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    液壓技術的新突破

    來源:http://www.alemdascurvas.com/ 人氣: 發表時間:2017-01-09 15:52:18

    一. 液壓——制造業的基礎器件
    液壓是利用液體不可壓縮的特性,利用巴斯卡定律和能量守恒的原理建立起來的一門科學。因為高壓液體攜帶了巨大的能量,所以在工業中獲得十分廣泛的應用。
    液壓件是制造業的核心部件,它具有重量輕、輸出力量大、使用方便、運行平穩、便于控制等眾多優點,廣泛應用于冶金、機械、石油、航空、航天、航海、軍事等各個領域,已經形成了極為龐大的液壓產業。液壓元件的規格和種類繁多,產品有成百上千種。
    1. 液壓的基礎元件為液壓泵。它是將電動機、發動機的能量轉換為液壓能,分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。
    2. 液壓的執行元件為液壓缸和液壓馬達。液壓缸完成直線運動,分為柱塞缸、活塞缸、單作用缸、多級缸等。液壓馬達完成旋轉運動,分為齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達等。
    3.液壓的功能元件是各種液壓閥。它主要是控制油流的方向和大小,用來控制油缸或油馬達的方向、速度和位置,分為方向閥、壓力閥、單向閥、節流閥、調速閥、比例閥、伺服閥、插裝閥等。
    液壓技術已經有近200年的歷史,它是隨著社會和技術的進步逐漸發展和完善起來的,尤其是高端軍事領域和高端裝備制造以及各種自動化設備的需要,促進了高端伺服液壓的快速發展。
    二. 我國液壓工業的現狀
    液壓技術是國家的基礎技術,廣泛應用于國民經濟的各個領域,直接影響到裝備制造業的強弱,是衡量一個國家工業化水平的重要標志之一。世界上所有制造強國都是液壓強國,如美國、德國、日本、法國等。我國的液壓產業現狀卻不容樂觀。
    上世紀60年代初,我國開始引進液壓技術,首先引進日本系列的液壓產品,在山西榆次建立了第一個液壓產業基地,隨著液壓在中國獲得應用的領域不斷擴展,大量的民營企業開始仿制國外的低端產品,目前已形成1000多家液壓件廠的龐大產業,大量生產低端液壓元件。
    改革開放后,我國80年代引進了德國系列的產品,建立了北京華德液壓,但產品還是屬于中低端技術水平。德國液壓產品隨著德國成套設備大規模引進,開始占領中國的主要市場,這就是目前德國“博士—力士樂”系列。在德國大規模占領中國市場后,美國技術逐漸進入中國市場,這就是美國的”依頓—威格士”系列。后期還有意大利的“阿托斯系列”等進入中國市場。
    目前,中國的高端液壓市場都是國外產品占據主導地位,比如冶金、軍事、石油、電力、海洋、重型機械等領域,尤其是工程機械領域,中國20噸以上挖掘機所用的液壓件基本控制在日本川崎和德國力士樂手中。中國工程機械受制于國外液壓企業,近5000億元產值的大部分利潤被外企拿走,成了中國的“鎖喉之痛”。其原因在于,我國的制造業發展戰略長期以來重主機、輕配件,對液壓產業的重視程度不足,缺乏基礎研發投入。加上高端液壓產品研發投入巨大(幾千萬到數億元),涉及的領域又多(機、電、液、傳感技術、控制技術、加工技術、熱處理技術、表面處理技術、基礎材料、基礎工藝等),致使許多企業沒有勇氣和能力去研發高端液壓產品。
    隨著國民經濟各領域都獲得了巨大發展。中國已成為世界制造大國,但液壓技術落后世界(據行業協會估計落后10-15年),已經嚴重制約了中國制造業的發展,更制約了中國從制造大國向制造強國的轉變。在行業協會和許多有識之士的積極推動下,國家已經將液壓產業納入“十二五”發展規劃,明確提出發展目標,制定了多項攻關計劃,并第一次將“數字液壓”也列入其中。
    從2009年起,全國各地,如遼寧阜新、山西榆次、四川瀘州、山東常林、江蘇常州等地,以及徐工、三一等企業,爭相投入數十億到上百億元資金發展液壓產業,總投入超過300億元。與此同時,各大主機廠也掀起了并購世界液壓公司的高潮,如三一重工收購德國大象、普茨邁斯特;山東濰柴收購德國林德;徐州重工收購德國FT(Fluitronics)公司、荷蘭AMCA公司等,資金總數也超過百億,目的都是希望快速縮短液壓產業與國外的差距。
    2012年,行業協會集中全國的液壓專家,編制了國家液壓傳動與控制20年發展路線圖,希望按照跟蹤、仿制、創新、超越四步走的路線,到2030年達到世界先進水平。2013年1月,工信部牽頭,三個行業協會聯手,42個主機廠和液壓企業、全國的資深專家等參與,在天津工程機械研究院成立了工程機械的攻關平臺,希望用3-5年的時間,以舉國之力攻克制約工程機械發展的高端液壓技術難題,扭轉高端液壓元件長期依賴進口的局面。
    據報道,中國目前液壓行業的總產值還不如德國力士樂公司一家在全球的液壓件銷售額,液氣密行業協會對中國液壓等機械基礎件行業現狀的說法是“我們還沒有掌握核心技術,我們還受控于人”。
    三. 數字液壓— 一種新的液壓
    21世紀是計算機技術、數字技術、信息技術的時代,液壓技術必然要與計算機技術相結合,這是發展方向。數十年來,德國、日本、法國、美國等對數字液壓都進行了研究,但一直沒有突破性進展。其原因在于,國外走了一條元件數字化的道路。元件數字化不能充分發揮數字技術的優越性,其控制思想和控制方法沒有任何改變,只是將液壓傳動鏈條中的一個環節進行了數字化,這種數字化液壓元件融入傳統的模擬液壓鏈條中,不能充分發揮數字技術的優越性,無法與傳統技術的比例閥和伺服閥競爭。
    我們數字液壓走的是一條全程數字化道路,30年前研制成功了第一代數字缸,并完成了理論研究,建立了數學模型(1),第一代數字缸是機械位移傳感器與數字伺服閥構成直接速度和位移反饋,并于1990年用于航天部的裝彈機構上。一直生產使用至今。
    第一代數字缸的工作原理和信號流如下圖:
    第一代數字缸精度非常高,定位精度可以達到微米級,但它也有一個缺點,就是行程做不長,速度太慢,不適宜廣泛的工業應用。為了克服這個缺點,于1990年推出了外反饋的第二代數字缸,克服了速度慢,行程短的不足,2000年用于海軍六自由度訓練平臺模擬試驗臺。但第二代數字缸外反饋結構復雜,可靠性差,不適宜大批生產。又于2003年發明了第三代數字缸,即雙內反饋數字缸,將反饋機構裝進缸內。這一代數字缸綜合了前兩代數字缸的優點,克服了缺點,可以將高速度、長行程、可靠性統一起來。第三代數字缸已用于某軍事裝備上。至此,前后共花費了近20年的時間,才完成了數字液壓缸的工業性應用準備。
    此后,我們對第三代數字缸不斷進行改進和完善,終于獲得用戶的認可,將其用于冶金、機械、石油、海洋、軍事等諸多領域中,均取得成功。
    第三代數字液壓缸是將伺服閥、機械位置傳感器與油缸做成一個整體,油缸在移動過程中,機械位置傳感器與數字伺服閥構成自動閉環控制,計算機或控制器發出的脈沖信號與油缸的速度和位置構成一一對應的關系,脈沖的頻率就是油缸的速度,脈沖的總數就是油缸的行程,精確對應。從而將傳統液壓復雜的、通過電傳感器而實現的閉環控制變成了簡單的開環控制。
    第三代數字缸的成功應用,支撐了數字技術的深入研究和發展。但中國還有大量已在使用的各種傳統液壓驅動的主機,能否不做大的改動,就將這些落后的液壓主機變成先進的數字液壓主機?這一想法使我們確立了新的研究方向,在“數字液壓”全程數字化方向的指引下,又進而研制成功分散的數字液壓系統,發明了油缸內置數字傳感器、數字伺服閥、數字專用的數字控制器等等。
    利用這一套數字液壓系統,原有的液壓主機無需任何改動就能變成先進的數字液壓主機。這種數字液壓系統由普通液壓缸+數字傳感器+數字伺服閥+數字控制器等構成。它的控制原理與控制一體化數字缸一樣,仍然采用開環控制,沒有任何復雜的參數調節。如此一來,就進一步擴大了數字液壓的應用領域。
    目前我們已經開發出了多種精度、多種行程、多種規格的整體式數字液壓缸,也相繼發明了油缸內置數字傳感器、雙驅動數字伺服閥、單驅動數字伺服閥、大流量插裝數字伺服閥、數字油馬達、數字擺動馬達、數字變量泵、數字敏感伺服閥、數字敏感伺服缸、數字振動缸、數字超高頻振動缸、數字超長行程多級缸等10多種核心液壓元件,基本覆蓋了傳統液壓的所有領域。由于這些元件加工簡單、制造容易、性能優良、使用可靠、維護方便、價格便宜、通用性強等眾多優勢,獲得用戶的認可。以下是已經發明成功的部分數字液壓系列元件:
    數字液壓的應用實例
    一項發明是否先進,必須經過市場的嚴格檢驗。實踐是檢驗真理的唯一標準,數字液壓也必須經受應用實踐的嚴格考核,才能證明它的先進性和適用性。以下是一個典型的應用實例:
    (1)水電領域的筒形閥
    在水電領域的水輪機發電裝置中,有一個關斷水流的設備叫筒形閥。這是一個8-10米直徑的圓筒,重達數十噸。圓筒中間是水輪機,外端是強大的水流,筒形閥升降要求響應速度快,受控性好,是用來開關水流,實現水輪發電機起、停的關鍵設備。筒形閥靠6只液壓缸高精度上下同步升降,升降高度一般是1米到2.6米,每缸之間的同步升降誤差要求很高。如果升降不同步,筒形閥就會卡在縫隙內造成故障。筒形閥有很多優點,但解決多油缸高精度同步是一大難題。水電行業長期不能解決,只好引進國外機械同步專利,但效果不好,只好成套購買國外液壓產品,但由于價錢昂貴、系統復雜、調試麻煩,更主要的是效果也不好。
    用戶只好尋找新的出路,與我們合作開展了數字液壓在水輪機上的應用。2009年7月在30萬千瓦機組上一次投運成功,所有指標均處于先進水平,且設備重量輕、調試時間短,價格便宜,精度高,控制簡單,無故障運行2年多后,2011年被鑒定為“全球首創”。目前已推廣應用了17套,為用戶節省了約5000萬元的費用。
    除上面的典型應用實例外,還用于航天系統的導彈發射裝置中的多自由度裝彈機構、海軍六自由度運動平臺、石油深井測量、海底地質測量、冶金高爐控制、連鑄液壓振動、蕪湖鑄管設備等等數十個項目均取得成功,解決了用戶的難題,得到用戶好評。尤其值得一提的是2014年1月16日媒體報道:“國產數控減搖鰭助力中國釣魚島亮劍”, 作為維權主力船之一的“中國海警2337”號首次用上了國產新型數控減搖鰭。該技術實際就是5年前我們提供給有關大學的機械反饋數字伺服閥的應用實例。目前,有關方面又引進了我們的一體化數字缸正擬用到艦船舵機的控制中,說明數字液壓技術已經引起了包括海軍等多方面的重視。
    四. 數字液壓的意義
    液壓是工業自動化的基礎,是制造強國的必需。近20年來,世界傳統液壓技術沒有突破性的進步,其發展幾乎走到了盡頭。
    傳統液壓有個天生的缺陷,即不能與計算機技術、數字技術和信息技術很好地結合,尤其是伺服元件結構過于復雜,牽連領域太多,制造材料要求苛刻,制造難度太大,調試使用維護麻煩,售價之高讓用戶難以接受,大規模推廣困難。
    而數字液壓與計算機技術、數字技術和信息技術組網特別方便,又沒有特別需要高強度鑄件的要求,它結構簡單,用料一般,制造容易,抗污染能力強,成本低廉,調試方便,操控智能化,故障率低,維護容易,壽命較長,控制精度、響應速度及節能降耗等性能良好。突破了傳統高端液壓元件的設計障礙、材料障礙、工藝障礙、制造障礙。現有的數字液壓元件包括缸、泵、閥、油馬達、傳感器、控制器,幾乎覆蓋了傳統液壓的所有應用領域,不但濃縮了液壓產業,而且擴展了液壓的應用領域。
    數字液壓技術若能得到全面推廣,中國的高端重型裝備、高端工程機械、高端重型主機、高端軍事裝備、各種高端自動化作業線將可全面升級,意義重大,影響深遠。
    - 本文出自愛液壓論壇

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