工程機械液壓技術發(fā)展綜述

 

中號TH137由于液壓傳動具有功率密度高，易于實現(xiàn)直線運動速度剛性大便于冷卻散熱動作實現(xiàn)容易等突出優(yōu)點。因而在工程機械中得到了廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計。目前95以上的工程機械都采用了液壓技術。工程機械液壓產(chǎn)品在整個液壓工業(yè)銷售總額中占40以上，現(xiàn)在采用液壓技術的程度已成為衡量個國家工業(yè)水平的重要指標。

 

1工程機械液壓技術發(fā)展的幾個時期工程機械*初引用液壓技術是為了解決車輛轉向阻力問，以減小司機的勞動強度，在轉向系引用了液力助力器。由于液力助力器在應用過程中顯出的突出優(yōu)點以及人們對液壓元件液壓系統(tǒng)研究的深入，液壓技術很快在工程機械其它動作部分得到了廣泛應用，其發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個時期。

 

初期發(fā)展時期。2，世紀十年代是工程機械液壓技術發(fā)展的初期階段。在這時期。人們摸索著將簡單的液壓元件和液壓系統(tǒng)應用到工程機械上來解決其它方式實現(xiàn)比較困難的問如執(zhí)行元件的直線運動等。這時期，液壓系統(tǒng)壓力很低，般在2MPa7MPa.

 

高速發(fā)展時期。工程液壓技術應用在20世紀60年代進入了高速發(fā)展時期。這時期液壓系統(tǒng)的主要特點是高速高壓化。系統(tǒng)壓力提高到了20MPa.系統(tǒng)壓力的提高使得液壓傳動功率密度大幅度增加如液壓泵功率重量比由5，年的+，8提高到了2評義8液壓元件的重量明顯下降。液壓技術的應用逐漸由工程機械工作裝置擴展到轉向系行走系傳動系和制動系。在這時期，人們研制出了全液壓挖掘機和全液壓叉車等工程機械。液壓技術趨于了成熟化。

 

重視環(huán)境時期。由于泵的工作容積與吸壓腔的轉換會導致容腔壓力急劇變化。而這個變化傳給泵體就形成噪聲。因此。高速高壓的結果必然導致噪聲。試驗證明，液壓泵壓力或排量每增加倍。其噪聲約增加338六；泵轉速每增加倍，其噪聲約，加618六，因此液壓系統(tǒng)噪聲限制了液壓傳動功率密度的進步提高。在20世紀70年代初中期，工程機械液壓技術研究主要圍繞降低液壓系統(tǒng)及整機的工作噪聲。

 

重視可靠性時期。由于工程機械大多數(shù)是野外作業(yè)的施工機械，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常受到塵埃振動高低溫風雨雪臭氧的侵襲。造成液壓油污染，引發(fā)故障。據(jù)統(tǒng)計，工程機械液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障的*大原因來自于液壓油的污染約占液壓系統(tǒng)故障的7085.因此在20世紀70年代后期，降低工程機械液壓系統(tǒng)污染，提高系統(tǒng)可靠性成為這時期的主要研究課。

 

電子計箅機技術與液壓技術結合時期。進入20世紀80年代，隨著電子技術的迅猛發(fā)展，笫作者男，964年生，講師，張家口市075024電子器件的可靠性大大提高，在2，世紀80年代，人們將采用高速開關閥和步進電機拖動的數(shù)字閥的脈寬調(diào)制PWM型電液伺服系統(tǒng)和數(shù)字增道控制IDC型電液伺服系統(tǒng)應用到了液壓挖掘機上，提高了液壓系統(tǒng)的效率，降低了生產(chǎn)成本。2，世紀8，年代末，年代計算機技術得到了長足的發(fā)展，使現(xiàn)代控制理論在液壓系統(tǒng)的應用成為可能，促使液壓技術迅速發(fā)展。單片機控制的變量泵，大大提高了液壓系統(tǒng)的效率。這時期。人們研制成功了智能型液壓挖掘機，使挖掘機標志著現(xiàn)代工程機械液壓傳動和液壓控制的*高水平。

 

2液壓技術在工程機械上的應用范圍液壓技術在工程機械工作裝置中的應用。由于液壓傳動的突出優(yōu)點，目前幾乎所有工程機械的工作裝置都采用了液壓傳動控制。即便以前很少采用液壓技術的塔式起重機，現(xiàn)也開始用低速大扭矩馬達驅動起重機的提升變幅回轉等機構，出現(xiàn)了全液壓塔式起重機，大大提高了起重機操作性能和調(diào)速性能。

 

液壓技術在工程機械轉向系的應用。許多工程機械如裝載機等采用了轉向油缸來實現(xiàn)整機轉向控制。全液壓工程機械如全液壓挖掘機等則通過對內(nèi)外側車輪的驅動馬達轉速的控制實現(xiàn)滑移轉向，甚至原地轉向，大大提高了整機的機動性和靈活性。

 

液壓技術在工程機械行走系的應用。由于靜壓傳動具有滿載工況下啟動平穩(wěn)，功率損耗小，易于實現(xiàn)前進倒退的轉換，可實現(xiàn)無級調(diào)速，且單位傳遞功率大等優(yōu)點，而廣泛應用在工程機械行走系如全液壓裝載機，全液壓挖掘機的行走系等。

 

液壓技術在工程機械傳動系及制動系的應用。目前大部分工程機械變速箱都采用了液壓操作的動力換檔變速箱。大大減小了司機勞動強度。提高傳動系換擋性能。，由于液壓制動器動作響應快，制動平穩(wěn)可靠，因而在工程機械制動系得到了普及應用總之，液壓技術幾乎遍及工程機械的每個運動部件，達到了無液不成機的程度。

 

3工程機械液壓系統(tǒng)存在的主要問液壓傳動效率低。統(tǒng)計資料明，液壓傳動工程機械的實際有效使用能僅有57，因此提高工程機械液壓系統(tǒng)效率直是人們的主要研茺課。影響液壓系統(tǒng)效率的因素很多，主要有液壓元件工作中產(chǎn)生的能量損失如泵和馬達的能量損失，油流經(jīng)閥的流動損失等；液壓泵與負載運動特性不適而產(chǎn)生的匹配損失如泵的壓力與負載大小的不適匹配，泵的流量與負載運動的不適合匹配等；液壓系統(tǒng)設計不合理而產(chǎn)生的能量損失取決于充件的數(shù)量和元件布局。長期以來，人們直圍繞提高液壓元件效率如泵，馬達，油缸等，減小管路和液壓元件的壓力損失和控制閥的節(jié)流損失。優(yōu)化系統(tǒng)設計和匹配進行了大量的研究。并采取了許多新技術和行之有效的措施來提高液壓系統(tǒng)的效率。如在工程機械行走系采用靜壓傳動系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)省掉了主回路中引起壓力損失的節(jié)流閥方向控制閥和平衡閥，因而它是種理想的節(jié)能系統(tǒng)。但僅限于執(zhí)行元件為液壓馬達的閉式回路系統(tǒng)。在開式回路如工程機械工作裝置等液壓回路中，采用了恒功率控制變量泵；負荷傳感技術和比例控制泵；液壓源的分合流技術；壓力控制技術；能量回收技術如合理使用蓄能器；次調(diào)節(jié)技術；電子匹配節(jié)能技術等。

 

盡管以上技術和措施使工程機械液壓系統(tǒng)效率有了明顯提高，便仍不能令人滿意，因此，提高工程機械液壓系統(tǒng)整體效率仍是今后人們研究的重要課之。

 

漏油嚴重。漏油不僅造成油液資源損失環(huán)境污染停機損失，而且還使系統(tǒng)效率下降。

 

據(jù)日本20世紀80年代的統(tǒng)計資料，在工程機械所有故障中，漏油僅限于外漏故障約占據(jù)2030.其中油缸漏油故障約占33，配管占23，液壓裝置占2與國外工程機械相比，我國工程機械漏油更為嚴重，走條線，停大片形象地描述了我國工程機械的現(xiàn)狀。我國在20世紀60年代就著手防漏治漏，但由于認識不足，成效不大。20世紀90年代，我國液壓行業(yè)管理部門要求參加質量承諾的企業(yè)，認真抓好防漏治漏工作，使出廠的液壓件做到不漏，在正常使用情況下2年不漏，液壓系統(tǒng)做到出廠不滲不漏，并要有防止意外漏油，不污染環(huán)境的措施產(chǎn)生漏油的主要部位除高壓軟管破損產(chǎn)生突發(fā)性漏油外，主要發(fā)生在油缸往復滑動面，栗外伸轉動處，管接頭部位等。產(chǎn)生漏油主要原因是工程機械作業(yè)過程中，配管各部分經(jīng)常承受發(fā)動機及泵旋轉而引起的周期性振動為外界載荷對機器的沖擊和振動，由此引起管接頭松動或疲勞破壞而導致破裂，產(chǎn)生漏油；此外工程機械惡劣的工作環(huán)境，使得活塞桿經(jīng)常粘附粉塵泥土風雨鹽霧的作用，造成油缸密封面過早磨損產(chǎn)生漏油。目前，工程機械液壓系統(tǒng)防漏治漏方面，除保證液壓元件加工及安裝質量，加強密封措施外，根據(jù)機器各部位漏油的幾率進行定期檢，也是防漏治漏切實有效的手段。然而，工程機械的高壓化又增加了防漏治漏的難度。

 

工程機械還會向大型高壓化發(fā)展，防漏治漏仍是今后工程機械液壓系統(tǒng)主要解決的問。

 

噪聲大。聲音超過7048便成噪聲，使人聽起來極不舒服，甚至使人煩燥不安。噪聲作為種污染已日益受到人們的重視。液壓系統(tǒng)的高壓化必然導致噪聲，并成為障礙工程機械液壓系統(tǒng)功率密度進步提高的主要因素。液壓系統(tǒng)噪聲分為液體噪聲和機械噪聲，其中流體噪聲占相當大的比例。流體噪聲是由于油液的流速壓力的突然變化以及氣穴等原因引起。如液壓泵的工作容積與吸壓腔的轉換等致容腔內(nèi)壓力急劇變化而引起噪聲；溶解在液壓油中的空氣在系統(tǒng)壓力低于空氣分離壓力時，迅速大量分離形成氣泡。這些氣泡遇到高壓便被壓破產(chǎn)生極強的液壓沖擊，引起噪聲；此外閥口噴射出的高壓流體可產(chǎn)生高頻噪聲。機械噪聲主要由于零件之間產(chǎn)生接觸，撞擊和振動引起的。如當液壓泵液壓馬達不平衡旋轉時就會產(chǎn)生周期性的不平衡力，引起轉軸的彎曲振動，產(chǎn)生噪聲，這種振動傳到油箱和管路還會發(fā)出很大的聲響。

 

減小液壓系統(tǒng)噪聲的措施，除在液壓泵和液壓閥油箱的安裝面上設置防振膠墊外，還盡量用液壓集成塊代替管道以減小振動；對于1以下的低頻噪聲，常用蓄能器來吸收；高頻噪聲通過增大管徑和使用軟管來吸收。此外。用帶有吸聲材料的隔聲罩將液壓泵等噪源罩起來也是種有效的降噪方法。目前，人們正在研究采用液體濾波器對液壓泵進行降噪的方法。

 

然而，到現(xiàn)在為止，伴隨提高工程機械液壓系統(tǒng)工作壓力而引起的振動和噪聲問仍未能從根本上得以解決，使得液壓系統(tǒng)的功率密度很難進步提高。

 

液壓系統(tǒng)污染嚴重。據(jù)統(tǒng)計，液壓機械故障的7080是液壓系統(tǒng)造成的，而液壓系統(tǒng)低工程機械液壓系統(tǒng)污染，提高系統(tǒng)可靠性作為個主要研究課。

 

工程機械液壓系統(tǒng)的污染物分為裝配污染物入侵污染物和生成污染物3種，其中裝配污染物可在廠家制造裝配與調(diào)試過程中得以控制，而入侵污染物和生成污染物則主要產(chǎn)生于設備使用過程中，它取決于工程機械的作業(yè)環(huán)境維護和保養(yǎng)水平。如液壓元件運動副及變速箱磨擦片磨損，密封件老化損壞都會產(chǎn)生形狀各異的污染物造成液壓系統(tǒng)的污染；此外，由于工程機械長期工作在野外惡劣的環(huán)境中。并且許多維修也在這種環(huán)境中進行，使得環(huán)境中的泥砂水灰塵等侵入液壓系統(tǒng)造成污染。因此生成污染物和浸入污染物是造成工程機械液壓系統(tǒng)污染的主要原因。這種有形污染物對液壓系統(tǒng)受害是很嚴重的，它不僅使泵馬達的滑動部分及閥運動副面劃傷磨損產(chǎn)生新的污染物配合間隙增大，加劇泄漏，還會使閥體內(nèi)的阻尼孔堵塞，過濾器失效，引發(fā)故障。此外，還會加劇油缸等執(zhí)行元件密封件的磨損，使此泄漏加大動作遲緩，功耗提高。目前對污染物的控制主要從加強工程機械液壓系統(tǒng)維護管理入手，如定期更換過濾器和液壓油，徹底清洗系統(tǒng)的油管油箱過濾器等。

 

雖然加強液壓系統(tǒng)維護管理可在定程度上有效地控制工程機械液壓系統(tǒng)的污染，然而發(fā)展新型磨材料和密封件，優(yōu)化液壓系統(tǒng)減小生成物和侵入污染物，仍有很多艱難的工作要做。

 

油中氣泡無形污染物。液壓油中的氣泡或泡沫又稱為油的無形污染物，它對液壓系統(tǒng)的危害也是相當大的，如它可使油液本身剛度下降，容積效率減小，系統(tǒng)可靠性降低；油中氣泡瞬間壓縮還會使其溫度急劇升高，引起油溫升高，加速油液氧化油溫在60以上時，每升高1其氧化速率成倍遞增，降低油的潤滑性。加速密封件老化；當系統(tǒng)因某種原因低于油中氣泡析出時，大量的微小氣泡就會浮到油與液壓元件內(nèi)壁上，并聚集成更大的氣泡，這些氣泡遇到高壓時，氣泡爆炸，引起固體壁面剝。蝕，導致氣蝕，并產(chǎn)生振動和噪聲。由于工程機械作業(yè)載荷變化頻繁，幅度很大，并且經(jīng)常受到外界沖擊力的作用，使液壓系統(tǒng)壓力頻繁變化，因此工程機械液壓系統(tǒng)中氣泡危害是不容忽視的。

 

油中的氣泡主要是通過油箱和泵的吸入管口摻混入油的，如當油箱面太低，泵吸入管口半露于油面或淹深很淺時，或泵出油管漏油，回油管口高于油箱油面時，都會使大量空氣吸入形成氣泡。油中少量空氣對油的物理性能沒有什么影響，但過飽和的空氣就會析出聚集較大的氣泡危害液壓系統(tǒng)。傳統(tǒng)氣泡消除方法都是利用系統(tǒng)中的必備的油箱進行氣泡的去除。如使油箱水平截面大于油液深度；設置隔板進油口盡量設置的遠些，體積大些等傳統(tǒng)的這些方法，氣泡去除效果很差，而且還使裝置整體結構變大使得油箱體積般為泵流量的35倍，很不經(jīng)濟。近幾年出現(xiàn)了幾種強制式氣泡去除器，比傳統(tǒng)去除效果有明顯提高，但仍不能令人滿意，因此，深入研究氣泡析出和去除機理，研制種更好的氣泡去掉裝置將為消除氣泡對液壓系統(tǒng)危害做出貢獻。

 

4工程機械液壓技術展望液壓驅動技術在工程機械中的地位仍相當穩(wěn)固。！液壓傳動所具有的其它傳動形式無與倫比的高的功率密度和便于實現(xiàn)直線運動是液壓傳動在工程機械中得以廣泛應用的主要原因。

 

據(jù)資料介紹，液壓執(zhí)行元件的功率重量比比電磁執(zhí)行元件要高出個數(shù)量級；液壓馬達開環(huán)速度剛度約為電動機的5倍；般工程機械工作壓力均可達到32，而電機定子和轉子材料磁飽和產(chǎn)生的面承載能力僅為l6MPa；此外由于工程機械工作裝置等都是多缸來驅動的，目前還沒有什么可能用滾珠絲桿之類的電動執(zhí)行元件完全取代它們2由于工程機械大都是野外施工機械，其作業(yè)環(huán)境十分惡劣，地面條件很差，且經(jīng)常轉移作業(yè)場地，因此，工程機械在施工現(xiàn)場般沒有現(xiàn)成的動力電源。即便有，大功率電傳動裝置所需采用的高壓電系統(tǒng)也存在著諸多不安全因素。此外，也并非所有工程機械都能接受用內(nèi)燃機驅動發(fā)電機組動力傳遞形式給機器帶來宏大的尺寸和機重問。據(jù)統(tǒng)計，由發(fā)動機液壓泵控制操縱裝置和液壓馬達組成的傳動系，其中液壓元件的附加重量僅為發(fā)動機發(fā)電機控制與操縱裝置和電機組成的傳動系中電氣元件附加重量的2，30.3與機械傳動相比，液壓傳動更容易實現(xiàn)其運動參數(shù)流量和動力參數(shù)壓力的控制。4電驅動裝置的制動能力現(xiàn)在仍無法與液壓傳動相比擬，特別是在低轉速范圍內(nèi)，后者可在車輛靜止時仍有制動能力。5工程機械大部分工作裝置和驅動輪額定轉較低幾十至幾百轉分。液壓傳動中，用低速大扭矩馬達可直接實現(xiàn)驅動。且尺寸緊湊噪聲低附加損失小而電傳動只有高速電機加減速器種實現(xiàn)方式。

 

電子技術計算機技術與液壓技術的結合。高性能高可靠性的液壓機械傳動輔以微電子計算機進行控制，可大大提高工程機械的行駛性作業(yè)性安全性和舒適性，這也是當前和未來工程機械的發(fā)展趨勢。1由于近2，年電子技術的迅猛發(fā)展，電子器件可靠性大幅度提高，集成度加大?，F(xiàn)在可以將電子器件及線路內(nèi)置封密于液壓元件中，即將電子驅動線路和信號處理儲存等都直接安裝在液壓件的殼體內(nèi)。它不僅可以提高液壓件的可靠性，減小配管，減小壓力損，提高效率，而且還可節(jié)省安裝空間，便于維修。因此未來的工程機械液壓元件將是抗污染能力強工作穩(wěn)定能耗小，可直接與計算機接口的數(shù)字型機電液體化產(chǎn)品。2由于內(nèi)置式電子線路的發(fā)展，對工程機械這類型電液系統(tǒng)，可實行分布或分布階控制。中央工控機起中央調(diào)度分配優(yōu)化管理監(jiān)控故障診斷等作用。可靠的，殺喑炭刂破髦苯涌刂聘髯酉低郴蚋饕，壓件，各子系統(tǒng)或液壓件能根據(jù)自身特殊要求完成采集處理儲存某種信息的功能。形成高度機電液體化智能型大型復雜控制系統(tǒng)。它不但可節(jié)約能源，提高工程機械的作業(yè)效率和作業(yè)精度，充分有效地利用發(fā)動機的輸出功能，防止液壓系統(tǒng)過載，而且還提高機械的可靠性和安全性。3通過電子和液壓的優(yōu)化配合和分工，越來越多的變量控制弱電功能將轉由電子技術來實現(xiàn)，液壓器件日趨成為個專用以完成能量轉化的功率傳輸強電功能元件。

 

自由活塞內(nèi)燃液壓泵與液壓變壓器的開發(fā)與利用。1自由活塞內(nèi)燃液壓栗是根據(jù)往復內(nèi)燃機與柱塞或液壓泵工作原理上的某種相似，而研制開發(fā)的種可直接利用燃料混合氣爆發(fā)能量的驅動裝置即將往液壓泵的柱塞直接與自由活塞式內(nèi)燃機的活塞相聯(lián)。近年來。荷蘭1陽站8公司制成了幾臺試驗樣機，并裝在叉車上進行了應用研究，芬蘭了3，4工業(yè)大學也對自由活塞原動機的優(yōu)化方案進行了探討。研究成果證明，它在增加動力傳動裝置的功率密度，提高能量轉換效率和降低制造成本等方面的潛力，但亦存在著明顯的困難。2液壓變壓器是為使眾多不具備雙向無級變量的液壓馬達和往復運動的液壓缸也能在次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的定壓網(wǎng)絡中運行而設計的種用于匹配用戶對壓力和流量不同需求的裝置，近年來，荷蘭lmnaS8公司發(fā)明了種新型液壓變壓器，它可滿足輸入輸出壓力流量乘積相等的要求即機上，用以向驅動行走裝置的低速定量馬達以及液壓轉向系統(tǒng)和門架系統(tǒng)供油。液壓變壓器的研究工作還僅處于起步階段。

 

純水液壓系統(tǒng)的發(fā)展與應用。近數(shù)十年，隨著石油價格的不斷上漲，人們對環(huán)境保護的重視，以純水為介質的液壓系統(tǒng)越來越引起工程機械液壓系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的重視。

 

純水介質具有價格低廉約為液壓油的。

 

泄漏不污染環(huán)境。阻燃性好，壓縮系數(shù)小等優(yōu)點，但亦存在著粘度低易泄漏，易氣蝕，工作溫度范圍窄350等缺點。目前純水液壓系統(tǒng)的泄漏問主要靠盡可能減小滑動面滑隙及改善密封來解決。加工很好的泵容積效率可達96.。潤滑問主要靠選用合適的材料。目前種較新種重要途徑。如美國食品及藥物檢驗局批準可用無毒的丙醇作為抗水劑；腐蝕氣蝕問主要采用含合適的材料如高硬度的陶瓷等。從國際發(fā)展情況看，近數(shù)十年，純水傳動有了很大發(fā)展。已制成了系列液壓元件，可以預，純水液壓系統(tǒng)將會大規(guī)模地應用在工程機械上。

 

工程機械液壓系統(tǒng)基礎元件功能模塊化組合化和集成化將進步提高，螺紋式的插裝閥和具有多種功能的組合閥將越來越多地被應用。