液压产品的高效率化和节能环保有关问题的动向.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 9 ． 2 0 1 l 液压产品的高效率化和节能环保有关问题的动向 杨 尔庄 中国液压气动密封件工业协会 ， 北京 1 0 0 8 2 3 摘要 介绍 了国外液压泵和马达在高功率 密度 化 、 环保与节能和提 高元件可靠性方面等有关问题 的现状 。特别强调 了如材料和表面 处理 等， 希望业界在产品结构创新时给予重视 。 关键词 高功率输 出密度 ； 电液融合 系统 ； 耐烧伤性 ； 耐磨损性 ； 表面加工方法 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 9 0 0 0 1 0 4 Th e Tr e nd s o f I s s u e s o n Hi g h Effic i e n c En e r g y S a v i n g a n d En v i r o nme n t a l Pr o t e c t i o n o f Hyd r a u l i c Pr o d u c t s YANG Er - z hu a n g C h i n a H y d r a u l i c P n e u m a t i c s S e a l s A s s o c i a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 8 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e f o r e i g n h y d r a u l i c p u mp a n d mo t o r i n h i g h p o we r d e n s i t y c h a n g e ，e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n a n d e n e r g y s a v i n g a n d i mp r o v e c o mp o n e n t s r e l i a b i l i t y ， a n d o t h e r r e l a t e d i s s u e s o f t h e s t a t u s ． S p e c i a l e mp h a s i s w a s s u c h a s ma t e r i a l s a n d s u r f a c e t r e a t me n t ， i n t h e h o p e o f i n d u s t r y s t r u c t u r e i n n o v a t i o n i n p r o d u c t w h e n p a y mu c h a t t e n t i o n ． Ke y W o r d s h i g h p o we r o u t p u t d e n s i t y； e l e c t r o h y d r a u l i c i n t e g r a t i o n s y s t e m； b u r n i n g r e s i s t a n c e； w e a r r e s i s t a n c e ；s u r f a c e p r o c e s s i n g me t h o d U 日 IJ舌 地球环保和节能是影响人类可持续发展 的重要课 题 。对工业界而言 ， 要求发展适应环保和节能的产品 ， 对流体动力工业来说 ． 要求发展 高功率输 出密度 高压 化 、 大容量化 、 高速化 、 小型化 和节省能耗 的产 品。 1 高功率输出密度 高功率输出密度需要从以下几方面来实现①高 压化； ②大容量化； ③高速化； ④小型化 轻量化 。 近 2 O 年来 ， 以轴向柱塞泵和马达为例 ， 功率密度提高 了 3 ． 6 倍 以上 。 1 高压化 。 高压化可使液压系统实现小流量化 ， 减少液压管路 通过流量的压力损失 ， 使产品实现小型化。日本从 2 0世 纪 8 0年代开始提高液压泵的工作压力 ， 经过多年努力 ， 泵工作压力提高了 1 5 MP a ， 额定压力达到 3 5 MP a 。 高压 化使泵 工作寿命 降低 、 系统可靠性 降低 ， 此 外 ，伴随高压化而来 的高应力产生部件材质及高压容 收稿 日期 2 O l 1 - 0 4 1 9 作者 简介 杨尔 庄 1 9 3 1 一 男 ， 高级 工程师 教授级 ， 中国液 压气动密封 件工业协会顾 问， 研究方 向 流体传动与控制。 器 的疲劳破损和零件表面压力增加而导致烧伤和磨损。 针对以上问题 ，近年来广泛采用 C A E仿真来进行主要 移动零部件 的强度计算 ， 从而获得理想的结构参数 。对 于高压径 向柱塞泵 ， 为实现高压化 ， 需了解材料 的耐压 性 。目前缸体材料大部分采用球墨铸铁 F C D铸铁 ， 为 改善其滑动性能 ，广泛采用软氮化处理 ，铁 和氮化层 F e N， F e 4 N 的厚度为 1 0 ～ 1 5 lx m， 其表面硬度为HV 8 0 0 ， 产生 的残 留压缩应力可提高疲劳强度。经过软氮化处 理后 ， 在同等结构参数下 ， 工作压力可以提高2 5 ％， 图 1 所示为气体软氮化后提高疲劳极限的效果。正确选用 材料和表面处理方法可以防止移动部件的烧伤 。零部 件 的精度 圆度 、 球面度 、 圆柱度等 和表面光洁度的提 高能使局部表面压力 的均匀性得 以提高 ， 从 而降低表 I 4 。 F C D 4 5 O 、 ＼ △一 有气体软氮化 ； 、 - 0一无 气体软 氮化 ； ＼ ． 、 3 0 ＼ 上 卜 } 2 5 ＼ j b -e - - o _ ，n 0 4 o 5 1 0 6 0 7 图 1 气体软氮化后提高疲劳极限的效果 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 9期 面压力 ， 并改善表面的影响。 高压喷流产生 的配流盘气蚀现象是值得研究的重 要课题 ，正确设计喷流方 向和喷出液流的稳定性十分 重要 。图 2为 由于高压喷流使配流盘产生气蚀现象的 照片。可以利用切槽形状的合理设计 、 改变喷流方向和 喷出液流的稳定性来解决此 问题 。图 3是活塞 和缸体 的滑动部位展示图 ，表 1 为滑动部件的材料和表面处 理 图 2 配流盘产 生气蚀现象的照片 图 3 活塞和缸体的滑动部 位展示 表 1 滑动部件的材料和表面处理 材料 表面处理 碳钢 低碳合金 轴 承钢 球墨铸铁 铜合金 氮化 气体软氮化 渗碳 高频处理 铜合金浇 注 2 大容 量化 。 增加斜盘倾角可以增加活塞行程 ， 从而增加液压泵 输 出流量， 实现液压泵 的大容量化。大倾角使作用在缸 体 的侧向力增加 ， 活塞和缸体的滑动条件更加严酷 见 图 3 ， 它和实现高压化一样需要解决零件精度和材料 ， 表面处理等技术问题。 经过近 3 0年的努力 ， 斜盘角度从 1 4 。 一1 6 。 一 l 8 。 一2 0 。 ， 逐渐增加 ， 以实现大倾角 ， 即大容 量化。 由于倾角加大使径 向力增加 ， 使轴的负荷增加 ， 影 响轴承寿命 ， 并降低可靠性 ， 因此设计 时不仅应充分考 虑这些不利因素 ， 而应考虑能承受重载压力的轴承。 3 高速化 。 在液压油里含若干百分比的空气溶解后会产生微小 的气泡使工作液体的压力降低 ，这种现象在泵的吸人侧 缸体的小穴内产生 ， 同时产生噪声 ， 并使输出流量减少 ， 2 这是 由于产生气蚀而使泵处于吸入极限状态 为实现高 压 化 ， 吸 入 口的 压力 损失 要 小 ， 为此 广 泛 采用 如 4所 示的球面配流盘。从液压平衡关系考虑 ， 配流盘吸人 1 的节距 商 径 设计 应小 些 ， 使 f I { J 口 力损 失小些 ， 柯利 于 实现高速化。 球 配流盘 比平面 流蕊的最外侧线速度 小， 轴l， I勺 挠 影响小 ， 因而对耐烧伤特性提高有利 从 5得 知 ， 在 相 同的 回转数 时 ， 液压 泵越 大 ， 吸 人通 道 的 力损失也越大 ， 自吸能力就降低 允许吸入的规定 力 上升 ， 为此用 于挖掘机的大型液压泵 ， 采用密闭油箱 ， 用其他液压泵对空气加压 ， 提高其吸人性能。日前国外 广泛采用如图 6所示的叶轮泵 ，将它和液压泵串联， 『 J J 以显著提高吸入能力。图 5为转数为 2 0 0 0 r ／ rai n ， 油温为 5 0 ℃时 ， 不 同液压 泵在不 同压 力下 的 自吸性 能 。 翟 鲁 一 、 o 强 睡 平丽 流衙 球 肼 流龠 图 4 配流盘和缸体的工作状态示意图 Ql h 2 8 0 c c | 叶轮泵 | 艟 3％ 减 少 ／ ， Ql h i 8 Oc c 一 缸 QI h i 4 0 c c F Q eh l l 2 c c 哥 - 0 O 5 0 吸 入压 力 P S ／ MP a 嗣转数2 0 0 0转／ mi n 油湍 5 ”c Q【 h ． 液 图 5 白吸性 能 图 6叶轮泵 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．9 ． 2 01 1 2 节省能耗适应环保要求 国内外厂商为适应节能和环保要求发展了电液融 合系统 H y b ri d系统 或称 D D V系统 。它是用 电动机 转数直接控制液压泵流量 的系统。 目前国外电动机驱 动有两种方式 ， 即 伺服电动机驱动和变频驱动的异步 电动机 。 1 A C伺服马达驱动的特点是 频率响应高 ， 过载 能力优 良， 适用于压力控制和高精度位置控制。 2 变频驱动异步电动机 的特点是 成本低 ， 适用 于大功率系统 ， 可使用压力控制 、 位置控制 ， 用专用的 控制器即可实现 。 日本川崎精密 株 、 大金 、 油研 、 不二越 、 德国力士 乐和中国海特克等公司都研制了由电液融合系统技术 发展的容积式电液伺服系统和节能低噪声的液压泵装 置 。 2 ． 1 塑料 机械 日本 日精树脂发展的注塑机 ， 采用 A C伺服马达驱 动 ， 用双流量的变量柱塞泵 ， 根据作业需要提供所需的 能量。特点是 1 节省能耗 4 0 ％， 保压控制时可节能达 9 0 ％。 2 频率 响应可达 0 ． 1 s 。 3 温升小 ， 油箱尺寸 比过去系统小 5 5 ％， 用油量 减少 6 0 ％， 可不用 冷却器 ， 如用水冷却 ， 可 以减少用水 量 。 4 保压性能好 ， 可达 2 m i n 。适用于厚壁大型零件 加工 ， 这点大大优于纯电系统 ， 是纯电系统所望尘莫及 的 。 5 系统稳定性好 ， 低 速性能好 ， 最低可达 1 mm ] s ， 适用于精密成型加工。 6 系统 噪声 低 。 2 ． 2压力 机械 川崎开发的电液融合系统 ， 可采用 A C伺服马达控 制和变频控制 。广泛应用于压力机 的液压 系统。特点 是 1 按需要提供流量和压力 ， 可节能 4 0 ％～ 6 0 ％。 2 温 升小 ， 可减 小油 箱 尺寸 4 0 ％ ， 用油 量减 少 5 5 ％， 可不用冷却器或减小冷却器的规格。 3 位置精度可达 5 m。 4 采用闭式系统 ， 可不用换 向阀 ， 可 以减少压力 损失。 5 频响可达 0 ． 1 s 。 国外新研制 的液压挖掘机 ，应用电液融合技术来 实现挖掘机大臂升降和回转 系统 的能量再生 回收 ， 可 以显著节省燃料费用。 总之 ， Hy b r i d系统是液压系统实现节能 、 减少油流 损耗 、 降低噪声 、 实现液压系统小型化的重要手段 。 3 提高可靠性 、 机械效率和寿命 提高耐 烧伤性 、 耐磨损性 目前使用的高压柱塞泵和马达的滑动部件往往要 承受高表面压力 ，工作条件严酷 ，容易产生磨损和烧 伤 ， 影响寿命及可靠性。为提高可靠性 ， 必须解决如何 提高部件的耐烧伤性能 、耐磨损性和机械效率的低摩 擦特 性 。 3 ． 1 柱塞 滑动 部件 的材 料 柱塞对球 墨铸铁缸体 的磨损情况见图 7 ，可 以看 出， F C D 7 0 0经过软氮化 以后 的耐磨损特性最好 ，是一 种很好 的组合 。从图 8铸铁组织和比磨耗量的关系图 中得知 珠光体含量越高的铸铁磨损值越小 ， 黑铅 的滑 润性和珠光体 的硬化组织 ，可 以大大提高铸铁的耐磨 损特性。 ll I ⋯⋯I l l 麟骥蕊弱蠢露鞘露鞲霹 l I l ll l l l l I l f l 图 7各种铸 铁材料 的耐磨损特性 F C D 4 0 0 珠光体5 ％ F C 3 0 0 珠光体8 8 ％ F C D 5 0 0 珠光体6 4 ％ 4 5 C 珠光体4 9 ％ ■ 暖 ●P C0 ▲FC 气 ■S TEEL ＼ ＼ - ＼ ＼ 图 8 铸铁组织和 比磨耗量的关系 3 ． 2滑 动部 件和 配流 盘 配流盘表面承受着很 高的表面压力 ．因而容易产 生烧伤。过去 ， 主要采用铜合金来解决 因表面压力而产 3 一 旨 宕，J n 鲁E 0 ． ⋯ 又 一 _喜堪避 一 吕昌 n gg 0 一 _軎堪避丑 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 9期 生的烧伤。 图 9为不同的铜合金的耐烧伤特性。由于铅 青铜具有 固体润滑剂功能 ，所以它的耐烧伤性能 比磷 青铜要好。 圈 磷青铜 铅青铜 磷 青 铜 图 9各 种 铜 合 金 的 耐烧 伤特 性 3 ． 3 液压泵部件的表面性能的改进 图 1 0为变量斜盘柱塞泵的剖面图． 通常液压挖掘 机所用液压泵 ， 从有效利用动力 的观点考虑 。 采用恒扭 矩控制 ， 根据负荷变化来改变输 出的流量 ， 用斜盘倾角 来控制活塞行程来改变液压泵 的流量 ，而斜盘的位置 移 动用反馈活塞销进行反馈控制 ，其所处位置润滑条 件较差 ， 容易产生磨损 、 烧伤和卡死等现象 。为确保液 压泵流量调节系统的可靠性和动静特性 ，日本某公司 采用 了类 金 刚石镀 膜 D L C D i a m o n d l i k e c o a t i n g 方 法处理反馈用柱塞销 。它是利用 P V D方法的等离子能 量分解碳化氮气体 ，生成一种碳原子形成的一层极薄 有坚硬的镀膜 D L C D i a mo n d l i k e c o a t i n g 方法处理 反馈用柱塞销。它是利用 P V D方法的等离子能量分解 碳化氮气体 ，生成一种碳原子形成的一层极薄又坚硬 的镀膜 。特点是 ①超强硬度 ， 达 8 0 R c ； ②低摩擦 系数 0 ． 0 5 ～ 0 ． 2 ， 抗腐蚀性好； ③可提高寿命 2 ～ 3倍 ， 抗烧伤特 性好 。 图 1 1 为采用 D L C处理后的滑动部件和常用的软 氮化表面处理的部件的滑动特性的效果 比较。 D L C表 面 处 理 也 可 适 用 于 液 压 柱 塞 泵 ／ 马达 的柱 塞 、 缸体孔之间降低滑动摩擦力 ． 改善马达的低速和启 动性能 ， 提高泵／ 马达的寿命和静动态性能， 特别当在常 用条件下可使低压侧的效率得以提高。 反馈活塞销 斜板 4 斜板倾角控制活塞 图 1 O 斜盘柱塞泵的剖面图 DL C I E 09 l E _ 08 l E- 0 7 l 06 比摩 耗 ／ mm／ N m 1 1 各 种 褙 动 部 件 材 料 的 滑 动 特 性 3 。 4表面 加工 方法对 表面 状态 变化 的影 响 球磨铸铁 因加工方法不 同使表 面状 态产 生变化 ． 见图 1 2 。用砂带研磨进行精加工 ， 由于表层塑性移动 ， 铅被覆盖； 而用超精加工时铅颗粒会裸露 出来 ， 由此得 知 ． 表面加工方法不同使表面状态不同 ， 使滑动部件 的 特性也有所不同。 砂带研摩精 l血 _ | A j 1 } l I 拜 l l { ； l l { ‘ l { f 超粘血 I l 。 ， n l 出 南 幽 器 l r’ l fl l 1 iI l r } 弹I } } ” I l } l 1 I 图 1 2球 磨铸 铁 不 l司表 面精 加 [ 后 的 表 面状 态 4 结束语 本文介绍 了国外 液压泵 和马达在 商功率密度化 、 环保 与节能和提高元 件可靠性方面等 有关 『 u 】 题 的现 况 。文 中特别强调了如材料和表面处理等， 希望业界在 产品结构创新 时给予重视 ． 使国产元件性能优 良 、 作 可靠 ， 得到国外用户信任 ， 扩大关键产品的应用 参 考文献 [ 1 】 田中 ． 7， L ， 一 卜， 一襁器 小肜 、 商劫 率省 工 _彳 、 、 境 c 二 阴寸 为勤 向． H本7， ～ I 一 7 一三 ， 灭于厶． 【 2 ] 大 兄康生 ． 建 设楼械 用 汕庄 、／7 尚 密度 化． 【 { 小 7 ， 一 卜， 一 三 ／灭于 厶 ． f 3 】 中濑 拓 也 ． 油 庄饿器 } 1二拈 c 于 材 料 ． 谢 改 ． I i 本 7 ， 一 ， t 7一 灭于 厶 ． [ 4 ] 小 曾尸博 ． 油 压 、／-7 o 乇 一 夕 乡水 口 ～． 7儿一一卜 ， ≮ t 7一 三 ／ 灭于 厶 ． 【 5 】 杨尔庄． 环保节能和液压技术⋯． 液压气 动 - j 密封， 2 0 0 5 5 ． [ 6 】 杨 尔庄． 液 压系统 的节 能化概况 一 电液 融合 系统 H y b r i d 的 应用【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 P T C专刊 ． ■■ l一