液压工业的21世纪发展

液压工业的21世纪发展

1《生活得好,生产得好》毫无疑问，能量转换、动力传递和运动控制是21世纪世界经济的重要组成部分，流量传输电气和控制技术仍在重要而积极的角色中。制造业在国民经济中的地位和作用举足轻重,21世纪的中国正成为世界制造业的中心。中国加入WTO以后,液压工业在中国的发展将面临空前的机遇和挑战。正如《改变世界的机器》一书所言,“一个国家要生活得好,必须生产得好”,在21世纪全球化和信息化的浪潮中把握发展机遇,让中国的液压工业能够在世界列强中占有一席之地,是摆在我们面前的大课题。长期以来,作者关注和参与了液压控制技术发展的研究和实践,以液压技术开发者、系统集成工程师和用户的多重身份,有幸同当今世界上最著名的液压厂商进行持续面对面的交流,在一系列重大工业装备和工程项目中积极采用和考核了这些厂商的先进产品和领先技术,1990年以来作者还是国内少数有机会连续到汉诺威工业展(HannoverMesse)和中国PTC展览会参观和参展的企业界代表,作者还积极参与了行业协会以及跨行业的技术交流活动,从1980年初作者就能直接感受到路甬祥院士的才学和人格力量并得到鼓舞和激励,努力在液压控制技术领域为国民经济建设添砖加瓦。不揣浅疏,本文结合个人工作和思考的心得,尝试以实践者的认识和视角来回顾和展望液压控制技术的发展,以期抛砖引玉,为21世纪中国液压工业的发展事业而谋划策,愿与大家共勉。2简要回顾和评论2.1现代铁路系统的发展历程液压控制技术的发展历程可以引用图1加以扼要说明。图中以两条趋势曲线大致标示了水压技术和油压技术的里程碑和历史轨迹。稍详细一点的说明可以从表1中反映,图中进一步列出了现代液压技术工业化发展后理论学术界和工业界的重要贡献。18世纪末水压机(作为最早的工作母机)的问世(1795)是流体动力应用于工业的第一个成功典范,由诸如单向阀、截止阀(闸阀)和手摇泵以及必要的连接机构组成简单的动力传递装置,水压技术从此在工业革命(1850)后的英国得到原始、缓慢地发展。现代调速阀的雏形和原理也可以追溯到19世纪中叶的英国。19世纪还发展了许多水压传动控制回路,并且采用了机能符号来逐渐取代具体的设计和结构。19世纪末流体动力元件得以发明和改进,特别是伴随现代化工业的兴起以及机械加工工艺、材料(炼钢)和介质(炼油)的技术进步,为液压技术的近代发展创造了先决条件。20世纪初,美国在舰船设备上率先使用油价质成功(1906)后,揭开了现代液压技术发展的序幕。战争和军事需要(航海和航空)刺激了液压新技术新工艺的研究开发投入,1930年代中期以先导溢流阀为代表的压力控制阀高压元件问世,1940年代问世了电磁阀和电液换向阀自动控制元件,1950年代初电液伺服阀问世,1960年代后期电液比例阀问世。战后在航天国防工业以及汽车和机床工业的广泛应用中,油压技术经受了考验,并且走向产业独立发展,西方各国相继成立了行业协会和专业学会,液压传动和控制被作为新兴技术得到重视。这一时期也称得上是液压工业的黄金岁月。值得一提的科学著作是1970年液压元件走向标准化、国际化(CETOP:1962-,ISO/TC131;1969-)、集成化、小型化,叠加阀和模块化集成回路顺应了时代要求。由于相继爆发了二次能源危机,节能压力迫使液压技术寻求高水基或合成液介质,同时为满足工业生产高效率大功率的要求,二通插装阀在西德问世。电液比例控制在1980年成为液压技术研究发展的热点,液压和电子技术的竞争与合作引起广泛关注。值得提及Backe1974《液压阻力回路系统学》和2.2液压控制技术的发展过程长期来,液压控制元件根据其对工作介质控制功能的划分形成压力、方向和流量三大类。最初大都采用直动式机械控制机构,直到1930年代Vickers发明了先导控制式压力控制阀以及稍后电磁阀和电液换向滑阀问世,先导控制形式趋于多样化。1950年Moog研制成功采用微小信号功率的电液伺服阀,1970年前后信号功率介于开关控制和伺服控制之间的比例阀问世。此后,伴随微电子集成和数字化技术的快速进步,机—电—液一体化控制技术得到长足发展,特别是以电液先导控制为技术特征的液压控制技术趋于成熟。在主级结构上,早期采用水介质时液压控制元件大多选择锥阀结构。20世纪油压控制发展后圆柱滑阀结构成为主流。1970年前后三大类板式连接液压阀分别统一到标准的安装连接尺寸(行走机械中多路阀为例外)。与此同时,基于“液压阻力回路系统学(液阻理论)”和DIN24342安装连接尺寸的二通插装阀(中大功率)以及用于行走机械的螺纹插装阀(中小功率)问世并快速发展,使得滑阀结构和板式连接受到冲击和挤压。图2表达了液压阀的整体构成格局,反映了滑阀式结构趋于被座阀式结构挤压和侵入的状况。在连接形式上,从管式连接到板式“安装面”连接,发展到叠加式组合化和插装式“安装孔”集成化连接。在功能复合方面,液压阀从单一功能的单立元件发展到多功能复合集成,尤其是行走机械上负载感应和功率协调控制做到了高度的集成化复合控制,笔者曾称之为“第四控制”。此外,基于节能、环保和安全等方面考虑,采用高水基和纯水介质的水压技术取得了重大进展,进一步活跃了液压技术的发展。2.3液压技术的发展20世纪末以来,国内外液压界的知名人士对新世纪液压技术的发展进行了深刻、全面和精辟的论述。在此,围绕液压控制元件的整体发展,尝试对液压控制技术的发展进行分析评论,以期探讨未来的发展趋向。2.3.1液压控制元件的结构1984年作者将二通插装阀的基本技术特征概括为:“先导控制、座阀主级和插装式连接”。同样,液压控制元件的基本结构也可以分成三个部分:先导控制级、主级和连接方式。图3以一屋状模型表达液压控制元件的层次结构,显然它也能直观反映液压控制元件的有形形体。2.3.2主要产品的发展和变化图4展示了Rexroth公司电液换向阀40年发展演变情况。图5对比了电液换向阀和二通插装阀的过流能力。2.3.3综合评论2.3.3.先导控制级正如图3屋状模型所示,先导控制级处于顶端,其中电—机转换单元和相关技术处于尖顶,反映了先导控制级在液压控制元件中的敏感地位,它在功能和性能上直接影响和决定整体,可谓“牵一发而动全身”。所以,先导级是要害所在,工业界和学术界对其投入最大的关注,表2列出了相关的技术进步和创新,下面以电磁铁和电磁换向阀为重点介绍。微生物控制技术和设备的发展1980年前后,电磁铁所用磁性材料和线圈技术的改进(如提高磁通密度和加大磁饱和电流)使得电磁铁出力和性能显著提高,进而使电磁阀的过流能力和工作压力得以提高。同时耐高压的湿式结构替代了干式结构,并且电气插件统一到DIN43650,此外电磁铁与阀的连接采用螺纹拧入式结构等等,使得新一代的高性能电磁阀系列产品趋于统一和合理。上述改进在开关型和比例型电磁铁中都得以实现,并使得两者成本差异趋于缩小。1980年代中后期,耐高压湿式结构和带位置传感器的比例电磁铁进一步促进了位移—电气反馈的比例控制器件的成熟和普及,同时微电子控制技术的采用在比例电磁铁连接处内置电子驱动线路、信号处理和存储器件甚至PLC装置,使电—液一体化和智能化技术向先导级渗透并赋予其新技术特性。近年来随着信息技术发展,通过与计算机接口紧密结合,电磁铁的多样化和个性化发展迅速。总的来看,从比例电磁铁一开始借用开关电磁铁的结构和设计到形成系列,主要的改进侧重于行程—力特性、频响和控制精度,结合内置传感器和控制器采用位置—电气反馈等来实现高线性、零遮盖和高响应,使得伺服控制和比例控制的使用界限变得模糊。而在开关电磁铁中,主要的改进将继续着重提高出力和降低功耗。但是,应当更加关注近年来高速电磁阀(表3)的发展,这种高性能、低成本而应用面十分广泛的微型化控制器件具有数字化和智能化特征,可采用PWM、PFM、PNM、PCM、PAM等多种控制方式,很可能给21世纪电液先导控制技术的发展带来突破性创新机会。技术的先导控制级电磁换向阀在先导控制中不可缺少,在全球范围的产量有数百万之巨,是应用最广影响最大的元件,从问世以来一直处于持续改进中。图6展示了NG6电磁换向阀的发展历程。电磁换向阀及其他电磁阀的发展都基于电磁铁和相关技术的发展和主结构的改进设计。电磁阀的主结构则是多台阶圆柱滑阀心和多槽式铸造流道阀体配偶结构的不断改进革新并定型。作为规格较大的电液换向阀的先导级,电磁阀的规格从NG10(1/2”)转变到NG6(1/4”)用了近30年时间,工作压力从最初的7MPa依次提高到14MPa、21MPa、31.5～35MPa用了同样的时间。(顺便一提,美国和日本的电磁阀性能始终落后于德国,德国的领先地位保持了相当长的一段时期。)在电磁阀的阀心和整体结构上,设计改进还在进行。而在高压、水压、二通插装阀和螺纹插装阀的应用领域,直线型多台阶圆柱滑阀心和多槽式铸造流道阀体的配偶结构正受到座阀结构的有力挑战。在1990年被尊为“黄金规格”的NG6中,产品明显呈现多样化和个性化。在最近十分活跃的NG4和NG3的微型阀中,座阀结构明显占了上风。如从图7可以看到在先导控制级上也出现了与图2类似的技术替代趋势,在表2中得到具体说明。尽管这种技术替代的趋势已经出现,但并不意味着滑阀结构的改进已经中止,实际上在先导控制中滑阀仍有向更小规格延伸的空间,而两种结构形式并存也利于多样化和个性化的选择,例如在高速电磁阀中,前面表3展示了其优良性能,若能引入到先导控制级,无疑会带来惊人变化。近年来在液压控制元件的研究和开发中,有关“先导控制液压桥路”的理论和实践得到重视,在今后的技术发展中仍将继续积极有效。2.3.3.插装阀的发展历程1950年前后,对滑阀结构的流体力学特性进行了深入的研究,成为液压控制技术的经典理论。尽管圆柱滑阀存在结构欠柔性、间隙封油不能消除泄漏、对介质污染敏感等缺点,在当时的条件下仍然十分适用,滑阀的间隙同时能够补偿温度的变化并改善润滑条件,在油介质和中等工作压力范围具有良好的工作性能。1960年代末以滑阀为主结构的控制元件由管式连接向板式连接过渡,改善了使用维护性能,成为基础件中标准化实施较为成功的典范。当时,锥阀结构被保留在水压传动以及部分液压控制元件(主要是单向阀,在德国也被用在溢流阀等压力阀上)。1980年代前后,以锥阀为主的座阀结构在液压控制技术中得以复苏并取得重要进展,人们重视发现了座阀结构的经济性和灵活性,既可用油价质也可用水介质,既适于高压系统也适于中低压系统,既适于中大流量系统也适于小流量系统。二通插装阀的问世推动了对座阀结构的研究,“液压阻力控制回路系统学”理论的提出和在二通插装阀系统上的成功实践,充分体现了座阀结构的经济性和灵活性。DIN24342迅速在全世界被采用,特别是德国亚琛工业大学Backe教授和浙江大学路甬祥教授曾卓有成效地领导了插装阀及其比例控制技术的研究和开发,大力推动了主机工业(冶金设备、锻压设备和塑料机械)的技术进步,成为现代液压控制技术中的突出成就之一。与此同时,另一种插入式连接的集成化液压控制元件,即螺纹插装阀也如雨后春笋般全面进入液压控制技术的广阔领域。这两项插装阀技术极大地改变了液压控制的面貌和发展轨迹。引用美国流体动力教育基金会Pippenger的话,“未来的历史会把插装阀技术的广泛应用作为液压技术的重要转折点”,可见对插装阀技术的推崇。50年来液压控制技术发展历程中的技术创新明显地表现为渐进式改良和顺轨性。以三类阀为代表的液压控制元件总体上都已进入技术寿命的成熟和饱和期,但在局部仍然存在不同层次的缓慢的技术替代演变趋势。若凑近观察,插装阀的座阀结构和连接形式至今仍然在不断影响主流公司的产品结构,尤其是压力控制元件包括比例压力控制元件。在连接方式上,最初液压元件通过管道采用螺纹接头和法兰连接。为了克服管式连接的缺点,早期引进了过渡底板(实质上是一种中介),使得板式连接和管道安装得到兼顾。随着少管化和无管化的发展,出现了公用过渡块和叠加式连接。随着设计和工艺技术的进步,集成化进一步得到发展,液压控制元件进一步从“安装面”模块化叠加到“安装孔”块式集成直至发展到复杂的整体式集成块,之后以集成块为主的液压控制形式迅速普及和多样化,集成化规模和程度空前。(只在行走机械中仍然保留了多路阀的独特形式,图8展示Rexroth公司多路换向阀40年发展演变情况。)2.3.3.模块化安装、标准化及集成的必要性见表3无疑,对液压控制集成化和模块化发展影响最大的要数二通插装阀(DIN2342)和螺纹插装阀,两者均采用了插入芯子式设计,均是本质上的块式集成。从集成化角度看,插入式连接“安装孔”较之板式连接“安装面”更紧凑、更合理,插入芯子式结构本身具有层次化的可分解结构,模块化和标准化的基础更坚实,更便于功能组合和集成,更便于体现集成块设计的可组配性,即通过功能单元的按需配置和附加,多样化的设计变型和个性化定制更为容易。因此块式集成事实上已经在几乎整个液压控制的规格参数范围和不同介质中采用,图9展示了液压控制集成化的状况。现在,值得质疑的是,历来形成的板式安装面过于丰富了,从简化和合理化的视角,应当出块式集成的明显趋势,不必要的安装面将被淘汰掉(1990年代板式阀安装面国际标准已全面修订,但力度还显不够)。表4比较了板式安装面和插入式安装孔的特性并给出了集成化的技术创新潜力。在主级结构中,座阀结构因其经济性和灵活性将成为未来的主流并继续扩展其应用范围。圆柱滑阀结构在开关控制领域正被座阀结构取代,已呈现成熟和饱和期特性,在伺服、比例方向控制和电磁阀中持续改进的趋势和空间依然存在,在螺纹插装阀中滑阀和锥阀复合结构已经出现。传统的多台阶四节流边圆柱滑阀还存在分割和多样化的可能。按照“液阻理论”和未来新型液压控制器件的技术特征(下文说明)的要求,以及运用先进设计、制造技术,在液压控制元件的先导级和主级上实施技术创新的潜力明显存在。在电磁铁类电—机转换器件技术进步和“先导液压桥路”优化设计方面存在这种可能性。在安装连接方式上“插入芯子式”“安装孔”将进一步广泛替代市售元件的“安装面”板式连接。尽管在NG6和NG10两种规格上板式安装面仍然保有优势,但在其他规格已显著被“安装孔”侵入。试想,“安装面”仅仅是集成化不发达之时的历史产物,对比“安装孔”和块式集成的突出优点,“安装面”的多样性和复杂性是不经济、多余、与集成化不适应的。可以想见,不远的将来,进一步简化和减少板式连接安装面是一种必然。表5给出了液压控制集成化的发展历程,并着重说明了未来新型控制技术特征对集成化的必然要求。液压控制集成化已不仅仅是又一种设计选择,更重要的是作为一种系统集成的解决方案,是用户真正需要的整体解答,并且通过模块化、标准化实现灵活组配、多样化和个性化定制。循着以上思路,液压控制元件和系统集成的技术创新值得为之。3价格补充3.1未来液压控制的未来1990年,在德国机床联合会支持下斯图加特大学制造技术研究所进行了“未来控制技术”的研究,提出新型控制器件的设计原则是:可组配、模块化和开放式。作者认为这种原则应该贯彻到液压控制中,运用可组配、模块化和开放式三个原则去审视以往和发展未来液压控制技术是积极和前瞻的。回到图10的比较,可见板式连接(目前产销量仅次于行走机械用控制元件但销售额最高)的革新空间最大,面对市场和用户的个性化定制需求趋势,上述三原则在改造这种量大面广的元件中必然会推动液压控制技术的变革步伐。如能及时把握技术创新的机会,充分运用现代敏捷产品开发、精益生产制造和大规模定制的理念,建立基于产品数据管理和基于产品平台的新型系列产品族,可望形成自主特色的产品和技术。或许这是我们在21世纪面临的重要机遇!3.2插装阀控制回路笔者出于个人经历和偏爱,对Backe提出的液压阻力回路系统学和先导液压桥路理论加以整理提炼并运用到工程实践,将其定义为“液阻理论”并认定为插装阀集成控制的理论基础。作者不敢自称上述观点准确缜密,但早先提出的“最少液阻原则”(在采用通过调整液流阻力进行流量控制时,全部可控执行器的“受控腔”控制回路均可通过最少或较少液阻的组合构成),无疑为液压控制回路的集成设计确立了一条普遍适用的基本原则。工程实践证明,插装阀控制回路,包括模块化的控制结构,都应基本遵循这一原则。由于插装阀基本控制元件都事实上表现为一种独立可控的“单个液阻”,通过灵活的组合完成对全部“受控腔”的控制,在设计和成本上都优于传统滑阀方案,更能体现未来新型液压控制的特征。作者很赞同Pippenger对插装阀技术的推崇。从二通插装阀技术在中国的成功应用实践来看,插装阀技术在中国将继续推动液压控制