工程机械液压技术发展综述_孙新学

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1、第l,参 第l期200 1年3月河北建筑工程学院学报JOU RNALOFHEBE I INSTI一【 UTEOFA RCHI T E CT URALE NG】 NE ER I NGVol.Ig NO.IMa t.20 0 1工程机械液压技术发展综述孙新学苏曙荣茜朱靖,l )河北建筑工程学院机电工程系2 )北京9 16”部队摘要简要回顾T工程机 械液压技术发展的几 个时期.指 出了障阻工程机械液压技术发展的几个问题.概括了液压技术在工程机械上的地位及发展前景.关健词工程机械;液压技术;综述中图号T H一37由于液压传 动具有功率密度高.易于实现直线运动、速度刚性大、便于冷却散热、动 作实现容易等

2、突出优点.因而在工程机械中得到了广泛的应 用.据统计,目前9 5%以上的工程机 械都采用 了液压技术.工程机械液压产品在整个液压工业销售总额中占40%以上,现在采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要指标.1工程机械液压技术发展的几个时期工程机械最初引用液压技术是为了解决车辆转向阻力问题.以减小司机 的劳动强度.在转 向系引用了液力助力器.由于液力助力器在应用过程中显示出的突出优点以及人们对液压元件、液压系统研究的深入.液压技术很快在工程机械其它动作部分得到 了广泛应用.其发展大致经历 了以下几个时期.(l )初期发展时期.2 0世纪四五十年代是工程机械液压技术发展的初期阶段.在这一

3、 时期.人们摸索着将简单的液压元件和液压 系统应用到工程机械上来解决其它方 式实现比较困难的问题(如执行元件的直线运动等).这一时期.液压系统压力很低.一般在ZMP a 7MP a.( 2)高速发展时期.工程液压技术应用在2 0世纪6 0年代进入 了高速发展 时期.这一时期液压系统的主要特点是 高速、高压化,系统压力提高到了2 0MP a.系统压力 的提 高使得液压传 动功率密度大幅度增力。(如液压泵功率重量比由5。年的告Kog提高到了ZKw服g)、液压元 件的重量 明显 下降.液压技术的应用逐渐由工程机械工作装置扩展到转向系、行 走系、传动 系和制动系.在这一时期,人们研制出了全液压挖掘机和

4、全液压叉车等工程机械.液压技术趋于了成熟化.(3 )重视环境 时期.由于泵的工作容积与吸、压腔的转换会导致容腔压力急剧变化.而这 个变化传给泵体就形成噪声.因此,高速、高压的结果必然导致噪声.试验证明,液压泵压力或排量每增加一倍.其噪声约增加3 dB (A) ;泵转速每增加一倍.其噪声约增加6 dB(A),因此液压系统 噪声限制了液压传动功率密度的进一步提 高.在2 0世纪7 0 年代初中期.工程机械液压技术研究主要围绕降低液压系统及整机的工作噪声.( 4 )重视可靠性 时期.由于工程机械大多数是野外作业的施工机 械.其液压系统经常 受到尘埃、振动、高低温、风雨雪、臭氧的侵袭.造成液压油污染,

5、引发故障.据统 计.工程机械液压系统发生的故障的最大原因来 自于液压油的污染(约占液压系统故障的7 0%一8 5%).因此在2 0世纪7 0年代后期.降低工程机械液压系统污染.提高系统可靠性成为这一时期的主要研究课题.(5 )电子、计算机技术与液压技术结合时期.进入2 0 世纪8 0年代,随着 电子技术的迅猛发展.本文 收稿日期:200004一20第一作者:男,1 96 4 年生,讲师,张家口市.07 5 02 4第1期孙新学等工程机械液压技术发展综述5 7电子器件的可靠性大大提 高.在2 0世 纪8 0年代,人们将采用高速 开关阀和步进 电机拖动的数字阀的脉宽调制(PWM )型电液伺服系统和

6、数字 增道控制(IDc )型电液伺服系统应用到 了液压挖掘机上.提 高了液压系统的效率降低 了生产成本.2 0世纪8 0年代末,9 0年代计算机技术得到了长 足的发展.使现代控制理论 在液压 系统的应用成为可能.促使液压技术迅 速发展.单 片机 控制的变量 泵.大大提高了液压 系统的效率.这一时期,人们研制成功了智能型液压挖 掘机,使挖掘机的作业精 度.作业生产及发动机的功率、利用率有了显著提高.计算机技术在液压技术中的应用标 志着现代工程机械液 压传动和液压控制的最高水平.2液压技术在工程机械上的应用范围(l )液压技术在工程机械工作装置中的应用.由于液 压传动的突出优 点,目前几乎 所有工

7、程机械的工作装置都采用了液压传动控 制.即便以前很少采用液压技术的塔式起重机,现也开始 用低速大扭矩马达 驱动起重机的提 升、变幅、回转等机 构.出现 了全液压塔式起重机,大大提高了起 重机操作性能和调速性能.( 2)液压技术在工程机械转向系的应用.许多工程机械(如装载机等)采用 了转向油缸来实现整机转 向控制,全液压工程机 械(如全液 压挖掘机等)则通过对内外侧 车轮的驱动马达转速的控制实现滑移转向,甚至原地转向.大大提高了整机的机动性和灵活性.(3 )液压技术在 工程机械行 走系的应用.由于静压传动具有满载工况下启动平稳,功率 损耗小,易于实现前进倒退的转换,可实现无级调速,且单位传递功率

8、大等优点,而广泛 应用在工程机械行走系(如全液压装载机,全液压挖掘机 的行走系等).( 4 )液 压技术在工程机械传动系及制动系的应用.目前大部分工程机械变速箱都采用 了液压操作 的动力换档 变速箱.大大减小了司机劳动强度,提高传动系换档性 能.、由于液压制动器 动作响应快,制动平稳、可靠,因而在工程机械制动系得到了普及应用.总之.液 压技术几乎遍及工程机械的每个运动部件,达到 了“无液不成机”的程度.3工程机械液压系统存在的主要问题(l )液压传动效率低.统计资料表明.液压传动工程机械的实际有效使用能 仅有5%一7%,因此提高工 程机 械液压系统效率一直是人们的主要研究课题.影响液压系统效率

9、的因素很多.主要有:液压元件工作中产生的能量损失(如泵和马达的能量损失.油流经阀的流动损 失等);液压泵与负载运 动特性不适而产生的匹配损失(如泵的压力与负载大小的不适匹配.泵的流量与负载运动的不适合匹配等);液压系统设计不合理而产生的能量损失(取决于元件 的数量和元件布局).长期以来.人们一直 围绕提高液压元件 效率(如泵,马达.油缸等),减小管路和液压 元件的压力损失和控制 阀的节流损失,优化系统设计和 匹配进行 了大量 的研究.并 采取了许多 新技术和行之有效的措施来提高液压系统的效率如:在工程机械行走系采用静压传动系统.由于该系统省掉了主回路 中引起压力损失的节流阀、方向控制阀和平衡阀

10、,因而它是一种理 想的 节能系统.但仅限于执行元 件为液压马达 的闭式回路系统.在开式回路(如工程机械工作 装置等液压回路)中.采用了恒功率控制变量泵;负荷传感技术和比例控制泵;液压源的分合流技术;压 力控制 技术;能量回收技术(如合理 使用蓄能器);二次调节技术;电子匹配节能技术等.尽管以上技术和措施使工程机械液压系统效率有了明显提 高.便仍不能令人满意.因此.提高工程机械液压系统整体效率仍是今后人们研究的重要课 题之一(2 )漏油严重.漏 油不仅造成油液资源损失、环境污染、停机损失.而且还使系统效率下降.据日本2 0世纪8 0 年代的统计资料,在工程机械所有故障 中,漏油(仅限于外漏)故障

11、约占据2 0%一3 0%,其中油缸漏油故障约占”%,配管占2 3%,液压装置占2 0%.与国外工程机械相比,我国工河北建筑工程学院学报2001年程机械漏油更为严重.“一走一条线,一停一大片”形象地描述了我国工程机械 的现状.我国在2 0世纪60年代就着手防漏治漏.但由于认 识不足.成效不大.2 0世纪9 0年代.我国液压行业管理部门要求参加质量承诺的企业.认真抓好防漏治漏工作、使出厂的液压件做到10 0%不漏.在正常使用情况下2年不漏.液压系统做到出厂不渗不漏.并要有防止意外漏油.不污染环境的措施产生漏油的主要 部位除高压软管破损产生突发性漏油外.主要发生在油缸往复滑动面,泵外伸转 动处,管接

12、头部位等.产生漏油主要原因是:工程机械 作业过程中,配管各部分经常承受发动机及泵旋转而引起的周期性振动为外界载荷对机器的冲击和振动,由此引起管接头松 动或疲劳破坏而导致破裂.产 生漏油;此外工程机械恶劣的工作环境,使得活塞杆经常粘 附粉 尘、泥土、风雨、盐雾的作用.造成油缸密封表 面过早磨 损产生漏油.目前,工程机械 液压系统防漏治漏方面,除保证液压元件加工及安装质量,加强密封措施外,根据机器各部位漏油的几率进行定期检查.也是防漏治漏切实有效的手段.然而,工程机械 的高压化又增加了防漏 治漏的难度.工程机械还会 向大型、高压化发展,防漏 治漏仍是今后工程机械液压系统主要解决 的问题.( 3 )

13、噪声大.声音超过7OdB便成噪声,使人听起来极不舒服,甚至使人烦燥不安.噪声作为一种污染已 日益受到人们的重视.液压系统的高压化必然导致 噪声.并成为障碍工程机械 液压系统功率密度进一步提高 的主要因素.液压系统噪声分为液体噪声和机械噪声.其中流体噪声占相当大的比例.流体噪声是 由于油液的流速、压力的突然变化以及气穴等原因引起.如液压泵的工作容积与吸压腔的转换等致容腔内压力急剧变化而引起噪声;溶 解在液压油中的空气在系统压力低于空气分离压力时,迅 速大量分离形成气泡.这些气泡遇到高压便 被压破产生极强的液压冲击.引起噪声;此外阀口喷射出的高压流体可产生高频噪声.机械噪声主要由于零件之 间产生接

14、触,、撞击和振动 引起 的.如当液压泵、液压马达不平衡旋转 时就会产生周期性 的不平衡力,引起转轴的弯曲振动.产生 噪声,这种振动传到油箱和管路还会发出很大的声响.减小液压系统噪声 的措施,除在液压泵和液压阀、油箱的安装面上设置防振胶垫外.还尽量用液压集成块代替管道以减小振动;对于10Hz以下的低频噪声.常用蓄能器来吸收;高频噪声通过增大管径和使用软管来吸收.此外.用带有吸声材料的隔声罩将液压泵等噪源 罩起 来也是一种有效的降噪方法.目前.人们正在研究采用液体滤波器对液压泵进行降噪的方法.然而.到现在为止.伴随提高工 程机械液压系统工作压力而引起 的振 动和噪声问题仍 未能从根本上得以解决,使

15、得液压系统的功率 密度很难进一步提高.( 4)液压 系统污染严重.据统计,液压机械故障的7 0%一8 0%是液压系统造成 的.而液压系统的故障中有7 0%一8 5%是由于液压油不洁产生的.因此自2 0世纪7 0年代中期以来,人们一直 把降低工程机械液压系统污染,提高系统 可靠性作为一个 主要研究课题.工程机械液压系统的污染物分为装配污染物、入侵污染物和生成污染物3种,其 中装配污染物可在厂家制造、装配与调试过程中得以控制,而 入侵污染物和生 成污染物则主要产生于设备使用过程中.它取决于工程机械的作业环境、维护和保养水平.如:液压元件运 动副及变速 箱磨擦 片磨损.密封件老化损坏都会产生形状各异

16、的污染物造成液压系统的污染;此外.由于工程机械长期工作在野外恶劣的环境中,并且许多维修也在这种环境 中进 行.使得环境中的泥砂、水、灰尘等侵入液压系统造成污染.因此生成污染物和浸入污染物是造成 工程机械液压系统污染的主要原因.这种有形污染物对液压系统受害是很严重的.它不仅使泵、马达的滑动部分及阀运动副表面划伤、磨损(产生新的污染物)、配合 间隙增大.加剧泄漏,还会使阀体内的阻尼孔堵塞.过滤器失效.引发故障.此外,还会加剧油缸等执行元件密封件的磨损.使此泄漏加大、动作迟缓.功耗提高.目前对污染物 的控制主要从加强工程机械液压系统维护管理入手.如定期更 换过滤 器和液压油,彻底清洗系统的油管、油箱、过滤器等.虽然加强液压系统维护管理可在 一定程度上有效地控制工程机械液压系统的污染,然而发第1期孙新学等工程机械液压技术发展综述5 9展新型耐磨材料和密封件,优化液压系统减小生成物和侵入污染物,仍有很多艰难的工作要做.(5 )油中气泡一一无形污染物.液压油中的气泡或泡沫又称为油的无形污染物,它对液压系统的危害也是相当大的.如它可使油液本身刚度下降.容积效率减小.系统可靠性降低;油