液压技术发展趋势课件.ppt

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1、东北大学 液压与气动技术研究所,液压技术发展趋势,高压化轻量化模块化、集成化液压新介质液压比例伺服化液压新材料、新工艺节能化数字化,1 高压化,液压技术发展趋势,高压化,高压化的意义液压系统在相同的功率的情况下，提高工作压力可以降低流量，使泵的排量较小，液压管路管径变小，减小零件的体积，从而达到轻量化、节省材料和空间的目的。采用高压可以有效提高功率密度和降低成本。系统高压化在飞机设计上的意义重大，飞机系统高压化明显减轻飞机的质量。,高压化,表1 是以21MPa 作为基准压力，提高系统工作压力之后，液压系统重量体积的变化情况。,高压化,例如：美国海军在F - 14 战斗机上进行了压力分别20.7

2、MPa 和55.2MPa 两种飞机液压系统的对比研究, 结果表明: 相对于压力为20.7MPa 的飞机液压系统来说, 压力55.2MPa 的飞机液压系统的质量可减轻30% , 体积可缩小40%。 同时,也进一步证实将F - 15 、KC - 10 飞机液压系统压力从20.7MPa 提高到55.2MPa , 系统的质量至少减轻25%30%。,高压化,高压化应用领域 （1）飞机液压系统将朝着质量轻、体积小、高压化、大功率、变压力、多余度等方向发展。 自从飞机液压系统出现20.7MPa 、27.6MPa压力之后, 世界上飞机液压系统最高压力已保持了40 余年没有改变, 图1所示是世界各国主要机型液压

3、系统的工作压力。但是世界各国特别是美国近20年来的大量研究表明: 减轻飞机液压系统质量和缩小其体积的最有力的途径是提高飞机液压系统的工作压力。,高压化,高压化,（2）液压挖掘机 现有的液压挖掘机基本上都是开回路的，平均使用压力在2835MPa之间。这是因为日本的液压挖掘机可作多种用途，作业人员往往更重视挖掘机的操作性能。认为高压化会引起操作性能的恶化，因此使用压力一直停顿在目前的水平上。但是，今后如能与载荷传感器或电子控制器等相融合，那即使压力升高，也不会降低操作性能，也就是说液压挖掘机的油压可达到3542MPa级水平。,高压化,（3）小型挖掘机 小型挖掘机采用柱塞泵是最近几年的事，其使用压力

4、现已达到21一25MPa水平。这是因为很多小型挖掘机的齿轮泵被换成了柱塞泵，橡胶管和液压缸等外部设备的使用压力水平也随之提高了。另外还出现了采用载荷传感器的小型挖掘机，和中型挖掘机一样，它们的使用压力还会逐步提高。虽目前尚不能肯定地说，但估计达到2835MPa的压力水平已为期不远了。.,高压化,（4）压力机 言及压力机，仅讨论一般压力级水平就显得毫无意义了。压力机种类千差万别，使用压力也大不一样。其中使用压力较高的是，锻压机械和板金加工机械。锻压机械主要使用变量泵，板金加工机主要使用定量泵，目前的使用压力水平为3238MPa。最近，由于出现了锻压机，对高压化的要求渐增。此时如使用高可靠性的部件

5、，其最高使用压力可达42MPa。以大型压力机为中心，估计今后的压力级水平大致在4oMPa左右。,2 轻量化,液压技术发展趋势,螺纹插装阀（1）达到零泄漏，改变液压易环境污染降低效率的弊端。（2）集成体积最小，符合工程机械车辆液压装置的要求。（3）成本降低，批量大，具有与其他阀种的竞争优势。,轻量化的体现,铝合金液压阀块铝合金阀块重量轻，是钢的1/3重；加工方便，易切削；不生锈，防腐性好。常用于插装阀,像液压锁,平衡阀, 马达控制阀等。,轻量化的体现,3 模块化、集成化,高度的组合化，集成化和模块化 液压系统由管式配置经板式配置，箱式配置，集成块式配置发展到叠加式配置，插装式配置，使连接的通道越

6、来越短。,阀台模块,蓄能器组,液压技术发展的特,液压泵站,18,轧机配管的模块化设计,侧面模块 1,侧面模块 2,侧面模块 4,侧面模块 3,介质模块,连接模块 2,油库顶板,出现了一些组合集成件，如液压泵和压力阀的集成设计、液压阀与液压缸的集成设计等,系统的一体化设计实例（集成型液压缸）,电液集成化的应用（电液集成元件）电液管电液转换元件液管液压放大元件,4 液压新介质,液压技术发展趋势,现代液压技术是在古老的水压传动技术的基础上发展和完善起来的，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术在l7世纪末及随后的100多年里，液压传动的介质一直是水。l9世纪后半叶, 出

7、现了以纯水为介质的液压机械和元件，主要用于船舶锚机和起重机上。但是，由于纯水存在黏度低、润滑性能差和易造成元件腐蚀、其密封问题一直未能很好解决等缺点，以及电气传动技术的发展和竞争，曾一度导致液压技术停滞不前。,液压介质的新发展,一、液压介质发展概况,在20世纪初期，随着石油工业的兴起和耐油合成橡胶的出现，促进了液压传动技术由初始的纯水液压传动进人占本世纪大部分时间的现有油压传动，矿物型液压油也以良好的综合理化性能取代了水而成为最主要的工作介质，液压元件和系统的性能也因此得以大大提高，从而极大地推动了液压传动技术的进步。第二次世界大战期间，尤其20世纪607O年代，液压技术得到了快速发展并日臻完

8、善，并进入到稳定成熟的发展时期。 目前，液压传动技术的工作介质在环保节能方面有两个发展方向，一是发展全新的以水为工作介质的水液压系统，二是发展生物可降解的环保液压油。,液压介质发展概况,水液压系统的发展,水压传动技术与油压传动技术的发展历程比较,水液压技术其实是在第一次工业革命中兴起的古老技术，是液压传动技术的初始阶段，随着世界各国对节能环保的呼声越来越高，许多科学又把目光投向了水这一环保工作介质。,二、水液压系统的发展,水液压系统的发展,纯水液压传动是以纯水(不含任何添加剂的天然水，包括海水和淡水)作为传动介质。纯水的分类，见下表。,水液压系统的发展,(1)纯水价格低廉，且不用运输 存储，取

9、材方便，资源丰富(2)无环境污染，环保性好(3)水的阻燃性和安全性高(4)纯水压缩系数小(5)系统效率高(6)系统结构简单(7)温升小,水压技术的优势与劣势,(1)元件及系统成本高(2)润滑性差(3)易产生气蚀(4)纯水压缩系数小(5)运行温度范围小(6)易腐蚀(7)元件性能差,水液压系统的发展,水压传动技术的应用,目前，应用水基液的水压传动技术已经是一门比较成熟的技术，广泛应用于采矿、冶金等业。应用纯水的液压传动技术也已经取得了重大进展，美国、英国、日本、芬兰、丹麦和德国等国家一直投入巨大的人力、物力和财力进行研究和开发，我国的不少高校也已经开展了这项技术的研究工作。世界上已经有几家液压公司

10、专门制造用于纯水的液压元件和系统。,水压传动技术的应用,纯水液压技术的应用比重及趋势,环保型液压油的发展,从节能和环保方面考虑，除了采用水作为工作介质以外，具有现实意义的是发展生物可降解环保型液压油。 目前市场上出售的液压油液有86%左右是石油型液压油，10%左右是难燃型液压油，只有4%左右是环保型液压油。可见，目前环保型液压油的应用率非常低。但是随着石油资源的逐渐枯竭，以及人类环保意识的逐渐增强，环保型液压油液必然会得到越来越广泛的应用。 自1975年德国推出生物可降解二冲程舷外机油以来，欧洲各国、美国及日本等国对环保型润滑油及液压油的研究和应用极为重视。近年来我国也开展了环保型润滑油及液压

11、油的研究及生产。,三、环保型液压油的发展,环保型液压油的发展,生物可降解环保型液压油是指既能满足液压系统的要求，其耗损产物又对环境不造成危害的液压油。润滑油的可生物降解特性是其特性中最主要的指标。可生物降解性指物质被活性有机体通过生物作用分解为简单化合物如CO2和H2O的能力。,环保型液压油的概念,环保型液压油的概念,环保型液压油的发展,液压油液主要由基础油和添加剂组成，基础油的含量通常占液压油液的80%以上，因此，它对液压油的性能，例如生物降解性、挥发性、对添加剂的溶解性以及与其他液体的互溶性等起着决定性作用。此外液压油液的基础油还是决定液压油的氧化稳定性、低温固化性、水解稳定性等性质的重要

12、因素。液压油液通常在基础油内添加抗磨剂、防腐剂、抗氧化剂、防锈剂、抗泡剂等添加剂，以提高液压油液的性能。,环保型液压油的组成,环保型液压油的组成,环保型液压油的发展,目前，按基础油的种类不同，环保型液压油液主要可分为聚乙二醇、植物油、合成酯及碳氢化合物等。国际标准IS0 6743 - 4-1999(我国标准GB/T 7631. 2-2003)中对环保型液压油液的分类见下表。,环保型液压油的种类,环保型液压油的种类,环保型液压油的发展,环保型液压油的种类,两种不同基础油的性能比较,环保型液压油的发展,环保型液压油存在的问题,(1)低温问题 许多植物油在低温下胶凝或固化，这对液压系统提出了严峻挑战

13、。(2)压力额定值 有些高性能的生物可降解液压油具有极好的承载能力和耐磨性能，在- 17.882时，其耐磨性比传统的液压油要好。目前，生物可降解液压油的工作压力一般不超过34.5 MPa，例如当压力超过34.5 MPa这一值时，使用菜籽油的液压泵磨损极为严重，较大的承载工况可把甘油三酸酯分解为酸，从而破坏泵内的有色金属。 (3)寿命 若暴露在光照下，生物可降解液压油会变黑，因为油中的光敏类脂类和脂肪材质会由于吸收紫外线而改变颜色。,环保型液压油存在的问题,5 液压比例伺服化,液压技术发展趋势,电液比例技术,电液比例技术兴起的原因： 液压传动和控制技术发展过程中，相继出现了电液伺服和电液比例两大

14、重要技术。电液伺服控制首先用于航空和一些重要设备的自动控制，但由于电液伺服控制元件价格昂贵，对油质要求严格，控制损失也大，因而难以更广泛的工业应用所接受。而传统的液压开关控制又不能满足一般工业的高质量控制要求，这种情况下介于两者之间的电业比例控制技术发展起来了，它的出现使很大一部分普通液压控制改成了电液比例控制。,目前，电液比例控制技术大量应用于工业控制领域，其较强的抗油污能力和低廉的价格，具有很强的市场竞争力。对各种电液控制阀的性能比较见表,液压比例化数控机床是我国机械工业发展的关键产品。在机床液压系统中采用先进的比例控制技术代替普通液压系统可使普通机床向数控机床的方向迈进提供有力的条件,船

15、舶控制工程实验室在某型号收放式减摇鳍的随动系统中用电液比例阀取代传统的电液伺服阀,设计了减摇鳍电液比例控制系统，下图为之前的伺服控制和改进后的比例控制,电液比例技术,电液比例技术的应用：1在冶金行业中的应用冶金机械正在向大型化、连续化、高速化和自动化的方向发展。在电解极板加工机组中运用电液比例技术后，其传动的可靠性、控制精度、稳定性和生产效率都大幅提高，降低了生产成本；而运用电液比例控制系统设计的冶金冷却回路,提高了系统元件的使用寿命，便于快速故障诊断和响应。2在工程机械中的应用利用电液比例阀代替布置在工程机械操控室的多路阀，提高了主机总体设计的柔性，改善了操作特性。在汽车起重机中的起升机构、

16、伸缩机构和防止二次起升下滑机构的控制系统中，都运用了电液比例换向阀，保证了起重机作业的可靠性。3在矿山机械中的应用在带式输送机的自动张紧装置中，布置电液比例方向阀来控制张紧油缸的动作，或用比例溢流阀控制液压马达的输出扭矩来实现张紧力的适时控制。,电液比例技术的发展趋势,电液比例技术的发展趋势(1) 提高控制性能, 适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能, 使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀, 其主要零件与标准阀通用。(2) 比例技术与二通和三通插装技术相结合, 形成了比例插装技术, 特点是结构简单, 性能可靠, 流动阻力小, 通油能力大, 易于集成; 此外出现比例容

17、积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。(3) 由于传感器和电子器件的小型化, 出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件, 极大地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。其主要表现有:高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制。,电液伺服系统的应用,电液伺服系统的应用,船舶与海洋作业系统船舶的舵机是保持或者改变船舶航向，保证安全运行的重要设备。由于电液伺服系统在结构性能上的优势，在船舶上普遍采用。图为舵机的结构形式，分别为双缸往复式转舵机构、回转式转舵机构。,土木工程研究领域土木工程领域大量使用电液伺服系统。由于实验对象规模越来越大、要求的准确性越来越高，对电液伺服系统的

18、要求也越来越高。如美国和日本联合研制的E-Defence系统，是电液伺服系统和基于电液伺服系统集成设计的典范。,摇摆环境模拟系统,如图是模拟飞行器空间对接模拟系统，该系统为我国天宫一号和神州八号飞船的空间对接的成功起到了非常关键的作用，在实验条件下准确地模拟了“空间一吻”。该系统的最大运动范围达3 m，频率达12 Hz，位置精度达0.5 mm，重复精度达0.1mm，最低稳定速度达0.01mm。无论哪一项均为世界水平。,对于路上特种车辆来说，往往需要三姿态角的运动模拟，此系统采用了三个固定长度的二力杆支承运动运动平台，具有如下特点：（1）通过结构设计，将三个支杆的空间交点与负载的质心重合，可实现

19、负载绕质心的转动为无耦合运动（2） 支杆在零位完全平衡负载的重力，减小了电液伺服系统的负载，具有良好的节能效果。（3） 系统缺点是模拟的角运动幅度有限，只能达到15度。,6 液压新材料、新工艺,液压技术发展趋势,液压密封技术,一、密封材料 二、密封结构,液压密封技术,一、密封材料 硅橡胶：耐热、耐寒性好，压缩永久变形小，但 机械强度低，只适用于静密封。 聚四氟乙烯：机械强度较高，耐高压、耐磨性好，自润滑性好。 聚氨酯：具有非常好的机械特性，压缩变形小，拉伸强度高，剪切强度、抗挤压强度以及耐磨性都非常高。 新型聚醚聚氨酯：超低的摩擦系数、抗老化性、耐候性与耐水解性能、抗挤出性能与耐压性能。 新型

20、工程陶瓷材料：耐高温、耐磨损、耐腐蚀等的特性来制作密封件，则能够更好地发挥密封件的作用，提高液压系统的性能。,液压密封技术,液压油缸活塞与活塞杆的密封垫片,陶瓷材料制作的密封件或垫片主要应用在液压或水压泵和阀等元件的轴密封处尤其是输送高温介质的流体系统的轴密封处。,液压密封技术,二、密封结构（1）新型油封 （2）EVD智能密封 （3）SETCO AirShieldTM 密封 （4）新型无焊接管路密封技术,新型无焊接管路密封技术,（1）Walform挤压式管路连接 Walform管路连接接头结，主要由24锥面接头体、压紧螺母及“O”型密封圈等三个零件组成。管子与管接头的连接是依靠管端的冷变形实现

21、的。适合于船舶和钢厂等液压系统。,新型无焊接管路密封技术,Walform挤压式管路连接,新型无焊接管路密封技术,（2）止推环法兰管路连接 止推环法兰管路连接技术由一对法兰 (SAE法兰或ISO法兰 )、一对保持环、车槽管路、连接螺钉、螺母及密封垫等组成。 主要用于液压系统的中、高压管路中 ，允许通过的流量大。,新型无焊接管路密封技术,止推环法兰管路连接,液压技术中的新材料、新工艺,新材料、新工艺在液压元件及系统中的应用也是推动液压技术发展的一个重要因素。近年来，随着微纳米技术、材料加工以及材料合成等技术和工艺的不断进步，某些合成材料以及功能材料的性能得到了很大的提高，在液压技术中的应用也得到了

22、不断推广，从而促进了液压技术的发展和进步。,液压技术中的新材料、新工艺,目前在液压领域有着广阔应用前景的合成材料以及功能材料主要有： 工程陶瓷材料； 压电材料； 记忆合金。,工程陶瓷材料特性,（1）陶瓷材料密度小，约为钢密度的一半，质量轻；（2）耐磨性好，常温下，陶瓷的硬度和弹性均远高于金属，因此陶瓷元件磨损少，寿命长，工作性能也易于提高；（3）化学性能稳定，不易被氧化，同时具有耐酸碱盐和抗腐蚀等特性；（4）抗气蚀性好，能够抵御水压元件中严重的气蚀破坏和高速液流的冲蚀磨损；适宜于水压元件中使用；（5）对环境无污染；（6）陶瓷元素主要为：氧、氦硅、碳等，易获得，便于材料的加工与合成。,工程陶瓷材

23、料在液压中的应用,1）液压缸活塞杆： Rexroth公司为水利机械和海上液压设备生产了陶瓷镀层液压缸，在液压缸活塞杆上采用了等离子喷涂和HVOF超音速火焰喷涂等热喷涂方法，使液压缸活塞杆具有很强的抗污染和抗磨损的能力。,工程陶瓷材料在液压中的应用,行程控制陶瓷涂层活塞杆液压缸,工程陶瓷材料在液压中的应用,陶瓷活塞杆（双出杆）液压缸,工程陶瓷材料在液压中的应用,2）水压柱塞泵陶瓷柱塞： 陶瓷材料由于具有抗磨、自润滑、防锈等特点，因此可在水压柱塞泵、水压控制元件应用。华中科技大学研制的陶瓷材料水压柱塞泵，柱塞和缸筒内壁表面采用了陶瓷镀层，增加了柱塞和缸筒内壁的抗磨、防锈能力，提高了柱塞泵柱塞摩擦副

24、的可靠性。,工程陶瓷材料在液压中的应用,陶瓷柱塞,工程陶瓷材料在液压中的应用,高性能陶瓷柱塞泵,压电材料分类,压电材料可分为三大类：（1）压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电单晶； （2）压电陶瓷（多晶半导瓷）； （3）新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料。,压电材料特性,压电材料是一种具有压电效应、能够将机械能和电能互相转化的功能材料。 压电效应有正压电效应和逆压电效应两种。 某些介质在受到机械压力（即使像声波震动那样小的机械压力）时，会产生压缩或伸长等形状变化，并引起介质表面带电，这种现象称为正压电效应。 反之，施加激励电场后，介质会产生机械变形，这种现象称为逆压电

25、效应。,压电材料在液压中的应用,1）压电微泵： 微泵作为微流控制系统的主要部件，由于能实现流量的精确输送和控制，因此在药物微量运输、燃料微量喷射、化学分析与检测、集成电路芯片的散热与冷却、生物芯片等方面有着重要应用前景。其中采用压电陶瓷驱动方式的微泵称为压电微泵。,压电材料在液压中的应用,上图为往复式止回阀压电微泵。当给压电陶瓷片施加不同频率的周期性电压信号时，由于压电效应，压电片将会产生周期变化的变形。泵膜在压电陶瓷片的带动下开始震动，泵腔体积周期性增大或减小。泵腔体积增大时，给入口阀片通电，出口阀片断电，入口打开。出口关闭，流体被吸入泵腔；加载反向电压时，泵腔体积将减小，此时入口阀片断电，

26、出口阀片通电，入口关闭，出口打开，流体被输出。,有阀压电微泵,压电材料在液压中的应用,压电微泵,形状记忆合金在液压中的应用,在液压传动应用领域，利用形状记忆合金的形状记忆效应，可以制作各种管接头及控制元件，以提高液压传动系统的工作性能。例如制作管接头，密封和动作部件等。,形状记忆合金在液压中的应用,形状记忆合金液压系统管接头,将记忆合金做成内径比被连接管子外径小的管接头，把经过形状记忆处理后的管接头置于低温环境下，然后把锥形柱塞打入管接头内，使管接头内径扩张，再把管接头存放在液氮里。在低温状态时，去除锥形管，将被连接管子从两端插入管接头，然后使管接头逐渐升温到室温，管接头恢复扩孔前的尺寸，使被

27、连接管子被紧紧卡住。 美国F14战斗机的液压系统上就使用了几十万个这样的管接头，使用结果表明，该管接头连接无泄漏、无损坏，工作可靠。,7 节能化,液压技术发展趋势,73,定量泵系统的能量平衡,1 液压传动系统产生能量损失的失主要方面,机械摩擦和泄漏（内泄漏和外泄漏）的能量损失传输管路的能量损失（沿程损失和局部损失）控制阀的能量损失液体介质压缩能量损失压力冲击（管道扩张）振动的能量损失电气控制器的能量损失系统输入和输出功率不匹配的能量损失,2.1采用集成化回路和铸造流道 采用集成化回路和铸造流道,可减少元件和系统的内部压力损失，减少管道 损失,同时还可减少漏油损失。,2 液压系统主要节能技术,容

28、积调速,2.3采用容积调速技术 容积调速原理是通过改变液压泵（马达）的流量 （排量）调节执行元件运动速度或转速。节流调速回路由于存在着节流损失和溢流损失，回路效率低，发热量大，因此，只用于小功率调速系统。在大功率调速系统中，多采用回路效率高的容积式调速回路。容积调速回路有变量泵和定量执行元件、定量泵和变量液压马达以及变量泵和变量液压马达三种可能的组合。,变量泵-定量马达,定量泵-变量马达,变量泵-变量马达,液压容积调速特点是: 可无级调速, 调速范围大、效率高, 静态特性好, 回路的刚度较高、动态特性稳定。此外, 回路的适应性强, 不受控制工作点改变的影响。,容积调速,图示为一变量泵控马达闭式

29、液压系统原理图。变量泵3的排量可调，实现流量调节。补油泵1补偿系统运行过程中的泄漏。安全阀4防止压力过高造成事故。溢流阀6调定补油压力。由于系统中没有方向阀和节流阀，液压泵输出的压力油全部送往液压马达(或液压缸)，这不仅简化了液压系统的结构，而且大大减少了阀口节流和管路沿程损失。,1、补油泵 2、单向阀 3、变量泵 4、安全阀 5、马达 6、溢流阀,容积调速,2.2采用变频调速 在液压系统中采用变频调速，可避免采用节流系统来调节流量和压力，减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量。,变频调速液压控制系统由变频器，异步电动机M及定量泵组成；系统输入异步电动机频率指令f由控制器提供，输

30、出为定量泵流量Q,变频调速,变频调速,变频调速液压电梯原理图如下。和传统阀控液压调速相比，电梯能耗温升大大减少，电梯运行的舒适性和运行精度得到了提高,传统阀控液压电梯能耗与变频调速液压电梯的能耗比较(a) 阀控液压电梯能耗示意图(b) 变频调速液压电梯能耗示意图,2.4采用负荷传感系统负荷传感系统是一个具有压差反馈，在流量指令条件下实现泵对负荷压力随动控制的闭环系统，其中压力补偿控制是实现各动作流量分配和准确控制的保证负荷感应是接收或感应负荷压力的一种方法，它将负荷反馈到控制系统，以控制负荷回路的流量不会因负荷的变化而受影响。没有负荷感应，流量就会随负荷而变化负荷传感系统中液压泵只需提供与执行

31、元件负荷相匹配的压力、流量或功率，液压系统中不产生过剩压力和过剩流量，或者相对于系统压力和流量来说很小，因而系统具有显著的节能效果,负荷传感,1、主泵 2、变量活塞 3、4、控制阀； 5、6、压力补偿阀；7、梭阀 负荷传感控制原理图,左图为由变量活塞、控制阀与压力补偿阀、梭阀组合在一起的负荷感应控制系统，该装置使液压泵的压力、流量与负载压力、流量相适应，系统不会产生过剩压力和过剩流量，节能效果可达30一40。日本小松、日立、川崎、德国Rexroth，Linde，美国Eiton-Vickers，Parker都采用负荷传感系统，可很大程度上节省功率。,负荷传感,2.5采用二次调节系统,二次调节：是

32、对液压能与机械能互相转换的液压元件所进行的调节，通常以压力耦联系统为基础，一次元件(泵)及二次元件(马达)间采用定压力耦合方式，依靠实时调节马达排量来平衡负荷扭矩,二次调节,二次调节静液传动的工作原理,与传统的液压控制系统不同，它是一种压力耦合系统，对二次元件进行调节。其基本原理如图所示，通过调节可逆式轴向柱塞元件(二次元件)的斜盘倾角来适应外负载的变化，类似于电力传动系统在恒压网络中传递能量。,1. 恒压变量泵；2. 蓄能器；3. 二次元件；4. 控制油缸；5. 电液比例(伺服)阀,二次调节系统原理图,二次调节,二次调节,二次调节系统的应用 主要体现在以下几个方面： 回收液压驱动卷扬机械的势

33、能：回收液压驱动摆动机械的惯性能；群控作业机械和试验装置的综合节能,二次调节回路应用举例1）液压混合动力车 混合动力技术是指在同一车辆中以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，通过整车控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的一种新型技术,二次调节,液压混合动力最初应用对象主要是城市公交车，近几年，随着节能环保的日益迫切，液压混合动力的应用范围在不断扩大。近10年间，美国环保署（EPA）联合福特公司、Eaton公司、Parker-Hannifin公司、FEV、Michigan大学、Ricardo公司及Wisconsin大学等单位开发液压

34、混合动力技术研究。,二次调节,左图为2004年美国环保署（EPA）推出的全球第一辆液压混合动力技术的运动型多用途车（SUV）。这种SUV在城市及高速公路混合工况下燃油经济性可以提高30%40%,右图为2006年UPS公司研发了基于二次调节静液传动技术的包裹运送车在密歇根州试的运行数据表明，该车节油率达到45%50%，可使CO2的排放降低30%。,二次调节,目前，对液压混合动力技术的研究最具代表性的是德国的力士乐公司和美国的伊顿公司,右图所示为2009年力士乐公司推出了采用HRB系统的液压混合动力垃圾车。试验结果表明，HRB系统节能效果高达25%,左图为2010年力士乐公司又推出采用HFW系统的

35、液压混合动力挖掘机，力士乐已将液压混合动力系统成功地应用于垃圾处理车、叉车、和挖掘机等车辆上，并将其产业化,伊顿液压混合动力垃圾车,Parker液电混合动力系统,二次调节,2）二次调节液压抽油机,抽油机是有杆抽油系统中最主要的举升设备，主要构成包括底座、支架、驴头、游梁、曲柄装置、减速器、电动机和配电箱等，其中曲柄装置的传递结构直接影响整机的运动性能。传统采油设备机械结构复杂、体积大、传动环节多、能量损失大、效率较低及制造成本大。而采用全液压系统代替减速机构，引入二次调节，采用蓄能器对系统势能进行回 收，可实现节约能源的目的,二次调节,常规常规游梁式抽油机结构示意图1底座 2变速箱 3电机 4

36、刹车 5皮带轮 6曲柄7平衡块 8连杆 9游梁 10驴头 11悬绳器 12支架,新型采油结构示意图,1井口；2抽油杆；3钢丝绳；4动滑轮；5导向车；6活塞杆7-液压缸,二次调节,新型采油系统液压原理图,1主油泵；2顺序控制阀；3蓄能器；4液压缸；5电磁换向阀；6液压马达；7辅助油泵；,传统抽油机与同样工况下的新型抽油机参数对比,二次调节,3）东北大学二次调节实验台,二次调节,采用小型伺服阀控制变量液压泵的变量机构，实现动力元件与执行元件的功率匹配,伺服泵,2.6伺服液压泵（无阀化）,伺服液压泵,伺服泵的液压控制原理图,伺服液压泵,变量泵的结构分解图,伺服液压泵,8 数字化,液压技术发展趋势,液

37、压数字化的发展,1、液压数字化的发展液压技术从上世纪70年代中期起就开始和微电子工业接触，并相互结合。在迄今40多年时间内，结合层次不断提高，由简单拼装，分散混合到总体组合，出现了多种形式的独立产品如数字液压泵，数字阀，数字液压缸等，其中的高级形式已发展到把编好程序的芯片和液压控制元件，液压执行元件或能源装置，检测反馈装置，数模转换装置，集成电路等汇成一体，这种汇集在一起的联结体只要接收到微处理机或微型计算机送来的信息，就能实现预先规定的任务。,液压数字控制系统,2、液压数字控制系统数字式控制是指控制信号的主要部分是以数字量的形式来进行的控制形式。随着微型计算机的价格不断下降，尤其是单片机、单

38、板机的价格低廉，为液压系统的数字控制提供了必要的条件。数字式控制系统按信号的处理方式来分，可分为数模混合式数字控制和脉冲调制式控制，脉冲调制式又可分为脉宽调制(PMW)、脉幅调制(PAM)、脉频调制(PFM)、脉码调制(PCM)和脉数调制(PNM)等。按控制方式又可分为间接式数字控制和直接式数字控制。,液压数字控制系统,间接式数字控制需使用D/A和A/D转换器，一般采用闭环控制方式，将液压执行机构的位移、速度等信号反馈给计算机系统，计算机通过比较运算，把校正后的值输出给系统，从而可以对执行机构达到很精确的控制。系统框图如图1所示，其中伺服阀、比例阀是模拟量控制，所以由计算机发出的数字信号需要经

39、过D/A转换，然后经过伺服放大器来控制伺服阀或比例阀，进而驱动液压执行机构动作，带动负载工作。该系统控制精度高、频率响应快，但成本高，因为伺服阀、A/D或D/A转换器往往比较昂贵。,图1 间接式数字系统框图,液压数字控制系统,液压数字控制系统,直接式数字控制直接式数字控制无需使用D/A和A/D转换器，一般采用开环控制，也可采用数字式传感器构成反馈回路，从而达到更高的控制精度。直接式数字控制具体又可分为两种类型：一是微机脉宽调制，如图2(a)所示，用计算机来控制脉宽调制器，二是由步进电机直接驱动液压元件，系统框图如图2(b)所示。,102,103,图2 直接式数字系统框图,数字液压元件,2、数字

40、液压元件数字液压泵数字泵通常由变量泵和微机控制器两部分组成，因泵的变量机构由微机发送的数字信号控制而得名。具有抗介质污染强、滞环误差小、重复精度高、调节灵活、节能、便于与液压设备主机组成机电液一体化系统的特点。根据变量机构执行元件的不同，可分为4种：基于组合缸控制的数字泵，基于高速开关阀控制的数字泵，基于步进电机控制的数字泵和基于变频器控制的数字泵。,104,数字液压元件,基于组合缸控制的数字泵这是一种以组合式数字缸作为变量驱动机构的变量泵。图3是利用这种泵构成的容积式调速系统。,图3基于组合缸控制的数字泵容积调速系统,数字液压元件,b. 基于高速开关阀控制的数字泵这是一种基于高速开关阀控制的

41、恒压变量泵系统，如图4所示是恒压变量泵的电液控制系统原理图。,图4 恒压变量泵控制系统原理图,数字液压元件,c. 基于步进电机控制的数字泵下图是A7V78NC型斜轴式数字泵工作原理框图。,图5 斜轴式数字泵工作原理框图,数字液压元件,d. 基于变频器控制的数字泵在不改变传统调速回路中液压元件和液压系统的结构的情况下，靠改变液压泵的转速来调节液压泵输出流量以满足执行元件所需要的速度。当负载所需油量增大时，通过流量传感器的反馈、加法器的比较运算、计算机的分析处理，得出调节值，进入变频器，变频器输出频率改变，从而改变电机转速，叶片泵转速改变，达到输出油液量的改变的目的。变频器线性度比较好，经变频器调

42、节，液压油流量基本达到设定值。,数字液压元件,数字液压阀 液压系统中采用的数字控制阀可分为模拟式阀、组合式数字阀、步进式数字阀及高速开关阀等类型。,数字液压元件,数字液压缸数字液压缸是增量式数字控制电液伺服元件，即一种将控制步进电动机的电信号转换为机械位移的转换元件。数字液压缸结构紧凑、可靠性强、使用维护简单，调试方便。基本原理就是将油缸、数字阀、传感器设计成一个整体，全部封装在缸内，控制器则独立于缸体之外，具有智能型，操作简单易懂。下图是数字液压缸、智能控制器及东大自主研制的数字缸。,数字液压元件,图6 数字液压缸的控制原理图,数字液压元件,图7 东大液压所设计的数字缸结构原理图,数字液压元

43、件,数字液压元件,数字液压马达数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件，由步进电动机和液压扭矩放大器组成，其输出扭矩可达几十至上百Nm，是普通步进电动机的几百至一千倍。数字控制系统兼有电气系统对信号检测、处理快捷方便，计算机控制方式灵活，液压控制功率大、结构紧凑、响应快等多重优点。,数字液压元件,一种由步进电机控制的电液脉冲马达，又被称为步进液压马达或液压扭矩放大器，主要组成包括步进电机、液压马达、控制滑阀、螺杆螺母副和减速齿轮副，其中螺杆螺母副主要起位置反馈作用，使液压马达总能紧跟步进电机动作。其组成原理方框图见图8所示。,图8电液马达组成原理方框图,数字化在工业应用中的典型实例,1、汽车防抱死制动控制 在汽车防抱死制动装置（简称ABS）中，液压调节器主由1个二位三通高速开关电磁阀、液压泵、电机、单向阀和油箱组成，下图为实物模拟图和工作原理图。,图9 PWM控制防抱死制动装置模拟图和原理图,数字化在工业应用中的典型实例,2、汽车无级变速自动控制 汽车无级变速自动控制如下图所示。图10 汽车无级变速自动控制原理图,Thank You Very Much!,