流體傳動(dòng)與控制的發(fā)展與展望

流體傳動(dòng)與控制的發(fā)展與展望

歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展往往會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響。這就是資源的過(guò)度浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的破壞,長(zhǎng)期持續(xù)會(huì)危及人類自身。因此,有識(shí)之士不斷的倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀。科學(xué)發(fā)展觀應(yīng)該包括生產(chǎn)過(guò)程與環(huán)境相容;產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造低消耗;廢料的低排放;排放和殘骸必須可降解;產(chǎn)品材料可再生循環(huán)等內(nèi)容。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中,流體傳動(dòng)與控制得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí),也暴露出它的某些缺陷。這些缺陷主要是效率較低、泄漏和噪聲可能造成環(huán)境污染。廣大從事流體傳動(dòng)與控制的科技人員經(jīng)過(guò)多年的努力,取得一系列喜人的成果。本文擬對(duì)流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域符合科學(xué)發(fā)展觀的主要成果作簡(jiǎn)要的介紹,目的是使同行們更多關(guān)注這一問(wèn)題,使流體傳動(dòng)與控制行業(yè)以至于整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展更加協(xié)調(diào)和有序。信息的充放電傳統(tǒng)和能量的缺乏流體傳動(dòng)與控制系統(tǒng)是統(tǒng)一的。沒(méi)有不傳動(dòng)的控制,也沒(méi)有不控制的傳動(dòng)。信息和能量是控制的基礎(chǔ)。缺乏足夠的信息難以實(shí)現(xiàn)有效的控制,但是,能量不足也會(huì)使任何控制策略十分蒼白。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目標(biāo),應(yīng)該提倡和推廣的主要技術(shù)措施有:1.全局優(yōu)化設(shè)計(jì)思想人類自古追求“至善”,至者為最,善者為優(yōu),至善就是最優(yōu)。對(duì)于一個(gè)液壓系統(tǒng),無(wú)論設(shè)計(jì)者或使用者,都希望它是最優(yōu)的。例如,在有限的能量消耗前提下,追求最好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能;反之,在一定的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的要求下,追求能量消耗最小。優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法,就是達(dá)到上述目標(biāo)的橋梁。優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該著眼于全局。對(duì)于液壓系統(tǒng)不僅應(yīng)使其傳動(dòng)功能達(dá)到最優(yōu),也應(yīng)使其控制功能達(dá)到最優(yōu)。在確定動(dòng)力部分的參數(shù)時(shí),不僅希望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)最優(yōu)匹配,同時(shí)也希望實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)最優(yōu)匹配;在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制部分時(shí),不僅追求系統(tǒng)的控制性能好,同時(shí)也追求抗干擾能力強(qiáng)。應(yīng)用不同的目標(biāo)函數(shù)可能得到不同的尋優(yōu)結(jié)果,對(duì)于同一設(shè)計(jì)變量會(huì)有不同甚至相反的要求,這樣就常常要采取某種折衷。上述思想可以概括為功能設(shè)計(jì)把握整體,性能指標(biāo)統(tǒng)籌兼顧,尋優(yōu)結(jié)果綜合分析,這就是全局優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),必須兼顧性能指標(biāo)和能量消耗。“過(guò)猶不及,允執(zhí)其中”,這就是優(yōu)化設(shè)計(jì)的精義。2.液壓系統(tǒng)節(jié)能的目由于流體傳動(dòng)與控制系統(tǒng)是動(dòng)力裝置與工作機(jī)械之間的環(huán)節(jié),為了提高工作效率最好能做到與工作機(jī)械的負(fù)荷狀態(tài)相匹配,并與原動(dòng)機(jī)的高效工作區(qū)相協(xié)調(diào)。負(fù)載敏感系統(tǒng)和功率協(xié)調(diào)系統(tǒng)就可以達(dá)到這一目的。對(duì)于采用節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)的能量損耗分為兩大部分:第一部分為溢流損耗,第二部分為節(jié)流損耗。這兩部分損耗中,溢流損耗比重更大。液壓系統(tǒng)節(jié)能的有效方法是使泵輸出的流量與系統(tǒng)所要求的流量相適應(yīng),盡量減少溢流損失。用變頻器驅(qū)動(dòng)普通三相異步電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)定量泵,通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變泵輸出的流量,從而基本達(dá)到無(wú)溢流損耗的目的。采用變頻器可以使電機(jī)完全停轉(zhuǎn),最大程度地減少了電機(jī)的空載損耗。由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵組成的系統(tǒng)最高可提高效率50%,此方法已在實(shí)際中得到應(yīng)用。3.靜液傳動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)展二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)是近年發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)能系統(tǒng)。它是工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力耦聯(lián)系統(tǒng),二次元件能在輸出扭矩和轉(zhuǎn)速組成的坐標(biāo)系中的四個(gè)象限內(nèi)工作(如圖所示)?；厥张c重新利用系統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)能和重物勢(shì)能,提高了系統(tǒng)效率,改善了系統(tǒng)的控制特性。在能源日益緊缺的今天,對(duì)該系統(tǒng)的研究具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它與傳統(tǒng)的靜壓傳動(dòng)的區(qū)別在于直接對(duì)二次元件的技術(shù)參數(shù)(轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等)進(jìn)行控制。由于二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn),使它在很多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外已將其成功應(yīng)用于造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、大型試驗(yàn)臺(tái)、車輛傳動(dòng)等領(lǐng)域。第一套配備有二次調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的系列化產(chǎn)品是無(wú)人駕駛集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)車CT40。它建在鹿特丹的歐洲聯(lián)運(yùn)碼頭(ECT)。奔馳汽車公司將二次調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于行駛模擬試驗(yàn)臺(tái),以及無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的行駛驅(qū)動(dòng)和其他領(lǐng)域等。在市區(qū)公共汽車上配備了二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)后的節(jié)能效果相當(dāng)顯著。近期出現(xiàn)的定流網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng),在保留了定壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高效率、制動(dòng)能量可回收等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以定量泵取代了原系統(tǒng)中壓力適應(yīng)泵加蓄能器的復(fù)雜液壓源結(jié)構(gòu),以單向變量液壓馬達(dá)取代了原系統(tǒng)中的雙向變量馬達(dá),并取消了二次回路中的限流元件,大幅度簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成,最大限度地降低了節(jié)流損失,達(dá)到最佳節(jié)能效果。泄漏污染控制泄漏污染控制是倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀的另一個(gè)重要方面。螺紋插裝閥被認(rèn)為是可實(shí)現(xiàn)零外泄的第五代液壓閥,水壓傳動(dòng)是解決泄漏污染的革命性措施。1.應(yīng)用于起毛不定時(shí)的應(yīng)用20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了最早的螺紋插裝閥,到了70年代螺紋插裝閥出現(xiàn)了大發(fā)展。由于它具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活、使用方便、價(jià)格低、特別是可實(shí)現(xiàn)零外泄等一系列優(yōu)點(diǎn),在歐美被廣泛應(yīng)用。螺紋插裝閥可以有4端口,甚至6端口,因此具有很多變化的可能性。由于比以前使用管式閥大大縮小了占用空間,縮短了組裝時(shí)間,特別是在裝配流水線上的組裝時(shí)間,減少了可能泄漏的部位數(shù),為傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中的泄漏和污染問(wèn)題找到了一種行之有效的辦法。螺紋插裝閥結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,加工容易,通用件多,便于大批量生產(chǎn),因此價(jià)格比相同功能的板式閥、管式閥低一些。到了20世紀(jì)80年代,形成了全方位供應(yīng)商。迄今世界上已有上百家公司可以提供螺紋插裝閥。隨著我國(guó)現(xiàn)代化的進(jìn)程,特別是各式各樣的行走機(jī)械大量增加,螺紋插裝閥的應(yīng)用必定會(huì)越來(lái)越廣泛。2.水壓技術(shù)是普遍關(guān)注的熱點(diǎn),除雜劑、提性劑、水質(zhì)好最早的液壓系統(tǒng)是以水為工作介質(zhì),但隨著石油工業(yè)等的發(fā)展,油性介質(zhì)取代了水而成為了主要的工作介質(zhì)。但是液壓油存在易燃和污染兩大嚴(yán)重缺點(diǎn)。近年來(lái),人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)以及節(jié)約能源日益重視,液壓技術(shù)也必須向安全、衛(wèi)生及環(huán)境友善的方向發(fā)展。從這一點(diǎn)出發(fā),只有水是最理想的液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì),所以水壓技術(shù)早已成為普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。水壓技術(shù)與油壓技術(shù)相比,具有十分突出的優(yōu)越性,是理想的“綠色”技術(shù)和安全技術(shù)。用水代替液壓油,避免了污染、易燃、浪費(fèi)能源等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。水不會(huì)污染環(huán)境,能保證工作場(chǎng)所的清潔;水無(wú)著火危險(xiǎn);水的價(jià)格低廉,來(lái)源廣泛,特別是水壓系統(tǒng)用于海洋或江河附近,使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。從國(guó)際上看,近數(shù)十年來(lái),純水和海水液壓傳動(dòng)有很大發(fā)展,已制成系列的液壓元件。所用材料主要是特種塑料、陶瓷、不繡鋼等。要解決的問(wèn)題主要是優(yōu)良性能的材料、加工及特種設(shè)計(jì),目前價(jià)格還相當(dāng)昂貴。隨著需求的擴(kuò)大、研究及非金屬抗磨材料的改進(jìn)等,可以預(yù)見,水壓系統(tǒng)將大規(guī)模地進(jìn)入工業(yè)部門及特種行業(yè)。噪聲控制噪聲污染,特別是大功率液壓設(shè)備的噪聲污染已成為液壓工業(yè)發(fā)展的障礙之一,有必要引起有關(guān)方面人員的進(jìn)一步重視。1.系統(tǒng)振動(dòng)的控制振動(dòng)與噪聲是液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的兩種現(xiàn)象。它主要來(lái)自于兩方面:一方面是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng);另一方面是流體工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。由于噪聲源于振動(dòng),因此對(duì)噪聲的研究與防范,最終歸結(jié)為對(duì)振動(dòng)的研究與預(yù)防。機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)來(lái)源于運(yùn)動(dòng)部件的不平衡、不同心或間隙調(diào)整不當(dāng),其中包括回轉(zhuǎn)體不平衡和兩軸連接的不同心和軸承配合間隙不當(dāng)。無(wú)論產(chǎn)生振動(dòng)的渠道如何,其結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生噪聲。流體工作過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的因素比較多,也比較復(fù)雜。主要原因有系統(tǒng)泄荷、介質(zhì)中混雜的氣體引起的振動(dòng)、前沖現(xiàn)象與沖擊性負(fù)載、油箱的共鳴、管路振動(dòng)等。振動(dòng)與噪聲的控制應(yīng)著眼于兩方面的工作:一方面在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要采取有效的技術(shù)措施進(jìn)行防范;另一方面,在液壓系統(tǒng)和相關(guān)機(jī)械系統(tǒng)安裝和運(yùn)行過(guò)程中要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行并定期保養(yǎng)。2.基于流道模型的孔隙壓制液壓元件中,液壓泵是主要的噪聲源。液壓泵中的噪聲來(lái)源于流體壓力梯度的突變和困油;吸油不暢和氣穴;殼體耦合和運(yùn)動(dòng)零部件的沖擊等。在閥類中,噪聲較大的是溢流閥、節(jié)流閥等壓降較大的閥。其中,流道內(nèi)部激振流場(chǎng)誘發(fā)的流體噪聲占很大比重,這部分噪聲主要源于氣穴流動(dòng)、噴流噪聲、漩渦振動(dòng)、液壓沖擊、以及流體的壓力和流量脈動(dòng)。液壓閥的流體噪聲主要來(lái)自閥內(nèi)節(jié)流口,當(dāng)油液通過(guò)閥口時(shí),流速的急劇上升使壓力能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能,導(dǎo)致壓力的驟然下降,油液中的氣體分離出來(lái),出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象并誘發(fā)噪聲。氣穴噪聲是液壓閥的主要噪聲源。從流體微觀分析入手,研究液壓控制元件誘發(fā)噪聲的機(jī)理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓控制元件的低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì),已成為當(dāng)前液壓控制元件流體噪聲控制的發(fā)展趨勢(shì)。利用流動(dòng)顯示技術(shù)直接觀察元件內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象,研究流道結(jié)構(gòu)對(duì)流量系數(shù)、液動(dòng)力、氣穴形態(tài)和漩渦運(yùn)動(dòng)等噪聲誘發(fā)因素的影響目前已取得了較大的進(jìn)展。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)閥的氣穴流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,將氣相體積比方程、汽化質(zhì)量方程引入湍流模型,實(shí)現(xiàn)閥內(nèi)氣穴的數(shù)值試驗(yàn),