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国外液压研发动态
2016年03月28日      关注:118

 

20154月受中国液压气动密封件工业协会的委托,我去观摩了汉诺威展览会,又利用67月份在德国休假的时间,了解一些情况,在这里向各位汇报一下。

 

可调式密封圈(洪格尔)

1是洪格尔公司提出的可调式密封圈,本人第一次见到,觉得很新奇。我刚才才了解到,这其实不是新发明,十年前就有了。还听说在中国至今还没有卖出一个,觉得十分可惜。它是怎么工作的呢?密封圈是靠预压紧它的唇边,保证密封,在活塞杆往复运动的时候把油封住的。但是运行时间一长,磨损以后,密封唇边的压力就会降低,低到一定程度就会失去密封的效能。洪格尔公司的发明在于把这个密封圈做成空心的,里面灌了润滑脂,然后这里装了一个接点。如果发现它不密封了,通过这个接点增加一些润滑脂,那么又会重新得到密封压力。其实原理非常好理解,一说大家都懂,关键是他们发明出来了。在汉诺威展览会上洪格尔公司做了演示:液压缸往复运动,看到有泄漏了,就在这里增加一点压力,马上泄漏就没有了,效果非常明显。洪格尔公司20142015PTC的展台也有展出,相信大家已看到。

 

 

可调型密封圈(洪格尔)

 

这么一个小小的发明,所创造的价值是非常高的。大家知道,液压缸一般有三组密封。端盖和缸体间,是静密封,一般不太会坏。另外两组是动密封,一组是在活塞上的,另一组是在活塞杆上的。活塞做往复运动,但两边都是油,只要油液不是太脏,活塞密封的工作环境还是比较好的。工作环境最恶劣的是活塞杆密封,因为外界的杂质可能通过防尘圈进来。另外,如果活塞杆磨损了,也会造成密封件的损坏。如果漏油了,要换,就必须拆,要把活塞杆完全抽出来,然后才可能换。如果一个大的液压缸活塞杆密封漏了,想换,怎么换?怎么把活塞杆抽出来,恐怕没有起重机不行。如果是45万吨的压机,液压缸要换密封圈,我都不知道怎么换,要花多少时间。这种压机一个小时的工价就要至少几万元。船用打桩机的液压缸长度大概是20米左右,怎么换,一般没有上千吨的起重机可能没法换。所以你不要看这个发明的成本很低,但它创造的价值还是很高的。如果换一下密封圈要花几百万元,顾客当然愿意花几十万元来买这个密封圈,可惜在中国还没有用。有日本公司请洪格尔公司造了一个液压缸,行程20米,自重200吨,上面就用了这个可调性密封圈,而且是全自动的。自动检测,如果检测到密封漏油了,它会自动加压。

 

防尘圈(洪格尔)

在汉诺威展会上还看到洪格尔公司一个防尘圈的演示做得非常好,我特地拍了一段录像。活塞杆背后是冷冻器,所以过几分钟后,活塞杆上就结了一层冰(图2)。用这个防尘圈,活塞杆一个往复,就干干净净。整个展会期间,每几分钟一个往复,用此证明防尘圈质量过硬。

 

可调型密封圈(洪格尔)

 

二维码(力士乐)

力士乐说,作为迈向工业革命4.0的努力,它的所有产品上现在开始都会加二维码。你一扫,就可以把产品的特性数据或易耗件的信息读到你的手机里。

 

液压缸上也都有这个码,一扫以后,把这个基本类型读进去了,然后你就可以输入你需要的活塞杆直径、活塞直径、行程长度等等数据,完成以后,那边全部到它工业4.0的那套管理系统去,可以做到15天交货。想想吧,前几年,力士乐泵的交货期曾长达75个星期,现在利用网络,可以高度灵活,实现低成本的个性化定制。

 

油液状况传感器

在这次展会上还看到派克公司新推出的油液状况传感器(图3)。油液状况传感器在欧美的应用已经越来越多,特别是由于风力发电机需求的推动。通过它可以监测到油液的黏度、相对湿度、导电率、介电常数等等。我们都是搞液压的,都知道液压油工作一阵要换。但应该多长时间换一次呢?其实,按时间换油的规定是不科学的,因为实际工作情况、环境不同,油液的老化情况也不同。而且液压油也很昂贵,所以在欧美,越来越多地使用油液状况传感器。比如说,根据黏度变化。使用过程中,油液的黏度逐步下降,降到一定程度,然后换。这样才比较合理,既能保证性能,又省钱还环保。

 

油液状况监测

 

光学条纹位置传感

MTS公司早就推出了液压缸用的磁致伸缩位置传感器。可以随着活塞的运动,测出活塞的位置,输出电信号,可以达到微米级的精度。那么有没有其他办法呢?这次看到一种新的,光学条纹电子传感器。光栅,大家知道,可以精确地测出位置。但普通光栅有一个很大的局限性,它给出的是相对位移,相对于原来位置变化了多少。所以,一旦停电,数据丢失了,就不知道在什么位置了。因此,重新启动以后,必须回到某一个零位,校对一下,再从这里开始重新确定位置。派克公司新推出了一种的用于液压缸的光学条纹传感器(图4):活塞杆上面刻了很多粗细间距不一的条纹,在端盖两边各装了一个位置错开的光学传感器,监测条纹的变动。条纹的宽窄是有讲究的。现在位置分辨率已经达到0.1mm,对于一般应用来说已经够了。

 

 

光学条纹位置传感(派克公司)

 

碳纤维油缸和蓄能器(派克)

碳纤维油缸2013年就有了,在这次汉诺威展会上派克公司展出了三个不同的碳纤维油缸。碳纤维油缸的接头部分要有连接螺纹,这个还没有办法用碳纤维制造,所以还是用金属。碳纤维和金属接头的连接部分比较粗。在今年展出的就不那么粗了。说明缠绕技术改进了。碳纤维的重量只有钢的三分之一,当然铝也只有钢的三分之一,但铝不耐腐蚀,碳纤维耐腐蚀,抗拉强度非常高。对于航空航天领域,元件重量以克来评价的,采用碳纤维就非常有价值了。派克展出的活塞杆还是金属的。这次汉臣在PTC也有展馆,但碳纤维的没拿来展出。汉臣在汉诺威展会上展出了,说通过改进缠绕技术,提高了刚性,现在活塞杆都能用碳纤维做了,整体的活塞杆和活塞全部是碳纤维的。活塞杆由于比较细,很容易失稳折弯,通过改进缠绕技术,提高了刚性,不易折弯。

 

这次展会上还看到派克使用碳纤维制造的蓄能器,重量大大减轻了。现在,蓄能器在节能上起很大的作用,混合型汽车等都需要。当然要考虑重量,那么采用碳纤维就很有利。

 

缓冲油缸(贺德克)

贺德克公司在汉诺威展会展出了缓冲油缸。图5是前几年搞的,有杆腔通大气,无杆腔有油,连到蓄能器,扩大了它的缓冲范围。这次,他们又提出新的改进(图6),把蓄能器省掉了。无杆腔直接是气。端盖上连了一个小的蓄能器,里面藏了一点点油。端盖里,两边是密封,当中是导向,这里面有油。活塞杆进出时,始终能接触到一点油,这就够润滑了。这样,减重25%,需油极少,安装方便。

 

 

缓冲油缸             缓冲气油缸

 

 

过滤器(雅歌辉托斯)

在展会上还看到一个新的双联高压过滤器(图7),雅歌辉托斯做的,在本届PTC也展出了。它的特点是可以不间断工作地更换滤芯。如果一个滤芯拦截了很多污染物,两侧的压差超了,可以用手柄切换,让另一个滤芯工作。这个其实并不新,以前就有。但是切换手柄需要很大的力,因为是高压。雅歌辉托斯通过特殊设计,切换的阀变成套筒转阀形式,不承受压力,所以可以很轻松的扳过来。扳过来以后,这边完全卸荷,就可以轻松地把这个外壳卸下来,更换滤芯。

 

 

双联过滤器

 

液压泵(力士乐)

在汉诺威展会上力士乐展出了一个电调制泵(图8)。有一个传感器监测斜盘的摆角,把信号传到控制器,控制器再给出控制信号到变量机构,控制斜盘摆角。这么一来,不管是恒功率、恒压还是负载敏感控制,都可以通过区域总线或者预先设置在里面。然后根据指令信号,就可以实现所需要的功能。这里的难点是频响问题,电控变量机构的频响是否足够高。它既然展出了,我想大概是已经解决了。

 

 

电调制泵

 

双作用叶片泵,由于作用力平衡,泵轴上既没有轴向力,也没有径向力。力士乐干脆把联轴器取消了(图9)。在伺服电机的转子中打了一个孔,把泵轴直接插进去。体积缩小了、材料节省了、成本降低了,性能也更好了。

 

无联轴器的双联叶片泵

 

力士乐的A4V泵属于重型泵,这次展会上宣称,A4VHO型的最高工作压力已经达到630bar了。

 

电液作动器

这次展会上看到电液作动器非常热门。电液作动器,又被称为自治缸,电机、泵、油箱、液压缸一体化了,只要接上电源,给个位置、速度指令就可以工作了。

 

10的这套东西韦伯液压推出的,是用于控制一个车辆的转向前桥。液压缸也就是利用这套装置驱动的。这里给电信号,然后变速电机驱动泵,供应油液给液压缸,全部电控。

 

10 卡车前桥用电液作动器

 

福伊特公司2013年就推出了它的电液作动器,据说它的电液作动器可以多种安装形式,非常灵活。这一个是带蓄能器的。没有油箱,就用蓄能器。这里是电机、泵、然后一些控制阀,最后液压缸。

 

汉斯(HAINZL)公司展出的电液作动器使用了两个活塞式蓄能器。液压缸比较大,可能出力也相当高。

 

11是布赫公司展出的电液作动器,也全在里面了。电线从这里进去,控制阀在这里。据说已经用在注塑机上了。

 

11 注塑机用电液作动器

 

力士乐2013年就展出了一套电液作动器,上面写着25吨。电机、泵、然后是油箱、阀等杂七杂八都在这里面,这次展出的更精简了。泵、电机,稍微有几个阀,驱动力可以达到40吨。现在力士乐已经可以提供大小多种型号,推力从5002500kN(也就是250吨),速度最高可以到1000mm/s,行程最大可以到1800mm,还可以带位置、压力或者力控制。

 

这些电液作动器用的是差动液压缸闭式回路,关键是差动缸两边面积不同,进入排出的流量就不同。其实它的回路并不神秘。往往是用双联泵,一个泵和液压缸相连,还有一个泵与蓄能器或油箱相连,多余的油就通过这个泵到蓄能器去。图12是一种全闭式的回路。图13是半闭式的回路。部分循环,部分多余的油回油箱。注意,这些阀主要起安全作用,平时基本不工作。因为主回路上没有任何阀,所以非常节能。

 

12 全封闭型电液作动器回路

 


 

 

13 半封闭型电液作动器回路

 

14是全开式的,一个泵马达与无杆腔相连,另一个泵马达与有杆腔相连,这是调速电机,这样就全解决了。

 

14 全开式电液作动器回路

 

四象限回路可回收能量

15是力士乐推出的所谓四象限回路,可以回收能量。一个普通的液压缸,两腔分别和一个双联泵相连。在工作的时候,即使有负负载(外加的载荷)驱动液压缸动,也可以通过电机把能量回收。因此,可以四象限动作。力士乐的展板说,使用传统回路,如果从电网输入的能量算作100%的话,电机要损失大概12%,液压泵总效率86%,也是损失12%。使用普通阀控回路,在阀处损失的能量可能要达到40%60%,所以,最后真正有用功可能只有电网输入的16%30%。那么采用刚才所说的这种容积回路呢,电机还是有这些损失,泵也还有损失,个别阀还有些损失,但小得多,有用功可以达到70%,能效大大提高。

 

 

15 四象限回路

 

差动缸闭式回路(力士乐)

这次回国之前,在杂志上看到力士乐新提出一个回路(图16):用两个差动缸组成了闭式回路,四个二位二通阀,轮流开通,也可以完成所有工况。所谓液压缸的闭合回路,就是在里面循环的油不再直接和空气接触了,这样可以避免油液被氧化,也可以避免带入气泡。我后来仔细分析了一下,确实可动作,就是这些阀轮流开启,甚至还可以回收能量。

 

16 差动缸闭式回路

 

波浪发电

这次我到亚琛工大流体技术研究所去,看到人家委托他们测试的一套东西(图17),液压缸大约2米长。我问穆任霍夫教授:这个有什么新鲜的吗?他说这是1:10的模型,也就是说,真正的液压缸要20米长。用于波浪发电。各位如果见过海啸的录像,就可以体会到,因为水的密度比空气高得多,波浪里面含有的能量会远超过风,所以,波浪发电可以取得的能量也会远超过风力发电。欧共体在苏格兰海岸设立了一个试验场,专门试验波浪发电。

 

17 模拟潮汐发电试验装置

 

风力发电机用的泵

讲到风力发电,不知道各位看到的最大的泵功率是多大。我算了一下,力士乐的500排量的泵,在300bar时,才是250kW。图18中的泵也是轴向泵,1600kW,日本三菱重工做的。有一个2700kW的泵已经在苏格兰海岸在实验了,目前三菱重工正在制作一个7000kW的泵,那肯定还要大得多。

 

18 风力发电用液压泵

 

风筝发电

最后还要提一下利用风筝发电,这次汉诺威展会上有一个公司在介绍。其实,越高的地方风越大,这就是为什么现在风力发电机要拼命造得高。但是从地面上造,越往上越不容易造。现在2MW的水平轴发电机,已经要达到150米左右的高度,光是安装费用就要好几百万元。而用风筝就很容易到35百米的高空。这个公司说:他们20kW的样机去年已经试验成功了,今年正在准备200kW的样机。他们的风筝不是普通的风筝,是由空气动力学家特殊设计的,像飞机翅膀,飞行姿态是可控的。通过改变角度可以像图19所示那样:从收回的状态逐步放出去。通过控制,让这风筝走8字形。就在这过程中把钢缆不断往外拉,从而带动发电机发电。到钢缆全部拉完以后,再控制它快速下降,降到低处后再开始这么走8字形。大概就是这么个过程:不用的时候停在低处,然后开始转圈,一点点上去,到最高了,哗一下下来,然后再重复。这也是一个很好的创新。

 

 

19 用风筝发电

 

我的体会是,探索是创新的前提,我们要努力探索。改进也是创新。不断改进,再小的改进都是进步。


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