流体传动与控制的发展与展望

流体传动与控制的发展与展望

历史经验告诉我们，经济的快速发展往往会产生一些负面影响。这就是资源的过度浪费和生态环境的破坏,长期持续会危及人类自身。因此,有识之士不断的倡导科学发展观。科学发展观应该包括生产过程与环境相容;产品的设计与制造低消耗;废料的低排放;排放和残骸必须可降解;产品材料可再生循环等内容。在经济发展的过程中,流体传动与控制得到广泛应用。与此同时,也暴露出它的某些缺陷。这些缺陷主要是效率较低、泄漏和噪声可能造成环境污染。广大从事流体传动与控制的科技人员经过多年的努力,取得一系列喜人的成果。本文拟对流体传动与控制领域符合科学发展观的主要成果作简要的介绍,目的是使同行们更多关注这一问题,使流体传动与控制行业以至于整个国民经济的发展更加协调和有序。信息的充放电传统和能量的缺乏流体传动与控制系统是统一的。没有不传动的控制,也没有不控制的传动。信息和能量是控制的基础。缺乏足够的信息难以实现有效的控制,但是,能量不足也会使任何控制策略十分苍白。为了实现节能增效的目标,应该提倡和推广的主要技术措施有:1.全局优化设计思想人类自古追求“至善”,至者为最,善者为优,至善就是最优。对于一个液压系统,无论设计者或使用者,都希望它是最优的。例如,在有限的能量消耗前提下,追求最好的动态和稳态性能;反之,在一定的动态和稳态性能的要求下,追求能量消耗最小。优化设计理论和方法,就是达到上述目标的桥梁。优化设计应该着眼于全局。对于液压系统不仅应使其传动功能达到最优,也应使其控制功能达到最优。在确定动力部分的参数时,不仅希望实现稳态最优匹配,同时也希望实现动态最优匹配;在设计系统的控制部分时,不仅追求系统的控制性能好,同时也追求抗干扰能力强。应用不同的目标函数可能得到不同的寻优结果,对于同一设计变量会有不同甚至相反的要求,这样就常常要采取某种折衷。上述思想可以概括为功能设计把握整体,性能指标统筹兼顾,寻优结果综合分析,这就是全局优化设计思想。在设计系统时,必须兼顾性能指标和能量消耗。“过犹不及,允执其中”,这就是优化设计的精义。2.液压系统节能的目由于流体传动与控制系统是动力装置与工作机械之间的环节,为了提高工作效率最好能做到与工作机械的负荷状态相匹配,并与原动机的高效工作区相协调。负载敏感系统和功率协调系统就可以达到这一目的。对于采用节流调速的液压系统来说,系统的能量损耗分为两大部分:第一部分为溢流损耗,第二部分为节流损耗。这两部分损耗中,溢流损耗比重更大。液压系统节能的有效方法是使泵输出的流量与系统所要求的流量相适应,尽量减少溢流损失。用变频器驱动普通三相异步电机,电机带动定量泵,通过调节电机的转速来改变泵输出的流量,从而基本达到无溢流损耗的目的。采用变频器可以使电机完全停转,最大程度地减少了电机的空载损耗。由变频电机驱动定量泵组成的系统最高可提高效率50%,此方法已在实际中得到应用。3.静液传动的应用进展二次调节静液传动系统是近年发展起来的新型节能系统。它是工作于恒压网络的压力耦联系统,二次元件能在输出扭矩和转速组成的坐标系中的四个象限内工作(如图所示)。回收与重新利用系统的制动动能和重物势能,提高了系统效率,改善了系统的控制特性。在能源日益紧缺的今天,对该系统的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。它与传统的静压传动的区别在于直接对二次元件的技术参数(转角、转速、扭矩、功率等)进行控制。由于二次调节静液传动系统具有许多优点,使它在很多领域中得到广泛应用。国外已将其成功应用于造船工业、钢铁工业、大型试验台、车辆传动等领域。第一套配备有二次调节闭环控制的系列化产品是无人驾驶集装箱转运车CT40。它建在鹿特丹的欧洲联运码头(ECT)。奔驰汽车公司将二次调节技术应用于行驶模拟试验台,以及无人驾驶运输系统的行驶驱动和其他领域等。在市区公共汽车上配备了二次调节静液传动系统后的节能效果相当显著。近期出现的定流网络二次调节液压系统,在保留了定压网络二次调节系统的高效率、制动能量可回收等优点的基础上,以定量泵取代了原系统中压力适应泵加蓄能器的复杂液压源结构,以单向变量液压马达取代了原系统中的双向变量马达,并取消了二次回路中的限流元件,大幅度简化了系统构成,最大限度地降低了节流损失,达到最佳节能效果。泄漏污染控制泄漏污染控制是倡导科学发展观的另一个重要方面。螺纹插装阀被认为是可实现零外泄的第五代液压阀,水压传动是解决泄漏污染的革命性措施。1.应用于起毛不定时的应用20世纪50年代出现了最早的螺纹插装阀,到了70年代螺纹插装阀出现了大发展。由于它具有体积小、结构紧凑、应用灵活、使用方便、价格低、特别是可实现零外泄等一系列优点,在欧美被广泛应用。螺纹插装阀可以有4端口,甚至6端口,因此具有很多变化的可能性。由于比以前使用管式阀大大缩小了占用空间,缩短了组装时间,特别是在装配流水线上的组装时间,减少了可能泄漏的部位数,为传统液压系统中的泄漏和污染问题找到了一种行之有效的办法。螺纹插装阀结构相对简单,加工容易,通用件多,便于大批量生产,因此价格比相同功能的板式阀、管式阀低一些。到了20世纪80年代,形成了全方位供应商。迄今世界上已有上百家公司可以提供螺纹插装阀。随着我国现代化的进程,特别是各式各样的行走机械大量增加,螺纹插装阀的应用必定会越来越广泛。2.水压技术是普遍关注的热点,除杂剂、提性剂、水质好最早的液压系统是以水为工作介质,但随着石油工业等的发展,油性介质取代了水而成为了主要的工作介质。但是液压油存在易燃和污染两大严重缺点。近年来,人们对生态环境保护、安全生产以及节约能源日益重视,液压技术也必须向安全、卫生及环境友善的方向发展。从这一点出发,只有水是最理想的液压系统的工作介质,所以水压技术早已成为普遍关注的热点。水压技术与油压技术相比,具有十分突出的优越性,是理想的“绿色”技术和安全技术。用水代替液压油,避免了污染、易燃、浪费能源等一系列严重问题。水不会污染环境,能保证工作场所的清洁;水无着火危险;水的价格低廉,来源广泛,特别是水压系统用于海洋或江河附近,使系统大为简化。从国际上看,近数十年来,纯水和海水液压传动有很大发展,已制成系列的液压元件。所用材料主要是特种塑料、陶瓷、不绣钢等。要解决的问题主要是优良性能的材料、加工及特种设计,目前价格还相当昂贵。随着需求的扩大、研究及非金属抗磨材料的改进等,可以预见,水压系统将大规模地进入工业部门及特种行业。噪声控制噪声污染,特别是大功率液压设备的噪声污染已成为液压工业发展的障碍之一,有必要引起有关方面人员的进一步重视。1.系统振动的控制振动与噪声是液压系统工作过程中经常出现的两种现象。它主要来自于两方面:一方面是机械系统运动导致的振动;另一方面是流体工作过程中产生的振动。由于噪声源于振动,因此对噪声的研究与防范,最终归结为对振动的研究与预防。机械系统的振动来源于运动部件的不平衡、不同心或间隙调整不当,其中包括回转体不平衡和两轴连接的不同心和轴承配合间隙不当。无论产生振动的渠道如何,其结果都会产生噪声。流体工作过程中产生振动与噪声的因素比较多,也比较复杂。主要原因有系统泄荷、介质中混杂的气体引起的振动、前冲现象与冲击性负载、油箱的共鸣、管路振动等。振动与噪声的控制应着眼于两方面的工作:一方面在液压系统设计和相关机械结构设计时,要采取有效的技术措施进行防范;另一方面,在液压系统和相关机械系统安装和运行过程中要严格按照操作规程进行并定期保养。2.基于流道模型的孔隙压制液压元件中,液压泵是主要的噪声源。液压泵中的噪声来源于流体压力梯度的突变和困油;吸油不畅和气穴;壳体耦合和运动零部件的冲击等。在阀类中,噪声较大的是溢流阀、节流阀等压降较大的阀。其中,流道内部激振流场诱发的流体噪声占很大比重,这部分噪声主要源于气穴流动、喷流噪声、漩涡振动、液压冲击、以及流体的压力和流量脉动。液压阀的流体噪声主要来自阀内节流口,当油液通过阀口时,流速的急剧上升使压力能转换成动能,导致压力的骤然下降,油液中的气体分离出来,出现气穴现象并诱发噪声。气穴噪声是液压阀的主要噪声源。从流体微观分析入手,研究液压控制元件诱发噪声的机理,进而实现液压控制元件的低噪声优化设计,已成为当前液压控制元件流体噪声控制的发展趋势。利用流动显示技术直接观察元件内部的流动现象,研究流道结构对流量系数、液动力、气穴形态和漩涡运动等噪声诱发因素的影响目前已取得了较大的进展。利用计算流体动力学对阀的气穴流场进行数值模拟,将气相体积比方程、汽化质量方程引入湍流模型,实现阀内气穴的数值试验,