（机械电子工程专业论文）液压机的机械—液压复合式节能液压系统的研究及应用.pdf

拳 全文摘要 f f 随着世界石油资源越来越宝贵，节约能源韵呼声越来越商。液压技术体 为规城幸亍业的基础技术，节能间题也受到国内外液压界普遍重视，出现了许 多节能效采羲著的液箍元件和系统。 ， 本文捷出了一种新穗的液压梳节能液雒系统，对该系统进行了详缩深入 的理论研究，最终乎导出了较为糖确的计算公式，并使其在生产实践中得到了 检验。 第一章介绍了液压校i 抟现状和特点，以及液匿技术在液攫枧中豹应用情 况，并介绍了液压机及其液鹾系统的发展趋努：对液征技术酌特点及警今的 液压新技术作了重点介绍。 第二章对利用机械蓄能器( 飞轮) 的新受节能液歪系统遴行了深入的理 论研究。本章首先介绍了目前液压节能技术的现状和应用情况。根据液鹾机 瞬时工作的特点提出了采朋飞轮进行节能的瓤型节能液压系统，并介绍了目 藩这一课题圜蠹孙豹研究状况。随后进行了详细约研究，零出了计算公式， 并在皮革蓬力枫翁研制中得剽了验涯。此外逶对一般工况的垂力祝幂】羯飞轮 进行节能的液压系统进行了研究，同样褥出了计算公式。 第三章对逛墼鲻和液鹾蓄能器配合使用的节能液蘧系统进行了理论 上的研究，同时对系统中的圭要元件进行了研究。并迸行了仿真计簿，簸终 得出了这种新型节能液压系统的计算公式。 第霞章研制了三合一翻茹设备的新型液笨系统。本章酋先分析了潦膏系 统，找副了其失败的原因，在此基础上设计了新的系统，并对新系统进行了 性能分析。最届在生产实践中证明新系统满足了设备要求，且性能良好。 第五章对全文做了简要总结。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea m o u n to fr e s o u r c eo fp e t r o li sb e c o m i n gl e s sa n dl e s s ，t h es o u n df o r s a v i n ge n e r g yi sh i g h e ra n dh i g h e r b e c a u s et h eh y d r a u l i ci s t h eb a s i ct e c h n o l o g y o fm e c h a n i s m ，t h ep r o b l e mo fs a v i n ge n e r g yi nt h eh y d r a u l i cs y s t e mi sp a i dm u c h a t t e n t i o nb ym a n yc o u n t r i e s s om a n y h y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m h a v eb e e n i n v e n t e dt os a v ee n e r g y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wt y p eh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hs a v ee n e r g yf o r p r e s s ，a n dh a sd e e p l yr e s e a r c h e di ta n dp u ti ti n t op r a c t i c e i nt h ef i r s t c h a p t e r , i n t r o d u c et h e a c t u a l i t y 、f e a t u r ea n d t h e h y d r a u l i c t e c h n o l o g ya p p l i e di n t h ep r e s s ，a n dp r e s e n tt h et r e n do f p r e s sa n di t sh y d r a u l i c s y s t e m ；o n t h eo t h e rh a n d p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c et h ef e a t u r ea n dn e wt e c h n o l o g yo f h y d r a u l i cs y s t e m i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ea u t h o r d e e p l yr e s e a r c ht h en e wt y p es a v i n ge n e r g y s y s t e mw i t hf l y w h e e li nt h e o r y t h i sc h a p t e rf i r s t l yi n t r o d u c et h ea c t u a l i t yo ft h e t e c h n o l o g yo fs a v i n ge n e r g yo fh y d r a u l i cs y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo f p r e s s ，g a v et h en e wt y p es a v i n ge n e r g yh y d r a u l i cs y s t e mf o rp r e s su s i n gf l y w h e e l ； s e c o n d l yt h ea u t h o rh a v es e v e r e l yr e s e a r c hi ta n dg o tf o r m u l a sf o rt h e s y s t e m ； l a t t e r l y i nt h em a n u f a c t u r eo ft h e p r e s so fl e a t h e r ，t h ef o r m u l a sw e r ep u ti n t o p r a c t i c e i na d d i t i o n ，r e s e a r c h e dt h en e ws y s t e mo ft h ec o l n l n o n p r e s s ，a n da l s og o t f o r m u l a s i nt h et t f i r d c h a p t e r ，r e s e a r c h t h e s a v i n ge n e r g yh y d r a u l i c s y s t e m w i t h f l y w h e e la n da c c u m u l a t o ra n di t sc o m p o n e n t s m a k i n gu s eo f c o m p u t e rt h ea u t h o r h a v ec a l c u l a t e df o rt h es y s t e ma n d g o tt h ef o r m u l a sa l s o i n h ef o u r c hc h a p t e r , r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r et h en e wt y p eo fh y d r a u l i c s y s t e mf o r “s a n h e y i ”t h i s c h a p t e rf i r s t l ya n a l y z e dt h eo l ds y s t e mo ft h e m a c h i n ea n dd i s c o v e rt h e c a u s e ；l a t t e r l yd e s i g nan e ws y s t e m ，a n da n a l v z et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i tw a s p r o v e di np r a c t i c e i nt h ef i f t hc h a p t e r ，s u m m a r i z e t h ea l lp a p e r 致谢 y 3 9 8 7 1 本论文是在导师魏建华副教授的悉心指导下完成的。三年来魏老师不 但为我创造了优良的科研条件，而且在学习、科研工作上不断给我鼓励和 帮助，尤其在生活上给予我无微不至的关怀；魏老师渊博的学识、敏捷的 思维、严谨的治学态度、踏实的科研作风给我留下了很深的印象，不但在 整个论文期间使我受益非浅，而且对我今后的工作和学习将产生巨大的影 响。在此谨表示衷心的感谢和深深的敬意。 在论文期间，还自始至终得到了吴根茂教授、邱敏秀研究员的认真指 导和无私帮助，在此，向他们表示深深的谢意。 还要感谢尤新荣、汤进举、鲍人世、刘涛、邵安岑等同学在论文过程 中给予的很大帮助。 最后，衷心感谢妻子刘书琴女士对我的全力支持以及父母多年来对我 的艰辛付出。 管成 2 0 0 2 年2 月于浙江大学 第一章概论 1 1 液压机的发展现状和趋势 液压机是锻压机械的一大类，它是飞机、汽车和拖拉机等工业部门不可缺 少的加工设备，因此，它在机器制造业中占有重要地位。液压机同所有的液压 系统一样是根据帕斯卡原理制成，是种利用液体压力能来传递能量的机器。 自1 9 世纪问世以来发展很快。已成为工业生产中必不可少的设备之一。由于液 压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。如扳 材成型：管、线、型材挤压；粉末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、 打包：人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型：轮轴压装、校直等等。各种 类型液压机的迅速发展，有力地促进了各种工业的发展和进步。八十年代以来， 随着微电子技术、液压技术等的发展和普及应用，液压机有了更进一步的发展。 目前，液压机的最大标称压力已达7 5 0 m n ，用于金属的模锻成型。众多机型已 采用c n c 或工业p c 机来进行控制，使产品的加工质量和生产率有了极大的提 高。随着人们生活水平的提高，金属压制和拉伸制品的需求逐年提高，同时， 对产品品种的需求也越来越多，另一方面产品的生产批量日益缩小。为与中、 小批量生产相适应，需要能够快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成 型工艺设备。特别是当液压机系统实现具有对压力、行程速度单独调整功能后， 不仅能够实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，实现了极低的废品率。 这种加工方式还适合于长行程、难成型以及高强度的材料。可变的动力组合、 短的加工时问、根据工件长度的简易的压力行程调整，这与机械加工系统相比， 有其优越性。 1 1 1 液压机的特点及分类 1 4 】【1 5 】【1 6 】 液压机作为一种通用的无削成型加工设备，其工作原理是利用液体的压力 传递能量以完成各种压力加工的。液压机一般由本机( 主机) 、操纵系统及泵站 三大部分组成。泵站为动力源，供给液压机各执行机构及控制机构以高压工作 液体。操纵系统属于控制机构，它通过控制工作液体的流向来使各执行机构按 照工艺要求来完成应有的动作。本体为液压机的执行机构。 其工作特点一是动力传动为“柔性”传动，不象机械加工设备一样动力传 动系统复杂，这种驱动原理避免了机器过载的情况；二是液压机的拉伸过程中 只有单一的直线驱动力，没有“成角的”驱动力，这使加工系统有较长的生命 期和高的工件成品率。液压机有单动、双动、三动三种基本的动作方式。在单 浙江大学硕士学位论文 动方式中，压头( 或滑板) 作为移动部件单向移动完成压制过程。这种工作方式没 有压边装置。单动压力机主要用于薄型工件成型中，适用于卷据和带型据料。 双动型压力机有两个移动部件：滑板( 或冲头) 和模板。其工作过程是，冲头( 或 滑板) 自上而下拉伸冲料，模板充作固定压扳。在压制成型后，模板能实现打料 顶出功能。可根据材料和工件的特征参数来调整模扳的压力。三动型压力机餐， 深拉伸滑块和压边滑块自上而下移动，由模板实现打料动作。但是，模扳也可 以充作压边块来实现专门的成型操作。这种压力机也可以做双动机用。由于内 滑扳和压边块相关连，因此，成型压力和压边力合成整个系统的总负载。按照 机架结构形式液压机可分为梁柱式、组合框架型、整体框架式、单臂式等。另 外液压机与其他锻压设备相比还具有以下特点： 在结构上易于得到较大的总压力、较大的工作空间及较长的行程，因此 便于压制大型的工件，这往往是锻锤及其他锻压机械所难以做到的。并且、能 够停留或返回：力、速度和行程可在一定范围内进行任意调节。滑块能在全行 程的任意位置上发挥出全部力，因此它能适应各部门对液压机的不同工艺要求。 与锻锤相比，工作平稳，撞击和震动都很小，噪音小，对工人健康、厂 房。地基、周围环境及设备本身都有好处。 与机械压力机相比，本体结构比较简单，容易制造。随着液压元件标准 化、系列化，通用化程度的提高以及专业定点生产的实现，比较适合于中小厂 自行制造，成本1 2 2 3 。 随着大功率高速轻型泵的出现，液压机快速性能已有很大提高，如锻造 液压机的每分钟工作循环次数已可达8 0 一1 0 0 次，改变了过去液压机工作速度 慢的状况。 按照功能用途液压机可分为以下十个组别： 手动液压机小型，用于压制压装等一般工艺； 锻造液压机用于自由锻造、钢锭开坯以及有色及黑色金属模锻； 冲压液压机用于各种薄、厚板材冲压； 一般用途液压机各种万能式通用液压机： 校正压装液压机用于零件校形及装配； 层压液压机 用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘除了板的压制； 挤压液压机用于挤压各种有色金属及黑色金属的线材、管材、棒材及 型材； 压制液压机用于各种粉末制品的压制成形，如粉末冶金、人造金刚石 压制，耐火砖及碳极等的压制成形： 打包、压块液压机用于金属切屑及废料压块及打包； 其他液压机包括轮轴压装、电缆包复、冲孔拔伸、模具研配等各种其 他用途的液压机。 塑婆查堂堡主堂焦!选一 1 1 2 液压机的发展趋势1 7 1 随着电子技术和液压技术的发展与推广，压机的技术水平也正在迅速地提 高。当前液压机的发展水平和趋势具体表现在以下几方面。 一、提高速度和生产率 液压机曾由于速度慢和生产率低，影响了它的发展和应用。随着生产的日益 发展，提高生率已成为液压机发展的核心问题。目前这一问题已通过下述三条 主要途径得到良好的解决。 1 ) 通过改进液压系统的设计、采用快速缸或快速换向阀提高液压机的行程 速度，特别是空程和回程速度，以便缩短循环时间，提高行程次数。现代液压 机的空程和回程速度一般都在4 0 0 m m s 左右，有的甚至更高。例如意大利的埃 马努尔压力机( e m a n u dp r e s s e ) 公司的d e a 型单动冲压液压机系列。其空程和回 程速度为3 0 0 6 5 0 r a m s ；德国埃特( e i t e l ) 公司的，u r s l 0 0 型1 0 0 0 k n 快速液压 机，其空程和回程速度为4 0 0 m m s ；耐夫( n e 回公司的r h s - e 6 0 型6 0 0 k n 快 速冲裁液压机，当行程为1 0 m m 时，其行程次数可达3 0 0 次m i n ，我国湖州床 厂生产的y 2 8 一l o o 1 5 0 型1 0 0 0 k n 双动薄板拉伸液压机，其空程和回程速度 也已达3 0 0 m m s 。 2 ) 提高液压机的自动化程度。采用上、下料装置，实现单机自动化：发展 多工位液压机，现在一台液压机上进行多工序加工，不但可减少大量辅助时间， 还可减少工人、占地面积简化生产组织等，从而可大大提高生产率。日本川崎 油工生产的8 0 0 0 k n 多工位液压机，空程速度达到3 5 0 m m s ，一台1 2 5 0 0 k n 三 工位冷挤压液压机，其行程次数可达1 2 2 2 次m i n 。在大量生产中，除发展 生产率高的自动液压机外，对大型冲压件的生产，则发展液压机自动生产线。 德国的南德机器制造有限公司( s m g ) $ j j 造的用于生产浴盆的液压机自动生产 线，由3 1 5 0 0 k n 和8 0 0 0 k n 两台液压机及一台冲孔装置组成，仅由两人监控， 其生产率为1 0 0 件h 。通过更换组合部件，该生产线可生产七种规格的浴盆。 用于生产贮气瓶的液压机自动生产线，其生产率可达6 0 0 件h 。 3 ) 缩短辅助操作时间，提高液压机的开动率。在现代液压机上都配备有快 速换模系统、决速夹紧系统。一般液压机的换模和装卡时间，约需要3 0 - - 6 0 m i n 。 一台压力为2 0 0 0 k n 的拉伸液压机，在采用了换模系统后，换模时间不到一分 钟就完成了，同时采用数控系统对压力机的工作参数进行重新调整，不到两分 钟就使液压机投入生产，从而使生产时间与停机时间的比率大大提高。对于小 批量多品种的生产，缩短辅助操作时间尤为重要。 浙江大学硕士学位论文 二提高刚度和精度 随着航空工业和汽车工业的迅速发展，冲压件的轮廓尺寸和零件重量都有 所增加；随着冷挤压先进工艺的发展和推广，冷挤压件的重量越来越大：随着 新工艺的发展和完善，精冲零件也在不断大型化。从而导致所需液压机的 公称力日趋增大。例如：瑞典通用电器( a s e a ) 公司生产了用于航空工业的6 0 0 ， 0 0 0 k n 橡胶模式冲压液压机和用于汽车工业的6 3 0 ，0 0 0 k n 橡胶模式冲压液压 机；德国施劳曼一西马格公司生产的5 0 ，0 0 0 k n 汽车纵梁冲压液压机；我国太 原重型机器厂生产的1 5 0 ，0 0 0 k n 橡胶囊式冲压液压机，4 0 ，0 0 0 k n 汽车纵梁 冲压液压机。机械电子工业部济南铸造锻压机械研究所研制的y 7 5 3 6 0 0 6 型3 6 ，0 0 0 k n 六面顶液压机，其液体工作压力为1 5 0 m p a 。瑞典通用电器( a s e a ) 公司生产的q i c 型冷等静压液压机，其液体工作压力为1 6 0 - - 6 3 0 m p a 。以上情 况表明，随着生产不断发展，当前液压机正朝着大型化的方面发展：同时随着 人造金钢石合成工艺、等静压等工艺的发展，高压化也已是液压机发展的一个 重要方向。 三控制系统的发展 由于液压机的液压系统较整机结构方面，已经比较成熟，国内外液压机的 发展主要体现在控制系统方面。微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、 提高稳定性、) j 口7 - 效率等方面提供了可能。相比来讲，国内机型虽种类齐全， 但技术含量相对较低，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小 批量柔性生产的发展趋势不相适应。 在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：一种是 以继电器为主控元件的传统型液压机；一种是采用可编程控制器控制的液压机； 第三种是应用高级微处理器( 或工业控制计算机) 的高性能液压机。三种类型功能 各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速化、智能化。 ( 1 ) 继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技 术要求不商，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工作、 加工产品精度要求不商的大批量生产( 如镁具、厨具产品等) ，其也可组成简单的 生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内许多液压机厂家是 以这种机型为主，使用对象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民用产品。 国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两种技术含 量高的机型组织生产。 ( 2 ) 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的， 并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术溶为 一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛的应用于各种生产机械以及自动 化生产过程中。随着技术的不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期 浙江大学硕士学位论文 的可编程序控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制。后来一些厂家开始采用 微电于处理器作为可编程序控制器的中央处理单元( 删) ，从而扩大了控制器的功 能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，可编 程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制机控制方式之间的一种控制方 式。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制机相比 有一定差异。现在，国内有些厂家采用可编程控制器控制方式，如天津锻压机 械厂有近6 0 的产品装有p l c 。通过采用p l c 控制使系统的控制性能和可靠 性大大提高。国外厂家如丹麦的s t e n h q j 公司采用了别s i e m e n s 公司的可编 程控制器，实现对压力和位移的控制。 ( 3 ) 1 业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种 高技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片单板机作为主控 单元，通过外围接口器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压 系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制 的目的。这种控制方式的主要特点如下： 具有友好的人机交互性，操作简单。如：b r o w nb o o c s 公司的产品， 可通过数字面板显示输人压力、快迸和回程速度、压制速度及保压停机时间 参数，极大减轻了劳动强度。 控制精度高。数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械式的行程开 关控制相比，精度有极大的提高。一般控制精度可达到0 0 5 r a m 易于实现高速化，提高生产效率。如美国的f e r r a 公司通过采用电子 微处理控制方式，工作循环比以前快6 0 。 可顺利实现对工作参数( 压力、速度、行程等) 的单独调整。通过对控制 参数的单独控制，调整被加工材料的波动，能进行复杂工件、不对称工件的加 工。 预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调 用，缩短调整时间。这与柔性加工要求相适应。 对高速下的换向冲击可利用软件来消除，以降低噪声，提高系统的稳定 性。 在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。 如s t e n h q f 的机型和b r o w nb o s c h 公司都有此项功能。 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现 调度控制。 现在，国外众多液压机生产厂家生产这种高性能的工业控制机控制方式的 液压机产品，如美国m u l t i p r e s s ，丹麦s t e n h q j 及加拿大的b r o w nb o g g s 塑婆杰堂堡主堂堡堡墨 等公司。正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产效率都 有很大提高。而与国外发展情况相比，国内极少有采用工业控制机控制方式的 产品，成熟的产品是采用可编程控制器的控制方式。 四液压系统的集成化 随着电气控制系统集成化的推广和完善，以及液压技术的进步，液压系统 的集成化也得到了迅速发展。在液压机液压系统的设计中，近十年来相继发展 了板式集成、块式集成和插装阀集成等多种形式。液压系统集成化的共同特点 是：结构紧凑，体积小；可大大减少配管数量，缩短液压系统的设计和安装周 期；减少了系统的振动和漏油；元件维修和更换方便；易于更改和适应新的工 作要求：集成元件的标准化和系列化，有利于提高生产效率和元件质量。其中 尤以插装阀集成系统发展最为迅速。因其具有通油能力大；流阻损失小，泄漏 少，系统效率高；工作可靠性高，阀芯动作冲击小，噪声低，寿命长以及排除 故障容易；维修方便等优点。从而大大改善了液压机多年来存在的漏油、安装 维修不便和可靠性差等状况；提高了液压机的性能。同时由于插装阀结构简单， 制造方便，“三化”程度高，改变先导部分的组成可实现各种动作要求，能做到 一阀多用，可简化系统。它的这些优点适应了高压大流量液压机的发展需要。 液压机液压系统的集成化在我国也得到了很大发展，插装阀集成系统的市场占 有比例也在逐年增加；因此，插装阀集成系统在液压机的系统设计中，将会得 到更加广泛的应用和发展。 五电液比例技术的应用 由于普通开关控制系统不能在工作过程中进行连续控制和自动调节，所以 已不能满足现代液压机的发展要求。而电液伺服系统虽然在新型液压机的设计 中也得到了一定的发展和应用，但由于它对系统的清洁度要求十分严格，维修 保养困难以及成本高等，故进一步推广受到限制。由此，近年来开发出了电液 比例控制技术，适应了液压机的发展要求。电液比例控制阀是一种能按输入电 信号的强弱连续地和按比例地控制液压系统的流量、压力和液流方向的阀类。 在控制方式和使用性能上，它是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压 元件。与普通液压阀相比，它能更简单地实现远距离控制、能连续地、按比例 地控制液压系统的压力和流量，从而实现对执行部件的位置、速度和力的连续 控制。与电液伺服阀相比，比例阀的结构、使用条件及保养与一般液压元件相 似，使用维修比较方便，对污染的敏感性不高，工作可靠和价格低廉。虽然它 的控制精度略低于电液伺服控制系统，但已能满足液压机工作的般要求。采 用比例阀与微机结合的控制技术来实现液压机及其配套设备工作过程的自动化 今后将会得到广泛的发展。下一节还要重点介绍电液控制技术。 6 浙江大学硕士学位论文 六液压机的宜人化 随着液压机的高速化和自动化，限制噪声和振动，防止环境污染；消除人 身事故、保证液压机安全可靠地进行自动生产就显得极为重要了，为此，许多 国家都制订了有关液压机的安全标准与法规。例如：美国职业安全保健法案 ( o s h a ) 中规定，自1 9 7 8 年起在液压机工作时，人的身体任何部分不得进入模 具空间；美国国家标准( a n s i b l l 2 - - 1 9 8 2 ) 中规定，液压机的控制系统必须设 有安全回路：以及国际标准化组织；( i s o ) 推荐的液压机噪声声压级不得超过 8 5 d b ( a ) 等。因此，在现代液压机上普遍采用双手操体按钮，光电保护装置或围 栅：在液压系统中，采用双联液压控制回路，防止元件偶然失灵而发生事故： 在控制系统中，采用多通道电子控制回路，必须至少有两个电路的输出信号相 符时，才允许发出下一个控制指令；当液压机停机不工作时滑块必须锁紧在 上限位置，并与电路联锁，防止下落或施压，保证在模具空间操作的绝对安全。 此外还设有滑块平行运行监控装置、滑块急停超越行程监控装置以及自动换模 夹紧系统夹紧力的监控装置等。对于液压传动装置，普遍采用低噪声泵以及消 振或隔音等措施，都取得了明显的效果。s m g 公司的d s 型4 0 _ “，3 0 0 k n 高 速液压机系列的噪声小于8 0 d b ( a ) ；埃特公司的u r s 型1 0 0 0 k n 高速液压机的 噪声只有7 4 d b ( a ) 。 1 2 液压技术的发展现状和趋势 一概论 作为液压机两大组成部分主机和液压系统之一的液压技术在液压机中占 有举足轻重的作用，因此液压机的性能和发展趋势自然受到液压技术的状况和 发展趋势的影响。因此下面简要介绍一下液压技术的发展状况。 液压技术是- - f q 既古老又新兴的技术。从目前的发展来看，在元件的基本原 理和结构方面近期内仍看不出有突破性变革的迹象。但液压技术发展到今天它 已经成为门与其他学科相互关联、交叉的综合学科，它也因其他技术的发展 而得以迅速地发展。其元器件在功能、功率密度、控制精度、可靠性及寿命方 面有了几倍、十几倍乃至几十倍的改进和提高制造成本显著降低。有资料显 示近2 0 年来流体传动及控制技术的发展来源于其他领域的发明占5 0 移 植其他技术成果( 材料、表面技术、加工工艺等) 的占3 0 。 近年来，虽然液压技术处于与其它传动和控制技术的竞争环境中，但还是 呈现出比较高的发展速度，占有现代传动与控制技术的重要地位。据统计，从 1 9 6 3 年至今，日本液压气动工业的平均年增长率为1 6 9 ，同期机械工业增 长率为1 2 5 。1 9 8 0 年到1 9 8 6 年德国的液压气动增长率为4 7 ，同期机 塑婆盔兰堡主兰堡堡兰 械工业增长率为2 5 。 与其它传动技术相比较，液压技术的优点是众所周知的： 1 1 重量功率比小，已达到o 5 k g k w ； 2 ) 液压元件的结构体积小； 3 1 具有良好的压力、流量的控制品质； 4 1 具有较快的响应速度： 5 1 可以通过介质进行远距离功率传输； 6 1 液压能可以简便地转换为平动或转动的机械能； 7 ) 液压介质可以带走元件产生的热能，而且介质的冷却比较方便。 液压技术的缺点也是明显的： 1 ) 效率较低，尤其是定压、阀控系统； 2 ) 液压系统的噪声大： 3 1 液压系统不可避免油液的泄漏。 因此，发展液压技术必须扬长避短，它的总体要求主要有以下几方面： 1 1 减少液压元件的结构费用，尽量降低元件价格； 2 ) 改进液压元件的静、动态性能； 3 ) 多种技术综合，发展机一电一液一体化： 4 ) 努力节省能源，提高液压系统的效率； 5 ) 尽量减少和消除液压系统对环境的破坏和污染包括防止油的泄漏、 噪声和发热。 二高压和高速化 在传递功率一定时，液压系统的工作压力越高，则所需流量越小，相应的 元件体积及管道通径也减小。泵和马达的转速增高，同样流量时，泵和马达的 排量就减小，泵和马达的体积重量亦减小。高压高速化可以增加能量的传输密 度，降低传动系统的重量功率比，这是液压技术一直追求的目标，液压系统的 压力等级和泵、马达的转速，代表着液压技术的发展水平。以泵和马达为例， 在5 0 年代，压力为8 m p a ，转速为1 4 5 0r m i n ，重量功率比为3 k g k w ；6 0 年代。压力达到1 7 5 m p a ，转速1 4 5 0 r m l n ，重量功率比为1 3 k 8 k w 左右： 8 0 年代，压力提高到3 5 m p a ，转速2 5 0 0 - - 3 0 0 0 r m i n ，重量功率比降到o 5 k g k w ：到了9 0 年代，压力已呈超过3 5m p a 的趋势，一些闭式系统甚至达到 4 7 m p a ，转速达到3 1 5 0r m l n ，重量功率比降低到o 3 k g k w 左右。 过去的4 0 年中，液压技术在高压、高速化上取得的巨大成果，使得液压技 术在与其它传动和控制技术的激烈竞争中显示出强大的能力。虽然，为进一步 提高压力和转速，缩小重量功率比的难度越来越大，付出的代价也越来越高， 但这方面的努力是不会停止的。 塑婆杰堂堡主堂堡堕苎 三电液控制技术的发展和应用 2 0 世纪是液压技术从兴起到不断发展的成熟时代，随着现代科学技术的 飞速发展，它已不再是仅仅充当一种传动方式，而更多的是作为一种控制手段， 充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程 中不可缺少的重要技术手段和环节。电子与液压技术的结合是液压技术的发展 的内在规律。液压系统与电气系统，作为不同的传动方式，结合起来，可以满 足高精度、快响应、节能、智能控制的要求。 电、液技术的结合最早可追溯到二战期间高炮的电液伺服装置。二次大战 后期，喷气式飞行器技术取得了突破性进展，它对控制系统的快速性、动态精 度和功率重量比都提出了更高的要求，从而推动了电液控制技术的发展。1 9 4 0 年，首次在飞机上应用了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动。5 0 年代未期， 出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应 最快，控制精度最高的伺服系统。以后，各种结构的电液伺服阀相继问世，又 相继出现了射流管式电液伺服阀以及其它采用级间反馈和各类电反馈的电液伺 服阀，其性能不断提高。电液伺服技术日臻成熟，已逐渐成为航空、航天、军 事以及诸多民用工程领域的重要手段。 随着工业生产的发展，开关控制阀，已不能满足高质量控制系统的要求； 而传统的电液伺服阀，由于对液体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维 护费用比较高，系统能耗也比较大，限制了伺服技术在工业及民用部门的进一 步应用。7 0 年代，以可靠、廉价、节能、易维护并具有相当高精度和动态响应 特点为标志的电液比例控制技术得以迅速崛起。电液比例阀，是在对普通开关 阀进行改进基础上，采用比例电磁铁作为电一机械转换器，由电磁铁将给定的 电信号转化为成比例的电磁力，实现对输出液压信号的比例控制。电液比例控 制器件，对油质要求与一般工业阀相同；价格低廉；阀内压力损失低，效率高； 性能能满足大部分工业控制要求。8 0 年代，比例元件的设计原理进一步完善， 采用了多种形式的内反馈、动态反馈及电校正等手段，使阀的精度、稳定性都 得到了大幅度提高，稳态滞环减小到3 左右，工作频宽可达2 5 h z 、传感技术、 微电子技术和计算机控制技术的发展和渗透，为电液比例技术提供了性能优越、 可靠性高的检测和控制技术基础，它在工业控制领域，正越来越多的得到了广 泛应用。然而，普通的电液比例阀，存在着较大的死区和滞环，它的频响不高， 因此，它除了适用于速度闭环控制以外，一般多用于开环电液控制系统，而在 控制精度要求较高，响应快的其他闭环控制系统中，它的性能显得不足。近年 来，出现了一种性能与价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀伺服比例 阀( 又称高频响比例阀，闭环比例阀。比例伺服阀) 。它具有传统比例阀的特征， 采用比例电磁铁作为电一机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零 遮盖阀口，其阀芯与阀套之间配合精度与伺服阀相当。高性能伺服比例阀，对 油液的清洁度要求略低于电液伺服阀，而它的控制性能已与普通电液伺服阀相 当，以能满足绝大部分工业领域闭环控制要求。因此，它特别适用于各种工业 闭环控制。 近年来，计算机的飞速发展带来了控制领域的革命，出现了采用高速开关 阀和步进电机拖动的数字式元件，以及以此为基础的脉宽调制( p w m ) 型电液 控制系统和数字增量控制( i d c ) 型电液控制系统。它们从抗干扰性和适应复 杂环境的能力以及控制方式、控制策略上与传统的电液控制系统有着显著不同。 1 电液控制阀的分类及主要性能指标 电液控制阀主要分为电液伺服阀、电液比例伺服阀、电液比例阀( 又分为 普通型及带电反馈型) 、电液数字阀四大类。前三种都是模拟式电液控制阀，而 后者是数字式电液控制阀。 电液伺服阀的电一机械转换器的输入电信号为几十至几百毫安，按照类型 不同有较大的差别，其电一机械转换器的输出功率较小。电液伺服阀分为单级 电液伺服阀、及多级( 二级、三级) 电液伺服阀，其中以二级伺服阀应用最为 广泛，类型也最多。二级伺服阀有一个先导控制级，将电一机械转换器输出信 号转化为功率较大的液压信号，再利用先导控制级的液压输出去控制主阀工 作。电液伺服阀的先导级，大多采用喷嘴挡板式或射流管式。 电液比例阀的电一机械转换器采用比例电磁铁，它的输入电信号为几十到 几千毫安的电流信号。由于比例电磁铁的输出量为直线运动的电磁力，电磁力 的大小为几十至三百多牛顿。比例阀中又有直动式及先导式之分，在小流量， 如6 通径及1 0 通径比例阎中，大多采用直动式j 而在大流量，如】0 通径及以 上通径阀中，采用先导式结构。与伺服阀不同，几乎所有种类、功能的普通开 关阀，都有相应功能、种类的电液比例阀。按照功能大致可分为电液比例压力 阀( 溢流阀，减压阀) 、电液比例流量阀( 节流阀及调速阀) 、电液比例方向阀 ( 方向节流阀、方向流量阀) 及复合功能控制阎如p q 阀等。电液比例阀，大多 采用锥阀及滑阀作为其先导级，主级有滑阀式、锥阀式及插装式。 电液比例阀又可分为二种不同的基本类型，带位移电反馈与不带位移电反 馈型。配用不带位移电反馈电磁铁的比例阀。其特点是廉价，但其功率参数、 重复精度、滞环等将受到限制。它适用于对控制精度要求不是很高，但对可靠 性要求很高的场合，如工程机械控制。配用带位移电反馈电磁铁的比例阀，则 与此相反。它能满足高精度的要求，这一特点特别适用于各种工业控制。目前 在高性能的液压机中，已普遍采用了电液比例控制系统。 为了提高伺服阀的抗污染能力，使它适应于一般工业应用，出现了伺服比 例阀。它部分吸取了电液比例阀的优点，采用比例电磁铁作为电一机械转换器： 同时它的阀芯与阀套的结构及加工工艺，又部分吸取了伺服阀的特点。目前， 比例电磁铁性能有了大幅度的提高，电磁力更大，频响更高；此外，机加工手 1 0 浙江大学硕士学位论文 段的进步，使伺服比例阀的配合精度，也能达到原来伺服阀的精度。目前伺服 比例阀的控制性能，已达到或接近伺服阀的水平，已能满足绝大部分工业领域 闭环控制要求，而相对于伺服阀来讲，伺n i ；l 例阀的抗污染能力大为提高了。 早在1 9 6 0 年代，人们就开始注意数字式比例阀的开发，这类元件的优点是： 对油质的污染不敏感，工作可靠，重复精度高，成批产品的性能一致性好；其 缺点是：由于按照载频原理工作，故控制信号频宽较模拟器件低。数字式电液 控制器件的电一机械转换器，主要是步进电机和按脉宽调制方式工作的动铁或 动圈式力马达。数字式电液系统，实际是一种电液数一模转换系统或载频调制 系统，其控制分辨率或精度，取决于每一脉冲的当量步长或调制精度。数字阀 的额定流量很小，只能用于小流量控制场合，如作为电液控制阀的先导控制级。 类别电液电液伺服电液比例阀电液 特武 伺服阀比例阀普通型电反馈型数字阀 过滤精度 1 3 91 6 1 31 6 1 31 6 1 31 6 1 3 v ( i s 0 4 4 0 6 ) 1 5 1 11 8 1 41 8 1 4 1 8 1 41 9 1 5 滞环( )0 1 、10 1 、1 50 5 70 2 “1 5 频宽( h z ) 1 0 0 、5 0 05 0 1 5 0l o 4 02 0 6 0 中位死区无无有有 力马达或 e - m 转换器比例电磁铁比例电磁铁力矩马达 力矩马达 控制方式闭环闭环开环闭环 当前，一方面，由于微电子技术的长足进步，高响应高性能微处理器及a d 、 d a ，它们都有其特点，在实际应用中，应根据具体控制对象的特点来选择合适 的电液控制阀。的出现，模拟量与数字量之间的联系及转换更易实现；另一方 面，现在比例阀放大器的功率放大级，已普遍采用脉宽调制技术；伺服控制、 比例控制技术已相互渗透。四种不同的屯液控制阀的性能及过滤精度要求，如 表卜1 所示 四微电子技术、传感器技术和接口技术 1 微电子技术 最近的二三十年中，微电子技术有了飞跃的发展。电子元件的微型化和高 度集成化，给液压元件的设计带来了根本的变革。最初是电流为数安培的比例 阀、伺服阀的控制，驱动电路板的体积和重量都很大。它们和阀是分开的、独 浙江大学硕士学位论文 立的。由于电子元件大，电路板密度低，所以电路大多只具备简单的放大功能。 另外，阀体与电路板之间的接线距离长，根数多，其复杂程度往往超出了普通 用户的能力。所以经常发生错误，极易引发干扰和故障。近年来，电子元件微 型化、集成化，阀的驱动电路板已缩小到可以直接安装在阀体上，布线和接线 的工作完全由专业生产厂完成，用户只需接入输入信号。这样就大大提高了阀 的可靠性，减少了安装与维修的肘间和费用，用户的使用也方便了许多。更重 要的是内装电路板的功能大大增加了，包括死区补偿、非线性补偿、偏置、反 馈闭路回路、反馈断路保护等多种以前不可想象的功能都可以实现。另外，阀 的静、动态性能有了大幅度的提高。美国帕克公司d t f 系列高频响电液阀，德 国b o s c h 公司高频响n g 6 阀，就是属于全新的阀。它们已不再是机械结构的简 单产品，而是体现机，电，液一体化的高技术综合应用的结晶。 微电子技术的发展使得各种体积小、功能全、价格廉的微机进入了阀的 控制驱动线路。微机运算速度高，控制功能强，软件编程灵活，这必将使下一 代液压元件向智能化的方向发展。微机技术为液压元件的研究提供了一个崭新 的广阔的天地。 2 传感器技术 随着工业应用对液压元件及系统的要求越来越高，越来越多样化，闭环反 馈控制系统被越来越广泛地应用于液压元件和系统中。例如，阀控油缸位置控 制系统普遍采用了两个闭环回路。一个是通过阀芯位移传感器构成的小闭环回 路，它提高了阀的控制精度。另一个是通过油缸活塞杆上的位移传感器形成大 闭环，它保证了整个控制系统的位置控制精度和动态品质。位移传感器现已逐 渐成为阀、油缸、变量泵、变量马达的不可分部分。根据系统的不同控制要求， 速度传感器、加速度传感器、力传感器以及力矩传感器也都纷纷安装在阀、泵 和执行元件上，大大改善了液压控制系统的动态品质，提高了控制精度。现在 各种传感器的精度不断提高，体积重量不断减小，成本不断降低。许多非接触 式和遥感式的传感器给安装和使用带来更多的方便及更大的灵活性，给液压技 术与传感器技术的结合提供了坚实的基础。另外，各种精度档次与价格档次的 传感器给了液压系统设计人员很宽的选择余地。例如：位移传感器就有电位器、 磁力传感器和光栅等等。输出信号有模拟量、各种脉冲序列以及数码和数字： 输出量值有绝对量值形式，也有相对增量形式，用户可以随意选用。可以预见今 后会有更多新式的液压元件专用传感器涌现出来给液压元件注入新的生命力。 3 接口技术 最初的液压控制系统大多是单输入、单输出的模拟量系统，接口比较 简单。输入情号一般为单边。o _ 一l o v ，双边土1 0 v 直流电压信号，或单边o 2 0 m a ，双边土2 0 m a 直流电流信号。当可编程程序控制器进入液压控制系统后， 就需要专门的接口线路数字式1 d 电路板。它含有多路高阻抗2 4 v 输入及 多种不同电平的输出。现在，复杂的液压系统大多采用计算机控制、监测、管 理系统，信息的流通和交换大大增加，采用总线技术亦成为必然a r s 一2 3 2 串行 口已被广泛采用。与传统的接1 ：3 方式比较，串行总线技术不仅简化了接线，也 简化了故障的诊断和电气的维修，节省了费用，提高了可靠性。 随着液压 系统功能与规模的不断增强扩大，控制方式的多样化、复杂化，各种先进的接 口技术将对液压技术产生越来越重要的作用。 五现代控制理论和控制技术的应用 从5 0 年代以来，液压控制系统普遍采用的是经典控制理论。尤其是频率法， 对应的控制技术是纯模拟量控制，并在一般的单输入、单输出的应用系统中取 得了足够满意的结果。但是，随着机械工业向着高精度、高响应和高自动化的 快速发展，用户对液压系统的需求越来越高，例如，以前的液压控制系