工程机械液压技术发展综述

 

中号TH137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95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*初引用液压技术是为了解决车辆转向阻力问，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。

 

初期发展时期。2，世纪十年代是工程机械液压技术发展的初期阶段。在这时期。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如执行元件的直线运动等。这时期，液压系统压力很低，般在2MPa7MPa.

 

高速发展时期。工程液压技术应用在20世纪60年代进入了高速发展时期。这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20MPa.系统压力的提高使得液压传动功率密度大幅度增加如液压泵功率重量比由5，年的+，8提高到了2评义8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。在这时期，人们研制出了全液压挖掘机和全液压叉车等工程机械。液压技术趋于了成熟化。

 

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倍。其噪声约增加338六；泵转速每增加倍，其噪声约，加618六，因此液压系统噪声限制了液压传动功率密度的进步提高。在20世纪70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。

 

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，引发故障。据统计，工程机械液压系统发生的故障的*大原因来自于液压油的污染约占液压系统故障的7085.因此在20世纪70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时期的主要研究课。

 

电子计箅机技术与液压技术结合时期。进入20世纪80年代，随着电子技术的迅猛发展，笫作者男，964年生，讲师，张家口市075024电子器件的可靠性大大提高，在2，世纪80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，世纪8，年代末，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。这时期。人们研制成功了智能型液压挖掘机，使挖掘机标志着现代工程机械液压传动和液压控制的*高水平。

 

2液压技术在工程机械上的应用范围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。

 

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。

 

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。

 

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。提高传动系换挡性能。，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液压传动效率低。统计资料明，液压传动工程机械的实际有效使用能仅有57，因此提高工程机械液压系统效率直是人们的主要研茺课。影响液压系统效率的因素很多，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充件的数量和元件布局。长期以来，人们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，因而它是种理想的节能系统。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；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之。

 

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20世纪80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约占据2030.其中油缸漏油故障约占33，配管占23，液压装置占2与国外工程机械相比，我国工程机械漏油更为严重，走条线，停大片形象地描述了我国工程机械的现状。我国在20世纪60年代就着手防漏治漏，但由于认识不足，成效不大。20世纪90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，栗外伸转动处，管接头部位等。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，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。

 

噪声大。声音超过7048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1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仍未能从根本上得以解决，使得液压系统的功率密度很难进步提高。

 

液压系统污染严重。据统计，液压机械故障的7080是液压系统造成的，而液压系统低工程机械液压系统污染，提高系统可靠性作为个主要研究课。

 

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定程度上有效地控制工程机械液压系统的污染，然而发展新型磨材料和密封件，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。

 

油中气泡无形污染物。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；油中气泡瞬间压缩还会使其温度急剧升高，引起油温升高，加速油液氧化油温在60以上时，每升高1其氧化速率成倍递增，降低油的润滑性。加速密封件老化；当系统因某种原因低于油中气泡析出时，大量的微小气泡就会浮到油与液压元件内壁上，并聚集成更大的气泡，这些气泡遇到高压时，气泡爆炸，引起固体壁面剥。蚀，导致气蚀，并产生振动和噪声。由于工程机械作业载荷变化频繁，幅度很大，并且经常受到外界冲击力的作用，使液压系统压力频繁变化，因此工程机械液压系统中气泡危害是不容忽视的。

 

油中的气泡主要是通过油箱和泵的吸入管口掺混入油的，如当油箱面太低，泵吸入管口半露于油面或淹深很浅时，或泵出油管漏油，回油管口高于油箱油面时，都会使大量空气吸入形成气泡。油中少量空气对油的物理性能没有什么影响，但过饱和的空气就会析出聚集较大的气泡危害液压系统。传统气泡消除方法都是利用系统中的必备的油箱进行气泡的去除。如使油箱水平截面大于油液深度；设置隔板进油口尽量设置的远些，体积大些等传统的这些方法，气泡去除效果很差，而且还使装置整体结构变大使得油箱体积般为泵流量的35倍，很不经济。近几年出现了几种强制式气泡去除器，比传统去除效果有明显提高，但仍不能令人满意，因此，深入研究气泡析出和去除机理，研制种更好的气泡去掉装置将为消除气泡对液压系统危害做出贡献。

 

4工程机械液压技术展望液压驱动技术在工程机械中的地位仍相当稳固。！液压传动所具有的其它传动形式无与伦比的高的功率密度和便于实现直线运动是液压传动在工程机械中得以广泛应用的主要原因。

 

据资料介绍，液压执行元件的功率重量比比电磁执行元件要高出个数量级；液压马达开环速度刚度约为电动机的5倍；般工程机械工作压力均可达到32，而电机定子和转子材料磁饱和产生的面承载能力仅为l6MPa；此外由于工程机械工作装置等都是多缸来驱动的，目前还没有什么可能用滚珠丝杆之类的电动执行元件完全取代它们2由于工程机械大都是野外施工机械，其作业环境十分恶劣，地面条件很差，且经常转移作业场地，因此，工程机械在施工现场般没有现成的动力电源。即便有，大功率电传动装置所需采用的高压电系统也存在着诸多不安全因素。此外，也并非所有工程机械都能接受用内燃机驱动发电机组动力传递形式给机器带来宏大的尺寸和机重问。据统计，由发动机液压泵控制操纵装置和液压马达组成的传动系，其中液压元件的附加重量仅为发动机发电机控制与操纵装置和电机组成的传动系中电气元件附加重量的2，30.3与机械传动相比，液压传动更容易实现其运动参数流量和动力参数压力的控制。4电驱动装置的制动能力现在仍无法与液压传动相比拟，特别是在低转速范围内，后者可在车辆静止时仍有制动能力。5工程机械大部分工作装置和驱动轮额定转较低几十至几百转分。液压传动中，用低速大扭矩马达可直接实现驱动。且尺寸紧凑噪声低附加损失小而电传动只有高速电机加减速器种实现方式。

 

电子技术计算机技术与液压技术的结合。高性能高可靠性的液压机械传动辅以微电子计算机进行控制，可大大提高工程机械的行驶性作业性安全性和舒适性，这也是当前和未来工程机械的发展趋势。1由于近2，年电子技术的迅猛发展，电子器件可靠性大幅度提高，集成度加大。现在可以将电子器件及线路内置封密于液压元件中，即将电子驱动线路和信号处理储存等都直接安装在液压件的壳体内。它不仅可以提高液压件的可靠性，减小配管，减小压力损，提高效率，而且还可节省安装空间，便于维修。因此未来的工程机械液压元件将是抗污染能力强工作稳定能耗小，可直接与计算机接口的数字型机电液体化产品。2由于内置式电子线路的发展，对工程机械这类型电液系统，可实行分布或分布阶控制。中央工控机起中央调度分配优化管理监控故障诊断等作用。可靠的，杀喑炭刂破髦苯涌刂聘髯酉低郴蚋饕，压件，各子系统或液压件能根据自身特殊要求完成采集处理储存某种信息的功能。形成高度机电液体化智能型大型复杂控制系统。它不但可节约能源，提高工程机械的作业效率和作业精度，充分有效地利用发动机的输出功能，防止液压系统过载，而且还提高机械的可靠性和安全性。3通过电子和液压的优化配合和分工，越来越多的变量控制弱电功能将转由电子技术来实现，液压器件日趋成为个专用以完成能量转化的功率传输强电功能元件。

 

自由活塞内燃液压泵与液压变压器的开发与利用。1自由活塞内燃液压栗是根据往复内燃机与柱塞或液压泵工作原理上的某种相似，而研制开发的种可直接利用燃料混合气爆发能量的驱动装置即将往液压泵的柱塞直接与自由活塞式内燃机的活塞相联。近年来。荷兰1阳站8公司制成了几台试验样机，并装在叉车上进行了应用研究，芬兰了3，4工业大学也对自由活塞原动机的优化方案进行了探讨。研究成果证明，它在增加动力传动装置的功率密度，提高能量转换效率和降低制造成本等方面的潜力，但亦存在着明显的困难。2液压变压器是为使众多不具备双向无级变量的液压马达和往复运动的液压缸也能在次调节系统的定压网络中运行而设计的种用于匹配用户对压力和流量不同需求的装置，近年来，荷兰lmnaS8公司发明了种新型液压变压器，它可满足输入输出压力流量乘积相等的要求即机上，用以向驱动行走装置的低速定量马达以及液压转向系统和门架系统供油。液压变压器的研究工作还仅处于起步阶段。

 

纯水液压系统的发展与应用。近数十年，随着石油价格的不断上涨，人们对环境保护的重视，以纯水为介质的液压系统越来越引起工程机械液压系统生产厂家的重视。

 

纯水介质具有价格低廉约为液压油的。

 

泄漏不污染环境。阻燃性好，压缩系数小等优点，但亦存在着粘度低易泄漏，易气蚀，工作温度范围窄350等缺点。目前纯水液压系统的泄漏问主要靠尽可能减小滑动面滑隙及改善密封来解决。加工很好的泵容积效率可达96.。润滑问主要靠选用合适的材料。目前种较新种重要途径。如美国食品及药物检验局批准可用无毒的丙醇作为抗水剂；腐蚀气蚀问主要采用含合适的材料如高硬度的陶瓷等。从国际发展情况看，近数十年，纯水传动有了很大发展。已制成了系列液压元件，可以预，纯水液压系统将会大规模地应用在工程机械上。

 

工程机械液压系统基础元件功能模块化组合化和集成化将进步提高，螺纹式的插装阀和具有多种功能的组合阀将越来越多地被应用。