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工程液压结课论文
绿色液压技术的研究现状与展望
摘要
本文介绍了绿色液压技术产生的背景,指出了“节能”和“环保”是绿色液压技术的基本性质,系统的综述了节能型液压元件、节能型液压系统等绿色液压技术的研究现状,分析了各种绿色液压技术存在的问题,且重点分析了多路阀和二次调节系统,最后对绿色液压技术的发展趋势做了展望。
关键词:
绿色液压;节能;环保;研究现状
目录
引言
随着工程机械品种和数量的不断增加,大量工程机械所消耗的资源、排放的污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对环境产生了难以估计的影响,“环保”已成为阻碍工程机械发展的新因素。
近年来,世界各国对节能环保的普遍重视,加快了绿色液压技术的研究和应用。
一方面随着世界经济的发展,能源是一种不可再生的资源,引起世界各国第能源危机的高度重视。
能源问题开始成为世界各国经济持续发展的制约条件之一,节能减排、保护环境成为可持续发展的先决条件。
另一方面,自上世纪七十年代以来,工业革命造成的污染和环境恶化达到了前所未有的程度,日益严重的生态破坏也引起了各国的高度重视,一系列措施的实施,迫使企业注重环保产品的开发和利用。
因此,“绿色”这一概念在工程技术领域得到了推广和应用。
所谓“绿色”应该至少包含两方面的含义,一是省料、节能,二是与自然和谐,即环保。
而液压传动虽然具有功率密度大、无级调速方便、动态响应快和控制精度高等优点,但还存在能量损失大、系统效率低、噪声大、液压油泄漏对环境有污染等缺点,明显与绿色这一概念不相符。
因此,液压技术必须以“节能”和“环保”为本质特征,客服不足并不断向前发展,才能符合“绿色”这一时代发展的主题。
1节能型液压元件的研究现状
1.1液压泵
液压泵作为动力源在液压系统中起重要作用,为提高液压系统的效率达到节能之目的,通轴斜盘式轴向柱塞泵始终是国内外学者和工程界研究的主要对象。
这直接使得液压泵变量控制系统多样化,主要有恒压控制、流量控制、压力流量复合控制、恒功率控制、总功率控制、分功率控制和功率交叉控制等变量控制方式,其中恒功率控制、总功率控制和功率交叉控制在工程机械行走液压中受到特别重视。
BoschRexroth、EatonVicker、ParkerHanrufin、SauerDanfoss世界四大知名液压元件生产公司都有相应的产品问世,且均取得了明显的节能效果。
贵州力源、北京华德、上海液压泵厂和上海萨澳液压传动等国内厂家在
引进国外技术的同时,通过消化吸收和自主创新,也相继开发了恒压控制、流量控制和恒功率控制等部分产品,在实际工程应用中节能效果良好。
随着电液比例技术、电液伺服控制技术和传感技术的成熟和发展,将电子控制和液压泵变量控制完美地结合,并与系统控制密切相关,为节能型系统的智能化与信息化奠定了完整的硬件基础,当前正在发展的电子排量泵,就是其中的代表(控制原理如图1)
这种泵能接收PLC或计算机的控制信号,同时泵的内部还装有传感器,将斜盘的角位移反馈至比例放大器输入端,从而提高了控制性能,并且有良好的节能效果。
与此同时,进入20世纪90年代以来,由于液压泵与原动机的一体化和自由活塞内燃液压泵具有传动效率高、噪声低、结构紧凑等优点,受到国内外研究人员的重视,并有少量产品问世,但由于存在一些关键技术没解决,所以并未走向工业应用,目前仍处于试验室研究阶段。
1.2液压控制阀
1.2.1电流变液(ERF)和磁流变液(MRF)控制阀
由于液压控制阀多采用节流原理工作,不可避免地加大了压力损失,这也是造成液压系统效率低的最主要的原因之一,因此开展了电流变液和磁流变液控制阀的研究,并取得了重要的研究成果。
电流变液(ElectrorheologicalFluids,ERF)是一种智能材料,这种液体在强直流电场作用下其黏度会随电场强度发生变化,变成一种类似胶体状的固态物质,当电场撤除后该固态物质会立刻还原为液态状,且变化速度极快(一般为毫秒级),这种效应称为ER(Electrorheological)效应,这种液体称之为电流变液(ERF)。
利用REF的ER效应,设计出基于ERF的液压控制阀,避免了节流原理,从而具有较好的节能效果。
但ERF控制阀也存在明显的缺点,如强电场的取得不易且影响安全性,这也是未来需要研究解决的技术难点。
磁流变液(MagnetrheologicalFluids,MRF)也是一种在磁场作用下快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动的智能材料,它比电流变液具有更优的性能,如在很宽的温度范围内具有高强度、低黏度和高稳定性,而且比电流变液更便于工程应用和商品化。
1.2.2多路阀
多路阀是以两个或两个以上换向阀为主体,集换向阀、单向阀、安全阀、补油阀和制动阀等于一体的多功能集成阀,广泛应用于工程中特别是工程机械行走液压设备上。
从多路阀的发展历程来看,其主要经历了开式六通型多路阀,开式四通型多路阀,闭式四通型多路阀,闭式六通型多路阀,电液比例多路阀和与负载口独立控制技术相结合的电液比例多路阶段。
尽管开式六通型多路阀具有启动平稳、操纵简单和微调特性好等优点,但存在中位回油压力损失大的缺点,而且换向联数越多中位压力损失就越大。
于是,出现了开式四通型多路阀,由于开式四通型多路阀中位采用了专用的卸荷阀卸荷,使得该阀中位压力损失小且与换向阀联数无关,因此开式四通型多路阀具有一定的节能效果。
闭式四通或六通型多路阀主要用于变量泵系统,中位时无油液回油箱克服了开式多路阀的缺点,变量泵以仅仅满足泄漏的最小流量供油而维持保压状态,所以较开式多路阀具有更好的节能效果,而且易实现负载压力补偿和负载敏感控制。
20世纪80年代以来电液比例技术日渐成熟,这也推动了多路阀的发展,出现了电液比例多路阀。
电液比例多路阀不仅具有比例调速、控制精度高、动态响应快和简化回路等优点,而且还具有与传感器构成闭环反馈易于实现电液负载敏感系统,取代传统的机液负载敏感系统,具有更好的节能效果和更广阔的应用领域。
20世纪80年代末德国W.巴克教授提出了独立控制概念后,各国相继开展了对独立控制原理和控制策略进行了研究,英国和浙江大学先后将独立控制技术先后用于电液比例多路阀中,取得了阶段性研究成果。
尽管与独立控制技术相结合的电液比例多路阀的应用存在液压冲击小、启动与制动平稳和因取消平衡阀而具有节能的优点,但目前还存在诸如如何提高执行机构动态稳定性和多执行机构时如何采用分流控制方法等一些关键问题还没解决,所以在技术上还不成熟,仍处于研究之中。
2节能型液压系统的研究现状
2.1二次调节系统
二次调节系统不同于一般的液压传动系统,由变量泵、二次元件(液压马达/泵,或者液压变压器)、安全阀和蓄能器等组成,二次元件直接并联于恒压网络并获取能量。
通过调节二次元件的排量和方向与负载相匹配,实现转速、转矩和旋转方向等控制,系统中一般无调压作用的溢流阀和节流调节的流量阀,因此无溢流损失和节流损失,大大地提高了系统效率。
而且除了完成规定的动作外,还能利用蓄能器进行能量回收和重新利用,达到节能之目的,因此受到了理论界和工程界的足够重视。
其工作原理如图2所示。
二次调节技术概念首次诞生于20世纪70年代末,此后国外特别是德国汉堡国防工业大学、亚琛工业大学和力士乐公司等对二次调节技术的理论和应用进行了深入研究,经过几十年的发展,二次调节技术理论已逐渐成熟,在国外工程中得到了广泛应用。
而我国哈尔滨工业和浙江大学于20世纪80年代末开展了此项技术的研究,由于受关键技术理论和元件制造等方面的不足和限制,目前仍多处于试验室研究阶段,离工程的广泛应用尚有一段距离。
2.2变频液压系统
随着交流电机性能的提高和变频调速技术的成熟,针对传统液压系统存在能量损耗大效率低的缺点,由日本学者于20世纪80年代首先提出变频液压的概念并应用于液压电梯中。
随后日本、德国、瑞士等国家相继开展了变频液压技术的研究和应用,取得较好的节能效果。
所谓变频液压系统就是利用变频调速技术控制调节交流电机转速,来改变定量泵流量,达到调速目的的液压系统,这是一种从动力源头考虑功率匹配的全局型节能系统,相对于传统的节能型液压系统具有更好的节能效果和更宽的调速范围。
我国于20世纪90年代初主要由浙江大学开展了此项技术的研究,并将研究成果应用于液压电梯,成功减小了装机功率和实现了显著的节能效果。
然而,变频液压技术虽然在理论研究和应用上取得了一些突破,但是由于其存在一些低速稳定性、响应快速性和控制精度等关键技术还没解决,造成目前的应用范围比较单一,仅仅用于液压升降系统,距各领域的广泛应用尚需一段时间,但变频液压技术向人们展示了全局节能的观点和节能研究的新途径。
2.3负流量控制系统
为解决开式六通型多路阀中位压力损失过大的问题,由日本小松公司在20世纪80年代初首先提出了PC系列OLLS(OpenCenterLoadSensingSystem)系统,实为负流量控制系统。
该系统主要在六通型多路阀中位回油路上设置流量检测元件,根据检测到的流量转化为流量检测元件进口压力,进而控制负流量控制泵的排量。
该进口控制压力与泵的排量成反比,故称为负流量控制,其原理图如图3所示。
当先导手柄行程越大,先导压力就越大,主阀芯开度就越大,即为执行元件所需流量就越大,则这时通过多路阀中位回油的流量就越减小,流量检测元件的进口压力就越小,泵的排量就增大。
负流量控制本质上是一种恒流量控制,因而具有结构简单、节能效果较好的优点,所以在行走机械液压中得到了广泛应用。
由于泵的动作总是滞后
于主阀的动作,又由于易受负载的影响,所以负流量控系统具有响应时间长、流量波动大、操作敏感性差等缺点。
2.4正流量控制系统
正流量控制始于20世纪70年代,其工作原理图如图4所示。
泵的变量活塞缸的压力直接来自先导压力,先导手柄行程越大先导压力就越大,主阀芯开度就越大,即为执行元件所需流量就越大,此时泵的排量就越大,反之亦然,则即为先导压力与泵的排量成正比,故称之为正流量控制。
由于先导压力几乎同时到达主阀芯和泵的变量活塞缸,能基本实现两者同步,又由于多路阀中位回油压力较低,因此与负流量控制相比具有操纵敏感性好和更节能等优点。
但是由于正流量控制存在梭阀组,使得系统结构复杂和成本较高,在工程应用中一度被负流量控制所取代。
然而随着技术的进步,在降低成本的同时引入闭环反馈电控技术并与正流量控制相结合,使得正流量控制不但克服了原来的缺点而且在操纵性能
和节能方面比负流量控制更具优势,与负荷传感相比可靠性更高,可以预见在未来的行走机械液压中将会得到推广和应用。
2.5负荷传感控制系统
负荷传感技术诞生于20世纪70年代,直到进入90年代才在挖掘机上的应用逐渐增多,其工作原理图如图5所示。
负荷传感控制的主要技术特点就是在多路阀的每一联前设置定差减压型压力补偿器,并通过梭阀组把最高负载压力反馈到泵的负载敏感阀上,保证泵出口压力和最高负载压力之差恒定,实现泵按负载需要供油而无多余的流量,所以无溢流损失,而且泵出口的压力仅比最高负载压力高一个节流口的压差,且这个压差较低(一般为1.4~2MPa)。
压力补偿器不仅具有控制多路阀节流口两端压差恒定实现流量按需分配的功能,而且还能分担低负载支路造成的压差不足,实现多缸同时动作且互不干扰。
因此,
负荷传感控制具有明显的节能和良好的操纵控制性能。
目前,德国林德、力士乐和日本小松、日立等国外公司在负荷传感控制技术方面处于世界领先水平,然而国内主要行走机械生产厂家还处于研究起步阶段,还需要奋起直追迎头赶上。
3绿色环保型液压油的研究现状
在过去的25年时间里,由于矿物型液压油泄漏造成的环境污染和废油处理的困难以及石油资源的紧张,绿色环保型液压油的研究受到了特别关注,而其中植物油因其无毒、良好的润滑性、高黏度指数和高生物降解性成为矿物型液压油最有希望的替代品。
但是,因植物油具有抗氧化性、抗腐蚀性和低温流动特性差的缺点,所以还需要继续深入研究以便全面走向工业应用。
美国、德国等发达国家早在20世纪80年代就开展了这方面的研究,并首先在军工领域成功地得到了应用,随后在叉车上也取得了成功,但因成本过高并没有真正进入商业市场。
而我国也将可生物降解的润滑剂的开发列入了“九五”国家科技攻关项目,但国内研究的单位很少且处于起步阶段。
4绿色液压技术的展望
随着新材料新工艺的进步和精密加工技术的提高,结合电力电子技术、信息技术、计算机技术、自动控制技术和摩擦磨损理论等其它领域的技术成果,绿色液压技术已经取得了丰硕的研究成果,而且新液压元件和新系统将不断涌现。
从研究成果来看,有以下趋势:
(1)应用新原理新材料研究开发节能型液压元件,这些新型液压元件主包括液压泵、溢流阀、减压阀、调速阀和液压变压器等。
(2)基于磁流变液(MRF)的压力、流量和方向阀的研究开发将会是新的研究热点。
一旦研制成功且性价比高,那么会给液压技术带来颠覆性变革,现有的液压技术会被改写和淘汰,因为抛弃了传统的液压节流原理,系统效率则会得到极大提高,节能效果显著。
(3)节能型液压系统的研究还将继续得到发展,并与电子技术、传感器技术、计算机现场总线技术及嵌入式系统进一步有机结合,朝着智能化方向发展。
5结论
综上所述,绿色液压技术目前已经取得了丰硕成果,但都存在一些不足。
随着科技的不断发展,绿色液压技术这一课题的研究必将不断深入,绿色液压技术必将取得进步和发展,其应用领域将会更加广泛。
在结合目前研究成果的同时,把握绿色液压技术的发展趋势,以节能和环保为本质特征推动其向前发展。
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