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液压传动技术创新与应用领域的研究报告
液压传动技术创新与应用领域的研究报告
摘要
液压传动和控制由应用电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展，使液压系统和元件在技术水平上有很大提高。
本文从液压技术现状、液压现场总线技术、水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压技术创新及发展趋势。
指出液压传动向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。
摘要……………………………………………………………………………………1
绪论……………………………………………………………………………………3
第一章液压传动的基本介绍…………………………………………………………3
1.1液压传动的发展概况…………………………………………………………3
1.2液压传动的工作原理和组成............................................................................4
1.3液压传动的定义................................................................................................5
1.4液压传动的优缺点............................................................................................5
1.5液压系统的应用领域........................................................................................6
第二章液压技术的创新发展…………………………………………………………7
2.1液压现场总线技术……………………………………………………………7
2.2水压元件及系统……………………………………………………………....8
2.3液压节能技术………………………………………………………………..10
第三章液压动力单元的结构设计分析……………………………………………..12
3.1液压动力源的几种结构形式……………………………………………….12
3.2各种布置的比较……………………………………………………………..12
3.3布置方案的选定……………………………………………………………..13
3.4油箱的设计…………………………………………………………………..14
3.5系统压力平衡问题的分析…………………………………………………..15
3.6总体系统的结构……………………………………………………………..18
第四章液压技术发展趋势…………………………………………………………..18
4.1国外液压系统的发展………………………………………………………..18
4.2远程液压传动系统的发展…………………………………………………..20
4.3增强对环境的适应性、拓宽应用范围……………………………………..21
4.4发展趋势……………………………………………………………………..23
总结…………………………………………………………………………………..24
致谢…………………………………………………………………………………..24
参考文献……………………………………………………………………………..25
绪论
技术创新及其管理是当今管理科学的重要学科，对于提高国家、地方和企业的科技竞争力，实现可持续发展具有十分重要的意义。
无论是发达国家还是发展中国家，都非常重视对这一问题的研究。
20世纪80年代初，我国开始重视技术创新理论问题的研究，研究范围包括技术创新的模式、机制，技术创新的扩散，产创新和技术创新经济学，技术创新的区域研究以及有关技术创新的政策、体系等诸多方面。
经过20多年的研究，人们已经注意到创新在生产各个方面所起的关键作用，并将创新作为企业、产业和国家竞争获胜的中心环节。
近年来，流体动力传动由于应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展，使液压气动系统和元件在技术水平上有很大提高。
它已成为工业机械。
工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。
而其向自动化．高精度．高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。
为了保持现有的良好发展势头，必须重视液压传动固有缺点的不断改进和创新，走向2l世纪的流体传动除不断改进现有液压气动技术外，最重要的是移植现有的先进技术，使流体技术创造新的活力，以满足未来发展的需要。
第一章液压传动的基本介绍
1.1液压传动的发展概况
液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，从17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有2～3百年的历史，只是由于早期技术水平和生产需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用。
随着科学技术的不断发展，对传动技术的要求越来越高，液压传动技术自身也在不断发展，特别是在第二次世界大战期间及战后，由于军事及建设需求的刺激，液压技术日趋成熟。
第二次世界大战前后，成功地将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用机床到本世纪30年代才用上了液压传动。
第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。
战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、规格化、系列化而在机械制造，工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。
近30年来，由于原子能技术、航空航天技术、控制技术、材料科学、微电子技术等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个部门都得到了应用，如工程机械、数控加工中心、冶金自动线等。
采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。
60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。
当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。
同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。
目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。
我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。
由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛．
1.2液压传动的工作原理和组成
1.2.1工作原理
液压传动是以液体为工作介质，利用压力能来驱动执行机构的传动方式。
驱动机床工作台的液压系统是由油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头等组成。
1）.工作原理如下：
电动机驱动液压泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从泵的输出口输入管路。
油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。
液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。
2）.工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。
当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减少，工作台的移动速度减少。
由此可见，速度是由油量决定的。
1.2.2液压系统的基本组成
1）能源装置——液压泵。
它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。
2）执行装置——液压机（液压缸、液压马达）。
通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。
3）控制装置——液压阀（流量阀、压力阀、方向阀等）。
通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向。
4）辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。
5）工作介质——液压油。
绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。
1.3液压传动的定义
一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分、工作机（含辅助装置）组成。
原动机包括电动机、内燃机等。
工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。
由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以及其它操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。
传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。
流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。
它包括液压传动、液力传动和气压传动。
液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。
液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。
由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。
同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。
1.4液压传动的优缺点
液压传动能得到如此迅速的发展和广泛的应用，是由于它与机械传动、电气传动、气压传动相比，具有以下优点：
1）单位功率的重量轻，即在输出同等功率的条件下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好等．如轴向柱塞泵的重量只是同功率直流发电机重量的10%～20%，前者的外形尺寸
只有后者的12%～13%．
2）液压传动能方便地实现无级调速，并且调速范围大．
3）液压传动装置工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动制动和频繁换向．
4）液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、
省力，易于实现自动化．当机、电、液配合使用时，易实现较复杂的自动工作循环．
5）液压传动易获得很大的力和转矩，可以使传动结构简单．
6）液压系统易于实现过载保护，同时，因采用油液作为传动介质，相对运动表面键能自行润滑，故元件的使用寿命长．
7）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便．液压元件排列布置以具有较大的机动性．
液压传动的主要缺点
1）液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免要有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用．
2）液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动．
3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性．因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难．
4）为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求较高，因此，液压元件的制造成本较高，而且对油液的污染比较敏感．
5）液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出更高的要求，即需要系统的掌握液压传动的理论知识，液压具有一定的实践经验．
6）随之，高压、高速、高效率和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是需要解决的问题．
总而言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动的缺点将得到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及其它传动方式的结合更是前途无量．
1.5液压系统的应用领域
1.5.1液压传动在机械行业中的应用：
机床工业——磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等
工程机械——挖掘机、装载机、推土机等
汽车工业——自卸式汽车、平板车、高空作业车等
农业机械——联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等
轻工机械——打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等
冶金机械——电炉控制系统、轧钢机控制系统等
起重运输机械——起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等
矿山机械——开采机、提升机、液压支架等
建筑机械——打桩机、平地机等
船舶港口机械——起货机、锚机、舵机等
铸造机械——砂型压实机、加料机、压铸机等
1.5.2静液压传动装置的应用
静液压传动由于具有无级变速，调速范围宽，可以实现恒扭或恒功率调速，容易实现电控等优点，在工程机械中具有良好的应用前景。
但是在铲土运输机械和起重机械中作为主要传动就用却很少，其主要问题是在于国内液压元件质量差，而国外的液压元件价格又太高，会造成主同成本过高。
90年代以来，国内已引进了德国林德公司静液压叉车，以及利勃海尔公司静液压推土机的装载机，但在国内市场所占份额很小。
从国内工程机械市场的实际出发，本文对静液压传动在国内的推广应用提出探讨性的意见如下：
（1）静液压传动叉车在发达国家已经被广泛采用，由于国内部分仓库、码头和工厂等使用部门对叉车的机动性能（尤其是低速性能）、噪声已经有较高的要求，因此这些部门正在成为国内静液压叉车用户。
国内叉车和液压元件生产企业应该看到静液压叉车的良好前景，联合研究开发适合我国国情的叉车静液压系统，提供能先进，工作可靠，价格适中的产品。
也可以采用与国际静液压元件制造公司联合开发的方式，加快开发的速度。
（2）中小型多功能工程机械由于具有挖掘，装载，叉车和起重等多功能，在发达国家已经得到了广泛的应用。
随着我国经济建设尤其是城市建设的发展，中小型多功能工程机械也将在我国推广应用，而它们无疑将首先采用静液压传动作为其主要传动装置。
国内工程机械企业应该看到中小型多功能工程机械的发前景，联合国内外静液压元件生产企业共同开展对它们的研究开发，以促进中小型多功能工程机械在我国的发展。
（3）在国内大型铲土运输和起重机械中，由于配套的静液压与电子控制元件的技术难度大，价格太高，在国内用户中难以接受。
因此，在我国暂时不宜将静液压传动研究开发的重点放在与大型铲土运输和起重机械配套上，而应将重点放在上述两类工程机械上。
第二章液压技术的创新发展
2.1液压现场总线技术
2.1.1液压现场总线技术的定义
现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备；和监控设备组成的分布式系统从计算机角度看，现场总线是一种工业网络平台；从通信角度看，它是一种新的全数字串行、双向、多路设备的通信方式；从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。
随着现代制造技术的快速发展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越紧密，在液压领域越来越多的人开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到现场总线技术的优越性。
液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，与其各自的控制阀、执行器相连接。
开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。
根据开关液压源功能不同，它可组合成升压或降压增流型开关液压源。
由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，通过高速开关方式加以升压或降压增流。
该系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。
2.1.2现场总线技术在液压系统应用中的特点
（1）经济性。
任何一种新技术新产品的开发与使用，其成本是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。
设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统及工程成本。
所以，应用单位使用总线产品和供应商提供产品的第一前提应该是以降低总线系统的使用成本为目的。
（2）按IEC61131—3标准的柔性化程序，易学、易懂，可操作性强。
（3）可靠性、可维护性。
现场总线技术采用总线代替一对一的I／O连线。
对于大规模I／O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有在线故障诊断，报警记录功能；可完成现场液压系统的远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。
（4）友好的人机对话界面，可方便进行液压系统的参数修改和故障监控。
（5）满足所有有关人身安全、电磁兼容、抗冲击及抗震动的重要标准。
（6）相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势。
2.2水压元件及系统
2.2.1水压传动技术概述
用水作介质的液压元件古而有之，最早的液压设备就是用水的。
今灭随便一个洗车店里都装备了带容积式泵的高压清洗机这样的水液压设备。
但后来所谓“水压机”的介质中也添加了许多东西以满足方方面面的性能要求，其实是一种乳化液。
后来发展的“难燃液压液”有几种也是水基的。
在某种意义上，液压技术的发展是一个元件与工作介质互相适应和协调发展的历史。
液压介质性能水平的提高对于现代液压技术的发展功不可没。
现在所谓的水液压元件企图用普通水或天然海水作为介质，所有技术难点就都集中到了元件本身。
液压元件的发展越来越依赖于材料科学和制造技术的进步，这在水液压元件中体现得尤为突出。
在现代技术条件下，造出能在密封、润滑、抗蚀等性能方面适应纯水甚至海水介质的液压元件是可能的，当然由于无法同时改进介质的相关特性，水液压装置的性能，特别是性价比较高之元件和介质都经过多年“磨合”和优化的传统液压装置会大打折扣，一般也只能在水的冰点以上才能运行。
水上和水下作业的船只和装置上，以及用高压水工作的设备中（如高压水清洗、切割设备、消防设备和艺术喷泉等），使用直接从外界吸水和向外排水的开式循环的水液压系统有其必要性和合理性。
水压传动技术就是基于绿色设计和清沽生产技术而重新崛起的一门新技术。
是新型工业化发展进程中出现的一门绿色新技术。
由于水具有清洁、尤污染、廉价、安全、取之方便、再利用率高、处理简单等突出优点，用其取代矿物油作为液压系统工作介质时不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够最大限度地解决因矿物油泄漏和排放带来的污染与安全问题，最符合环境保护以及可持续发展的要求，使得人们开始重新考虑和认识到将这一清洁能源作为液压系统工作介质的重要性，并已引起人们的普遍关注，成为现代水压传动技术发展的最直接动力。
2.2.2水压传动技术特点
（1）资源丰富，来源广泛，再利用率高。
水是地球上最为丰富且与世共生的资源，在水压传动系统应用的整个周期内，可多次回收，重复使用，且不易变质
（2）水是一种无毒无污染资源，对人体和环境尢害。
有利于提高T作环境的舒适性和安全性，排除的液体不需作任何处理即可直接排放，从根本上消除油压传动系统冈泄漏和排放而造成的牛产与环境污染。
（3）阻燃性好，安全性高。
特别适合高温、核辐射和明火等场合下的应用，有效地解决油压传动所带来的易燃、易爆、油蒸汽对人体的危害等安全问题以及核辐射造成的液油变质和放射性污染等问题。
（4）处理技术与工艺简单，系统的运行与维修费用低。
水长时间使用不会变质，使用前后的水处理简单；而且系统在航运、水下作业、潜艇等水环境下工作时，不用油箱、冷却装置，大大简化了系统。
2.2.3水压传动技术的应用及展望
随着科学技术的进步，水压产品及技术取得了较大的进展，目前，不仅水压泵形式增多了，符合ISO／CETOP连接尺等各标准规格的各种阀，甚至叠加阀、比例阀和连续可调的流量控制阀都形成了产品系列，配套用的液压缸、油箱、接头零件、密封件等也一应俱有，而且在专家的指导下，用户可以根据自己的需求进行系统配组。
正式推出了多种工作压力为l6～21MPa的作为成套机械和设备用的独立产品（动力站和控制阀）。
在欧、美水压传动开始广泛进入食品工业、医药、化学、造纸木材加工、海上作业、核能工业、消防、工程、地质钻探、环境工程等一些对安全、清洁、环境无害要求较高的行业。
一些量大面广的街道和路面清洗车以及新的铁路机械中的应用，加上传统的钢厂轧机和水压机等应用正在扩大。
可见水液压作为一种更符合环保要求的传动技术，将会使流体技术在与电传动技术的竞争中得到新的支持。
随着新材料、新技术的不断涌现，必将推动水压技术的发展，逐步地取代现有的油压传动系统。
可以预见，水压传动这一在第一次工业革命中兴起的古老技术，通过创新发展终将成为与电气、油压、气动并列的第四种传动技术。
2.3液压节能技术
液压传动系统能量损失包括各元件中运动件的机械摩擦损失、泄漏损失溢流损失、节流损失、输入和输出功率不匹配的无功损失几方面。
机械摩擦损失、泄漏损失所占比例与所选元件本身的机械效率、容积效率、介质粘度、回路密封性以及系统组成的复杂程度有关；溢流损失、节流损失所占比例与回路和控制形式有关；而输入和输出功率不匹配的无功损失所占比例与控制策略有关。
因此节能是液压技术的重要课题之一，随着节能和环保要求的日益高涨，有效活用能源和降低噪声已成为液压行业的重要目标。
综观国内外液压技术发展历程，无时无刻不伴随节能的需要及创新。
（1）二次调节系统。
二次调节静液传动系统由恒压油源、二次元件（液压泵／马达）、工作机构和控制调节机构等组成。
二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量，以适应负载转矩的变化，使负载按设定的规律变化。
系统中的压力基本保持不变，二次元件直接与恒压油源相连，在系统中没有原理性节流损失，从而提高了系统效率。
另外，蓄能器的加入，不但抑制了压力限制元件发热所引起的功率损耗。
而且还通过回收、释放液压能有效提高液压系统的工作效率。
（2）电液负载感应系统。
负载感应就是将变化的负载压力反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构，使液压系统压力与负载压力相适应，消除了系统压力过剩，由于负载感应装置与变量泵的变量调节机构联系在一起，使变量泵的流量与负载流量相适应，系统不会产生过剩流量。
（3）定量泵加变频调速电机电液系统。
交流变频调速液压系统避免节流损耗和溢流损耗，另外，交流变频调速液压系统还大大提高了原动机——异步电动机的效率，并显著改善功率因数，是其它液压调速方式所无法比拟的。
利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统所要求相适应，可以使溢流损失降至最低，有效地节约了能量。
交流变频调速液压系统在大功率间歇运动的调速系统中，其优越性更为显著。
（4）尽可能地节省空间。
采用无油压控制阀可以减少系统装置空间，依据闭回路的构成使油箱小型化，减少发热量从而不须使用冷却器。
例如，采用伺服马达使液压泵正反转向，不必使用方向、流量、压力控制阀也能达到控制的效果。
采用闭回路系统，可以自我形成油量补偿机能，混合式伺服系统可以使油箱控制在储存最小作动油的状态下作功，体现油箱小型化的优点。
由于只在需要时使液压泵输出必要的流量，从而将发热源控制降至最低，也就无需再加装冷却器。
因为不需冷却水的循环以及减少作动油的消费量，所以也能节省资源。
另外，降低噪声也依然重要。
（5）一体化构造。
将液压泵、马达、油箱、油量补偿回路构成为一体，形成无配管的一体构造。
（6）省电节能的液压系统设计。
高的响应速度、高的控制精度和重复精度的比例阀、比例泵、伺服阀的应用；由转速叮调的伺服电机+柱塞泵、伺服马达螺杆驱动、蓄能器+高速伺服组成闭环同路控制油电式高速注塑机液压系统设计和应用。
有高低压双联或多联式泵、变量泵、蓄压器系统等的推出：
针对阀控电液系统有较大能量损失的问题，推出了
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