淺談液壓機(jī)的發(fā)展研究

滕小磊

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，制造業(yè)已經(jīng)逐漸成為一個(gè)企業(yè)甚至國(guó)家在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際市場(chǎng)上能夠取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。機(jī)械制造企業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中機(jī)械裝備和產(chǎn)品的生產(chǎn)者，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著十分重要的地位。在機(jī)械制造加工過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率和保證加工精度，人們往往在對(duì)坯件進(jìn)行物理加工時(shí)使用到壓力機(jī)。壓力機(jī)可以通過(guò)對(duì)金屬工件施加壓力，從而使其發(fā)生塑性變形或斷裂，最終加工成目標(biāo)零件形狀。壓力機(jī)由曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)和液壓機(jī)這三類(lèi)組成，其中液壓機(jī)是通過(guò)利用液體壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種機(jī)器。在面對(duì)一些復(fù)雜零件的成型加工時(shí)，選用液壓機(jī)可以進(jìn)行快速且精確的鍛造加工，因此，在工程上廣為使用。

1 液壓機(jī)的誕生過(guò)程

1653年，法國(guó)物理學(xué)家布萊士·帕斯卡通過(guò)觀(guān)察流體能夠傳遞壓力的現(xiàn)象，提出了著名的帕斯卡定律。加在靜止流體上的壓強(qiáng)，在其內(nèi)部的各個(gè)方向上傳遞時(shí)大小不變，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的受力面積與初始?jí)毫χg的關(guān)系，液壓還可以按照需求進(jìn)行放大，這就是液壓機(jī)的原理。借此，18世紀(jì)末，英國(guó)工程師約瑟夫·布拉曼以水為工作介質(zhì)設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)液壓機(jī)。至此，液壓機(jī)開(kāi)始了它的飛速發(fā)展。

新中國(guó)成立后，我國(guó)就開(kāi)始投入液壓機(jī)的生產(chǎn)制造中。從當(dāng)年沈陽(yáng)重型機(jī)械廠(chǎng)第一臺(tái)20MN液壓機(jī)投入生產(chǎn)直到現(xiàn)在液壓機(jī)行業(yè)的百花齊放，隨著國(guó)家的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)成為液壓機(jī)的大國(guó)。不過(guò)，相比一些發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)的液壓機(jī)的制造，目前還存在著一定距離。隨著工程制造和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，與之相匹配的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化技術(shù)如今已被很多企業(yè)使用，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能尋求既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，提升其性能并降低生產(chǎn)成本，從而大大促進(jìn)了我國(guó)液壓機(jī)的升級(jí)發(fā)展。

2 液壓機(jī)的升級(jí)發(fā)展

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在液壓機(jī)實(shí)際工作時(shí)，為了將原動(dòng)機(jī)的輸出特性與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求匹配一致，就需要通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)將原動(dòng)機(jī)的輸出量進(jìn)行適當(dāng)變換，使其滿(mǎn)足工作機(jī)構(gòu)的要求。液壓系統(tǒng)由動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件和液壓油組成，通過(guò)改變壓強(qiáng)增大作用力從而完成生產(chǎn)作業(yè)。對(duì)于現(xiàn)代液壓機(jī)的開(kāi)發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)高速高壓、綠色化、高效化和智能化的發(fā)展要求，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得十分重要。比如，在一個(gè)20t的實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用一個(gè)彈簧來(lái)反轉(zhuǎn)活塞，這就使得壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，簡(jiǎn)化了操作程序且提高了生產(chǎn)效率?；蛘咄ㄟ^(guò)采用M型電磁閥來(lái)代替電磁溢流閥進(jìn)行加載卸荷，也可以達(dá)到簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)并提高工作效率的作用。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高液壓機(jī)的速度，往往通過(guò)改變閥的通徑增大流量來(lái)提高速度，但這樣無(wú)法保證控制的精確度。為此，一種無(wú)級(jí)可調(diào)高速伺服液壓系統(tǒng)改進(jìn)了原有的控制方式，它采用定量齒輪泵和伺服電機(jī)來(lái)作為動(dòng)力元件，通過(guò)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變流量，消除了閥制造誤差，從而實(shí)現(xiàn)了壓力和流量的精確快速控制。同時(shí)，為了克服傳統(tǒng)生產(chǎn)中用氣墊維持壓力恒定時(shí)，由于氣體較大的壓縮性無(wú)法提供穩(wěn)定的壓制力而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降，可采用一種無(wú)級(jí)可調(diào)恒壓控制的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙地使用一個(gè)比例壓力閥同時(shí)控制插裝閥和減壓閥，從而同時(shí)控制啟閥壓力和出口壓力，使液壓缸內(nèi)壓力無(wú)級(jí)可調(diào)，工作壓力恒定不變，最終保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

總之，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的液壓系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上能具有很大的力矩慣量比，從作業(yè)性能上操作方便、動(dòng)作響應(yīng)快且能與各種電氣控制系統(tǒng)相匹配，從工作維護(hù)上也易完成過(guò)載維護(hù)與保壓、安全可靠。

2.2 液壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化在工程設(shè)計(jì)中對(duì)成本、材料和時(shí)間的貢獻(xiàn)，是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。一個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其使用壽命起著非常重要的作用，許多結(jié)構(gòu)的失效都是由于疲勞引起的裂紋擴(kuò)展，液壓機(jī)也不例外。運(yùn)用有限元技術(shù)和各種優(yōu)化方法能對(duì)液壓機(jī)進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提升其各項(xiàng)性能。比如，在雙柱和四柱液壓機(jī)機(jī)身變形的研究中，發(fā)現(xiàn)在工作時(shí)其機(jī)身常常會(huì)受到較大的靜力載荷，從而導(dǎo)致整體變形并影響加工質(zhì)量。根據(jù)其變形特點(diǎn)，可對(duì)上橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定最優(yōu)的材料分布，通過(guò)尺寸優(yōu)化規(guī)范各結(jié)構(gòu)的大小，從而可提升其剛度和強(qiáng)度，可減少上橫梁變形量進(jìn)而降低拉桿的最大變形量，最終解決了液壓機(jī)機(jī)身變形的問(wèn)題。

我們還可以對(duì)液壓機(jī)中各種功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由點(diǎn)到面、從內(nèi)而外地提升液壓機(jī)的整體性能。液壓墊在液壓機(jī)中主要起到緩沖和拉伸的作用，由于液體壓縮性比鋼大百倍，所以要求液壓墊的剛性足夠強(qiáng)大，這樣才能滿(mǎn)足高速?zèng)_壓時(shí)的壓力。通過(guò)增加液壓墊長(zhǎng)邊方向的筋板數(shù)量，部分改變板料的厚度，在設(shè)計(jì)域內(nèi)最大化液壓墊頂板到液壓墊油缸支撐面的距離，就可以使其具有更大的剛度和更輕的重量。液壓機(jī)活動(dòng)梁也是液壓機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)質(zhì)量能影響被壓制工件的精度。采用概念設(shè)計(jì)的方法，可迅速建立活動(dòng)梁結(jié)構(gòu)模型，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中以最小變形和最小質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，直接從客戶(hù)需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了從產(chǎn)品功能需求到結(jié)構(gòu)映射的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

隨著綠色生產(chǎn)的提出，以節(jié)能、環(huán)保、減污為目標(biāo)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐漸引起了各機(jī)械制造企業(yè)的重視。目前，國(guó)內(nèi)許多傳統(tǒng)液壓機(jī)中都存在著能量浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，并且對(duì)設(shè)備的使用方來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)過(guò)程中的電能損耗就占主要部分。為此可對(duì)一種新型節(jié)能液壓機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用停止器裝置取代原有液壓主缸的位置，可消除傳統(tǒng)普通液壓機(jī)中液壓缸由于大段快速下行行程帶來(lái)的液體壓縮問(wèn)題，減少液壓動(dòng)力系統(tǒng)冷卻裝置的能量損耗，從而解決了整體的能耗過(guò)大問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選材來(lái)提高機(jī)體密封的質(zhì)量，減少液體泄漏對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)大的噪聲源進(jìn)行隔離和封閉，也是綠色生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠重視的方面。

3 液壓機(jī)的未來(lái)趨勢(shì)

提高電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用水平。電液比例技術(shù)將傳統(tǒng)的常規(guī)通斷式液壓控制與連續(xù)式伺服控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)的新突破，其具有許多新的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)預(yù)設(shè)斜坡函數(shù)可簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)并提高控制過(guò)程品質(zhì)，同時(shí)，利用反饋系統(tǒng)還能提高控制精度并不斷修正達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，因此，在工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。電液比例控制技術(shù)的核心是比例閥，液壓機(jī)通過(guò)比例閥和比例泵的使用，可以將其各項(xiàng)功能的控制權(quán)交給電氣設(shè)備，將電控的靈活性與液壓傳動(dòng)的高效性結(jié)合起來(lái)，從而使液壓機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)型升級(jí)。而今，負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)以及電液比例閥先導(dǎo)控制與遙控技術(shù)作為電液比例技術(shù)的新發(fā)展方向，在降低工作液溫度，節(jié)約能量并提高工作質(zhì)量和效率方面將會(huì)大顯身手。

提高大型化和高壓化水平。隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，航空航天工程、核電產(chǎn)業(yè)、高速列車(chē)以及大鍛件生產(chǎn)等重型工業(yè)得到了迅速發(fā)展，因此，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量需求也越來(lái)越高。作為零件的生產(chǎn)設(shè)備，面對(duì)大型鍛沖壓件的輪廓和零件重量，所需的液壓機(jī)的公稱(chēng)力也應(yīng)相應(yīng)變大。相輔相成的，高壓化大型化也能促進(jìn)液壓機(jī)結(jié)構(gòu)剛度與精度的改善，從而提高制造件的精度和延長(zhǎng)模具的使用壽命。隨著液壓機(jī)的大型化和高壓化，產(chǎn)品也日益高參數(shù)化和復(fù)雜化，所以可靠性應(yīng)將成為衡量大型液壓機(jī)械的主要質(zhì)量指標(biāo)之一，同時(shí)，大型等溫鍛件、多向模鍛件的工藝也是未來(lái)大型液壓機(jī)的發(fā)展熱點(diǎn)。

提高伺服數(shù)字化和智能化水平。伺服液壓機(jī)結(jié)合了液壓機(jī)和全伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，柔性高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能環(huán)保，通多采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠使得控制系統(tǒng)更快地響應(yīng)和處理信息，大大提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)若是將伺服液壓機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，工作人員就可以線(xiàn)上管理和控制整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)故障診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)。伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是通往液壓機(jī)智能化道路的重要一關(guān)，智能液壓機(jī)涉及機(jī)械、計(jì)算機(jī)、智能控制等多個(gè)領(lǐng)域，其中的控制系統(tǒng)就是其“心臟”，起著引領(lǐng)全局的作用。此外，與此系統(tǒng)要有相匹配的軟件程序，為了設(shè)置出更高質(zhì)量的軟件，CAD、CAE技術(shù)在軟件開(kāi)發(fā)中的輔助運(yùn)用也是十分重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

以上就液壓機(jī)的產(chǎn)生過(guò)程、改進(jìn)發(fā)展以及未來(lái)研究的新方向進(jìn)行了深入的研究。在時(shí)代快速發(fā)展，科技日益進(jìn)步的大環(huán)境下，我們應(yīng)該抓住機(jī)遇，勇于迎接挑戰(zhàn)，打破常規(guī)、創(chuàng)新思維，結(jié)合有效的優(yōu)化方法和先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)造出更優(yōu)異的機(jī)械設(shè)備和產(chǎn)品。