的基本運動方程;1845年,英國人斯托克斯(G.G.Stokes)又以更合理的方法導出了這組方程,這就是沿用至今的N?S方程,它是流體動力學的理論基礎。

1883年,英國人雷諾(O.Reynolds)發(fā)現液體具有兩種不同的流動狀態(tài)——層流和湍流,并建立了湍流基本方程——雷諾方程。

自16世紀到19世紀,歐洲人對流體力學、近代摩擦學、機構學和機械制造等學科所作出的一系列貢獻,為20世紀液壓傳動的發(fā)展奠定了科學與工藝基礎。

在帕斯卡提出靜壓傳送原理以后147年,英國人布拉默(J.J.Bramah)于1795年登記了第一項關于液壓機的英國專利。兩年后,他制成了由手動泵供壓的水壓機。到了1826年,水壓機已被廣泛應用,成為除蒸汽機以外應用最普遍的機械。此后,還發(fā)展了許多水壓傳動控制回路,并且采用機能符號取代具體的結構和設計,方便了液壓技術的進一步發(fā)展。

值得提出的是,1905年,美國人詹尼(Jenney)首先將礦物油引入液壓傳動中,將其作為工作介質,并設計制造了第一臺油壓軸向柱塞泵及由其驅動的液壓傳動裝置,并于1906年應用于軍艦的炮塔裝置上,揭開了現代液壓技術發(fā)展的序幕。

汽車工業(yè)的發(fā)展及第二次世界大戰(zhàn)中大規(guī)模的武器生產,促進了機械制造工業(yè)標準化、模塊化概念和技術的形成與發(fā)展。1936年,美國人威克斯(Harry Vickers)發(fā)明了以先導控制壓力閥為標志的管式系列液壓控制元件,20世紀60年代出現了板式及疊加式液壓元件系列,70年代出現了插裝式液壓元件系列,從而逐步形成了以標準化功能控制單元為特征的模塊化集成單元技術。

20世紀,控制理論及其工程實踐得到了飛速發(fā)展,為電液控制工程的進步提供了理論基礎和技術支持。

電液伺服機構首先被應用于飛機、火炮液壓控制系統(tǒng),后來也被用于機床及仿真裝置等伺服驅動中。在20世紀60年代后期,發(fā)展了采用比例電磁鐵作為電液轉換裝置的比例控制元件,其魯棒性更好,價格更低廉,對油質也無特殊要求。此后,比例閥被廣泛用于工業(yè)控制。

在20世紀,液壓技術的應用領域不斷得到拓展。液壓傳動與控制已成為現代機械工程的基本要素和工程控制的關鍵技術之一。

1.3.2　液壓技術的發(fā)展趨勢

液壓技術是實現現代化傳動與控制的關鍵技術之一,世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給予了很大的關注。據2008年統(tǒng)計,世界液壓元件的總銷售額為400億美元。世界各主要發(fā)達國家液壓工業(yè)銷售額占機械工業(yè)產值的2%~3.5%,而我國只占1%左右,這充分說明我國液壓技術使用率較低,努力擴大其應用領域將有廣闊的發(fā)展前景。

液壓技術具有獨特的優(yōu)點,如液壓技術具有功率重量比大,體積小,頻響高,壓力、流量可控性好,可柔性傳送動力,易實現直線運動等優(yōu)點;氣動傳動具有節(jié)能、無污染、低成本、安全可靠、結構簡單等優(yōu)點,并易與微電子、電氣技術相結合,形成自動控制系統(tǒng)。顯然,液壓技術廣泛應用于國民經濟各部門。但是近年來,液壓氣動技術面臨與機械傳動和電氣傳動的競爭,如數控機床、中小型塑機已采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代液壓傳動。其主要原因是液壓技術存在滲漏、維護性差等缺點。為此,必須努力發(fā)揮液壓氣動技術的優(yōu)點,克服缺點,注意和電子技術相結合,不斷擴大其應用領域,同時降低能耗、提高效率、適應環(huán)保需求、提高可靠性,這些都是液壓技術繼續(xù)努力的目標,也是液壓產品參與市場競爭能否取勝的關鍵。

由于液壓技術廣泛應用了高科技成果,如自控技術、計算機技術、微電子技術、可靠性及新工藝新材料等,因此使傳統(tǒng)技術有了新的發(fā)展,也使產品的質量、水平有了一定的提高。盡管如此,目前的液壓技術不可能有驚人的技術突破,應當主要靠現有技術的改進和擴展,不斷擴大其應用領域,以滿足未來的要求。其主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面。

(1)液壓節(jié)能技術

液壓技術在將機械能轉換成壓力能及反轉換過程中總存在能量損耗。為減小能量的損失,必須解決下面幾個問題:減少元件和減小系統(tǒng)的內部壓力損失,以減小功率損失;減小或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失,盡量減少非安全需要的溢流量;采用靜壓技術和新型密封材料,減小摩擦損失;改善液壓系統(tǒng)性能,采用負荷傳感系統(tǒng)、二次調節(jié)系統(tǒng)和蓄能器回路。

(2)泄漏控制技術

泄漏控制包括防止液體泄漏到外部造成環(huán)境污染和外部環(huán)境對系統(tǒng)的侵害兩個方面。今后將發(fā)展無泄漏元件和系統(tǒng),如發(fā)展集成化和復合化的元件和系統(tǒng),實現無管連接,研制新型密封和無泄漏管接頭、電動機液壓泵組合裝置等。無泄漏將是世界液壓界今后努力的重要方向之一。

(3)污染控制技術

過去,液壓界主要致力于控制固體顆粒的污染,而對水、空氣等的污染控制往往不夠重視。今后應重視解決以下問題:嚴格控制產品生產過程中的污染,發(fā)展封閉式系統(tǒng),防止外部污染物侵入系統(tǒng);應改進元件和系統(tǒng)設計,使之具有更大的耐污染能力。同時應開發(fā)耐污染能力強的高效濾材和過濾器,如研究對污染的在線測量;開發(fā)油水分離凈化裝置和排濕元件,以及開發(fā)能清除油中的氣體、水分、化學物質和微生物的過濾元件及檢測裝置。

(4)主動維護技術

開展液壓系統(tǒng)的故障預測,實現主動維護技術。必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現代化,加強專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,建立完整的、具有學習功能的專家知識庫,并利用計算機和知識庫中的知識,推算出引起故障的原因,提出維修方案和預防措施。要進一步開發(fā)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件,開發(fā)液壓系統(tǒng)自償系統(tǒng),包括自調整、自校正,在故障發(fā)生之前進行補償,這是液壓行業(yè)努力的方向。

(5)機電液一體化技術

機電液一體化可實現液壓系統(tǒng)柔性化、智能化,充分發(fā)揮液壓傳動出力大、慣性小、響應快等優(yōu)點,其主要發(fā)展動向如下:液壓系統(tǒng)將由過去的電液開發(fā)系統(tǒng)和開環(huán)比例控制系統(tǒng)轉向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng),同時對壓力、流量、位置、溫度、速度等傳感器實現標準化;提高液壓元件性能,在性能、可靠性、智能化等方面更適應機電一體化需求,發(fā)展與計算機直接接口的高頻、低功耗的電磁電控元件;液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油污染度等數值將實現自動測量和診斷;電子直接控制元件將得到廣泛采用,如電控液壓泵可實現液壓泵的各種調節(jié)方式,實現軟啟動、合理分配功率、自動保護等;借助現場總線實現高水平信息系統(tǒng)簡化液壓系統(tǒng)的調節(jié)、爭端和維護。

(6)液壓CAD技術

充分利用現有的液壓CAD設計軟件,進行二次開發(fā),建立知識庫信息系統(tǒng),它將構成設計—制造—銷售—使用—設計的閉環(huán)系統(tǒng)。將計算機仿真及實時控制結合起來,在試制樣機前,便可用軟件修改其特性參數,以達到最佳設計效果。下一個目標是,利用CAD技術支持液壓產品到零部件設計的全過程,并把CAD/CAM/CAPP/CAT以及現代管理系統(tǒng)集成在一起,建立集成計算機制造系統(tǒng)(CIMS),使液壓設計與制造技術有一個突破性的發(fā)展。

(7)新材料、新工藝的應用

新型材料的使用,如陶瓷、聚合物或涂敷料,可使液壓技術的發(fā)展發(fā)生新的飛躍。為了保護環(huán)境,研究采用生物降解迅速的壓力流體,如采用菜油基和合成酯基或者水及海水等介質替代礦物液壓油。鑄造工藝的發(fā)展將促進液壓元件性能的提高,如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用,可優(yōu)化元件內部流動,減小壓力損失和降低噪聲,實現元件小型化。