吕秀龙
中铁三局运输工程分公司 山西晋中 030600
摘要：文章简要回顾了工程机械液压技术发展的几个时期，指出了阻碍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。
关键词：工程机械；液压技术；综述
1 引言
随着我国经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用。类似三峡工程那样的大型施工现场，如果没有工程机械的参与是很难完成的。
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[1]，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[2]。
2 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，以减轻司机的劳动强度，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他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。
2?1 初期发展时期
20世纪40~50年代是工程机械液压技术发展的初期阶段。在这一时期，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他方式比较难以实现的问题（如执行器的直线运动等）。这一时期，液压系统压力很低，一般在2 ~7 MPa。
2?2 高速发展时期
工程液压技术的应用在20世纪60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20 MPa）。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50年代的1/3 kW/kg提高到了2 kW/kg），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全液
压叉车等工程机械。液压技术趋于了成熟化[3]。
2?3 重视环境时期
由于泵的工作体积与吸、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，泵转速每增加一倍，其噪声约增加6 dB，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[3]。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[3][4]。
2?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，其液压与气动液压系统经常受到尘埃、振动、高低温、风雨雪等
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最大原因来自于液压油的污染（约占液压系统故障的70%~85%）。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一时期的主要研究课题。
2?5 电子、计算机技术与液压技术相结合时期
进入20世纪80年代，随着电子技术的迅猛发展，电子器件的可靠性大大提高，人们把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量控制（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。20世纪90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，促进液压技术迅速发展。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[5]。
3 液压技术在工程机械上的应用范围
3?1 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。即使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[6]。
3?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）采用了转向液压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?3 液压技术在工程机械行走系的应用
由于静液传动具有满载工况下起动平稳、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）。
3?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。
4 工程机械液压系统存在的主要问题
4?1 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%~7%[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布局）。长期以来，人们一直围绕提高液压元件效率（如泵，马达，液压缸等）、减小管路和液压元件的压力损失及控制阀的节流损失、优化系统设计和匹配进行了大量的研究，并利用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液传动系统，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，因而它是一种理想的节能系统，但仅限于执行器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；负载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，但仍不能令人满意，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][7][8][9]。
4?2 泄漏严重
液压系统泄漏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。据统计资料显示，在工程机械
所有故障中，漏油（仅限于外漏）故障约占20%~30%，其中液压缸漏油故障约占33%，配管占23%，液压装置占20%[10]。与国外工程机械相比，我国工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。我国从20世纪60年代就开始着手防漏治漏，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100%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[10][21]。由于今后工程机械还会向大型、高压化发展，因此防漏治漏仍是今后工程机械液压系统主要解决的问题。
4?3 噪声大
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，并成为阻碍工程机械液压系统功率密度进一步提高的主要因素。液压系统噪声分为流体噪声和机械噪声，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的。如液压泵的工作腔与吸压腔的转换等致使容腔内压力急剧变化引起的噪声；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的噪声；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[11]。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10 Hz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声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，使得液压系统的功率密度很难进一步提高[4]。
4?4 液压系统污染严重
据统计，液压机械故障的70%~80%是液压系统造成的，而液压系统的故障中有70%~85%是由于液压油不洁产生的[12]。因此自20世纪70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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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摩擦片磨损、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的损害是很严重的，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，它还会加剧液压缸等执行器密封件的磨损，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[13][14]。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，然而发展新型耐磨材料和密封件、优化液压系统、减少生成物和侵入污染物，仍有很多艰难的工作要做。
4?5 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，液压与气动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气泡温度急剧升高，引起油温升高、加速油液氧化（油温在60℃以上时，每升高10℃，其氧化速率成倍递增[15]）、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压力时，大量的微小细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，气泡溃灭，引起固体壁面剥蚀，导致气蚀，并产生振动和噪声。由于工程机械作业负载变化频繁、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。油液中的气体主要是通过油箱和泵的入口混入的，如当油箱油面太低、泵吸入管口半露于油面或插入很浅时，或泵出油管漏油、回油管口高于油箱油面时，都会吸入大量空气形成气泡危害液压系统。传统的方法是利用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、进油口尽量设置远些、体积大些等。但效果差，而且还使装置整体结构变大（使得油箱体积一般为泵1分钟输液量的3~5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，研制一种更好的气泡去除装置将为消除气泡对液压系统危害做出贡献[14][15]。
5 工程机械液压技术展望
5?1 液压驱动技术在工程机械中的地位仍是相当稳固的
①液压传动所具有的其他传动形式无法相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，液压执行器的功率重量比比电磁执行器要高出一个数量级；液压马达开环速度刚度约为电动机的5倍[16]；一般工程机械工作压力均在16 MPa以上，而电机定子和转子材料磁饱和产生的表面承载能力仅为1?6MPa[4]；此外由于工程机械工作装置等都是多缸来驱动的，目前还没有可能用滚珠丝杆之类的电动执行器完全取代它们；
②由于工程机械大都是野外施工机械，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一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。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20% ~30%[14][16]；
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速较低（几十至几百r/min）。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一种实现方式。
5?2 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20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、减少配管、减小压力损失、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、可直接与计算机连接的数字型机电液一体化产品[11][17]；
②由于内置式电子线路的发展，对工程机械这一类型电液系统，可实行分布或分布阶梯控制。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PLC可编程控制器直接控制各子系统或各液压件；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，形成高度机电液一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率、防止液压系统过载，而且还可提高机械的可靠性和安全性[18][5]；
③通过“电子”和“液压”两方面的优化配合和分工，越来越多的变量控制（“弱电”功能）将转由电子技术来实现，液压器件日趋成为一个专门用以完成能量转化的功率传输（“强电”功能）元件。
5?3 自由活塞内燃液压泵与液压变压器的开发与利用
①自由活塞内燃液压泵是根据往复内燃机与柱塞式液压泵工作原理上的某种相似，而研制开发的一种驱动装置（即将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Inmas BV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Tampere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很有潜力，但亦存在着明显的困难[16][19]；
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二次调节系统的定压网络中运行而设计的一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Inmas BV公司发明了一种新型液压变压器，它可满足输入输出压力流量乘积相等的要求（即Δp1?Q1=Δp2?Q2），并成功地应用到该公司研制的以自由活塞内燃液压泵为定压油源的叉车样机上，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。
5?4 纯水液压系统的发展与应用
随着石油价格的不断上涨及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1/5000）、泄漏不污染环境、阻燃性好、压缩系数小等优点，但亦存在着黏度低、易泄漏、易气蚀、工作温度范围窄（3℃~50℃）等缺点。目前纯水液压系统的泄漏问题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%）；润滑问题主要靠选用合适的材料，目前一种较新的材料是在高强度塑料母体中掺杂高耐磨性的纤维；研究无毒添加剂是扩大水的工作温度范围的一种重要途径（如美国食品和药物管理局批准可用无毒的丙二醇作为抗水剂）；腐蚀、气蚀问题主要采用合适的材料（如高硬度的陶瓷等）[20][21]。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，可以预见，纯水液压系统将会大规模地应用在工程机械上。另外，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一步提高，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。
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论文作者:吕秀龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/28
标签：液压论文; 工程机械论文; 液压系统论文; 噪声论文; 气泡论文; 液压泵论文; 污染物论文; 《基层建设》2016年2期论文;