【液压传动与控制技术在工业中的应用与发展】液压传动技术

液压传动与控制技术在工业中的应用与发展

作者：申磊

班级：测控一班 学号：[1**********]125

摘要：本文对液压传动技术及其优缺点进行描述，结合实例列举了其在工业中的应用，将其发展现状、工业应用情况作了一个简要的总结归纳，分析了自其在我国发展以来存在的问题并根据其自身的特点对其发展趋势做了合理的展望。

关键词：液压传动；控制技术；机床；冶金；液压阀。

一、液压传动的基本定义及发展历史

（一）、液压传动的基本定义

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，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，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。其基本原理是利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达) 把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

（二）、液压传动的发展历史

1795年英国约瑟夫·布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质, 以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。

第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在19 世纪末20 世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁·尼斯克(G·Constantimsco) 对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等) 方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。

第二次世界大战(1941-1945)期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20 多年。在1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会”。近20~30 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。

二、液压传动的主要优缺点

（一）、液压传动的主要优点

1. 体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10%～20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；

2. 能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无级调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）；

3. 换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复

运动的转换；

4. 液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；

5. 由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；

6. 操纵控制简便，自动化程度高；

7. 容易实现过载保护。

8. 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。

（二）、液压传动的主要缺点

1.使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；

2. 对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；

3. 液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；

4. 液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适；

5. 液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低；

6. 由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比；

7.液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便；

8. 液压系统发生故障不易检查和排除；

总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。

三、液压传动在工业中的主要应用

驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。根据所用的部件和零件，可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置。经常还将不同的形式组合起来运用——四位一体。由于液压传动具有很多优点，使这种新技术发展得很快。液压传动应用于金属切削机床也不过四五十年的历史。航空工业在1930年以后才开始采用。特别是最近二三十年以来液压技术在各种工业中的应用越来越广泛。

（一）、在机床上，液压传动常应用在以下的一些装置中

1. 进给运动传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动；车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架；铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动。有的则既要求快速移动，也要求慢速移动。这些运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；有的要求持续进给，有的要求间歇进给；有的要求在负载变化下速度恒定，有的要求有良好的换向性能等等。所有这些要求都是可以用液压传动来实现的。

2. 往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往复直线运动，并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低，因此都可以采用液压传动。

3. 仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。 其精度可达0.01～0.02mm 。此外，磨床上的成形砂轮修正装置亦可采用这种系统。

4. 辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等，采用液压传动后，有利于简化机床结构，提高机床自动化程度。

5. 静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等处采用液体静压支承后，可以提高工作平稳性和运动精度。

(二）、液压技术在冶金工业中的应用

目前的冶金企业主要以钢铁企业为主。钢铁制品的生产首先是钢铁的冶炼，在高炉中将铁矿石和焦炭提炼成生铁，然后再利用炼钢炉炼制出各种成分、不同牌号的钢产品，使之具有不

同的物理化学性能，最后利用各种加工手段，如轧制、锻压、挤压等，生产出适应市场要求的各类板材、棒材等。在冶金工业的生产过程中，涉及到大量的大型、重型机械设备，这些设备必须在高温的环境中进行工作，因此其自动化程度和控制精度要求较高。而液压技术对于改善其自动化程度和控制精度有很好的作用，因此，在冶金企业中具有独特而广泛的应用。

（三）、在其他工业生产中的应用

1. 在金属加工工业中，液压技术不仅可以用于各种造型设备、铸造机械、锻压和焊接设备中，同时也可以用于各种金属切削设备中。在铸造生产中，液压技术广泛应用于高压、射压造型机、抛压机、压铸机等各种设备中。例如在抛砂机中，为了确保型砂能够均匀地分布在砂箱的各个部位，需要液压传动来实现抛头的上、下、左、右以及前、后的运动。连铸中，小型

的连铸机多餐用机械式振动，而大型的连铸设备由于其精度要求高，因此，多采用液压振动。 液压振动控制技术是通过在线设定和修改波形、振幅、频率，实现不同波形的振动的控制，从而能够满足连铸生产工艺的要求。液压振动系统可使结晶器在给定的振动模型下沿着铸机的半径做防弧运动，从而可防止在凝固过程中铸坯与结晶器铜管之间发生粘结而引起拉漏现象的发生，在减少摩擦阻力的同时提高铸坯质量。与传统的振动方式相比，液压振动具有很多优势：推力大、能够产生较大的位移，系统的稳定能好，可连续工作较长的时间，同时可在线调整振动频率和振幅，因此对振动的稳定性有较好的保证，可以显著提高铸坯的质量。 液压技术在锻造中也有着广泛的应用。液压传动可以传递更大的力和力矩，同时容易控制，因此，在液压机、短机、剪板机、操作机等设备中有着广泛的应用。 在目前的焊接技术中，只有压力焊中应用到了液压技术，如铁路钢轨连续闪光对焊机等。在焊接无缝铁轨的各种技术中，最为先进的是无预热连续闪光接触焊，具有众多优点，如功率小、焊接功率高、能耗低、自重轻等。

在金属的切削机床设备中，液压技术有着广泛的应用，如磨床、钻床、铣床、刨床等。采用液压技术的设备不仅可以实现大范围无极调速、具有较好的换向性能、便于实现自动工作循环，同时还能减少换向冲击、缩短换向时间。此外，液压技术也可以应用于机床的辅助设备，从而达到简化机床结构、提高设备的精度和自动化水平的效果。

2. 进给传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动；车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架；铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动。有的既要求快速移动，也要求慢速移动。这些运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；有的要求持续进给，有的要求间歇进给；有的要求在负载变化下速度恒定，有的要求有良好的换向性能等等。所有这些要求都是可以用液压传动来实现的。

3.往复主题运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往复直线运动并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低，因此都可以采用液压传动。

4.仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。起精度可达0.01-0.02mm 。此外，磨床上的成型砂轮修正装置亦可采用这系统

5. 辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等，采用液压传动，有利于简化机床结构，提高机床自动化程度。

6. 静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杆螺母机构等处采用液压静支承后，可以提高工作平稳性和运动精度。

简要归纳整理，液压传动及控制技术在工业生产中的应用如下：

工程机械：挖掘机、装载机、推土机、压路机、矿运机等；

起重运输机械：汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输等 矿山机械 凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等；

建筑机械：打桩机、液压千斤顶、平地机等 农业机械 联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等；

冶金机械：电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等 轻工机械 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等；

汽车工业:自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减震器等 智能机械 折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等。

四、液压传动与控制技术在工业中的展望

我国的液压技术是随着新中国的建立、发展而发展起来的，从1952年上海机床厂试制出我国第一台液压元件(齿轮泵) 起，迄今，大致经历了创业奠基、体系建立、成长发展、引进提高等几个发展阶段。

20世纪50年代初期，我国没有专门的液压元件制造厂，上海、天津、沈阳、长沙等地机床厂的液压车间自产自用仿前苏联的径向柱塞泵、叶片泵、组合机床用液压操纵板、磨床操纵箱及液压刨床、给液压机配套的高压柱塞泵等元件。此期间的液压产品多为管式连接，结构差，性能基本上是国际上20世纪40年代的水平。1959年，国内建立了首家专业化液压元件制造企业——天津液压件厂。

进入20世纪60年代，液压技术的应用从机床行业逐渐推广到农业机械和工程机械等领域，为了解决仿苏产品品种单调、结构笨重和性能落后的问题，并满足日益增长主机行业的需要，我国的液压工业从仿制开始走向自行开发设计的道路。60年代初，我国液压元件工业的统一规划组织及技术开发工作分别划归北京机床研究所、济南铸锻机械研究所、广州机床研究所和大连组合机床研究所等有关科研院所管理。1965年，为适应液压机械从中低压向高压方向的发展，成立了榆次液压件厂，并引进了日本油研公司公称压力21MPa 的中高压系列液压阀及其全部制造加工和试验设备。同时引进30万美元的液压元件国外样机，组 织测绘仿制。1966—1968年以广州机床研究所(现广州机械科学研究院，下同) 为主，联合开发设计了公称压力为2.5MPa 和6.3MPa 的中低压系列液压元件，包括方向、压力、流量三大类液压阀及液压泵、液压马达等共187个品种、1000余个规格，并相继批量投产。1966年，北京机床研究所研制成功了喷嘴挡板式电液伺服阀并用于电火花机床。1967年，济南铸锻机械研究所完成了32MPa 的CYl4—1型轴向柱塞泵的系列设计。1968年，在公称压力21MPa 液压阀系列基础上，有关科研院所和企业设计了我国第一套较为完整的公称压力31.5MPa 的高压液压阀系列图纸，并在有关液压元件制造厂陆续投入生产，在各行业获得广泛使用。到60年代末70年代初，随着生产机械化的发展，特别是在为第二汽车制造厂等主机企业提供高效、自动化设备的带动下，液压元件制造业出现了迅速发展的局面，一批中小企业也成为液压件专业制造厂。1968年我国液压元件年产量已接近20万件。至此已基本形成一个独立的液压元件制造工业体系。

20世纪70年代，在高压液压阀品种规格逐渐增多的情况下，为了实现标准化、系列化和通用化，扩大品种，提高质量，追赶国际先进水平。1973年，有关科研单位、高等院校、液压阀专业制造厂等10多个单位参加，组成液压阀联合设计组，在分析对比国内外同类液压阀产品的设计、结构、性能、工艺特点及国内液压阀生产现状基础上，完成了我国公称压力32MPa 高压阀新系列图纸的设计。该系列图纸吸收了国内外产品的优点，共100多个品种，3000多个规格，特别是使安装连接尺寸与国际相应有关标准得到了统一。1978年通过了全系 列图纸的审查，样机的试制、试验、鉴定等一系列工作，并推广全国生产。70年代期间，广州机床研究所开发研制成功电液比例溢流阀、电液比例流量阀，并与上海液压件一厂合作研制了JK 系列液压集成块(1973年) ；大连组合机床研究所开始叠加阀研究(1974年) ；北京机床研究所试制成功QDY2型电液伺服阀及DYM 型电液脉冲马达(1975年) ；济南铸锻机械研究所研制成功插装阀及其液压系统(1977年) 。同期，还研制成功了摆线转子泵及皮囊

式蓄能器等液压产品。可以说，整个?0年代是我国液压元件品种发展最多的时期之一。 进入20世纪80年代，在国家改革开放的方针指引下，随着机械工业的发展，基础件滞后于主机的矛盾日益突出，并引起各有关部门的重视。为此，原一机部于1982年组建了通用基础件工业局，将原分散在机床、农业机械、工程机械等行业归口的液压专业厂，统一划归通用基础件局管理，从而使该行业在规划、投资、引进技术和科研开发等方面得到基础件局的指导和支持。从此进入了快速发展期，先后引进了40余项国外先进液压技术（其中包括北京液压公司从原西德力士乐(REXROTH)公司引进的轴向柱塞泵和马达、高压液压阀，榆次液压件厂从美国威格士(VICKERS)公司引进的液压阀，德州液压机具厂从西德FAG 公司引进的超高压液压泵及阀等）。经消化吸收和技术改造，现均已批量生产，并成为行业的主导产品。近年来，行业加大了技术改造力度，1991～1998年国家、地方和企业自筹资金总共投入约16亿元之多。经过技术改造和技术攻关，一批主要企业技术水平进一步提高，工艺装备得到很大改善，为形成高起点、专业化、批量生产打下了良好基础。近几年，在国家多种所有制共同发展的方针指引下，不同所有制的中小企业迅猛崛起，呈现出勃勃生机。随着国家进一步开放，三资企业迅速发展，对提高行业水平和扩大出口起着重要作用。目前我国已和美国、日本、德国等国著名厂商合资或由外国厂商独资建立了柱塞泵／马达、转向器、液压控制阀、液压系统、静液压传动装置、液压件铸造、橡塑密封等类产品生产企业50多家，引进外资2亿多美元。同时，广州机床研究所自行研制成功了电液比例复合阀(1980年) 、电液数字阀(1985年) 和GE 系列中高压阀(1989年) ，同期还有大连组合机床研究所的叠加阀系列、低功耗电磁阀、凸轮转子泵、低噪声叶片泵等以及新原理电液比例阀及电液集成块等成果。

经过近半个世纪的努力，我国液压行业已形成了一个门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。据1995年全国第三次工业普查统计，我国液压工业中，乡及乡以上年销售收入在100万元以上的国营、村办、私营、合作经营、个体、“三资”等企业共有约700家，形成了国内自行开发、引进技术制造、合资生产、仿制消化的多元化格局。通过技术引进、自主开发和技术改造，高压柱塞泵、齿轮泵、叶片泵、通用液压阀、液压缸等一大批产品的技术水平有了明显的提高，并可稳定地批量生产，为各类主机提高产品水平提供了保证。另外，在液压元件和系统的CAD 、污染控制、比例伺服技术等方面也取得一定成果，并已用于生产。目前，液压产品有1200个品种、10000多个规格(含液力产品60个品种、500个规格) ，已基本能适应各类主机产品的一般需要，为重大成套装备的品种配套率也可达60％以上，并开始有少量出口。按1996年国际同行业统计，我国液压行业总产值23．48亿元，居世界第6位。1998年国产液压件产量480万件，销售额约28亿元(其中机械系统约占70％) ，液压产品产销率为97．5％。充分反映了产销基本衔接。据统计，2004年液压行业工业总产值(现行价) 达约103亿元，首次突破100亿元，创历史最高水平。目前，我国的液压元件制造业已能为包括金属材料工程、机床与汽车工业、电力与煤炭行业、石油天然气探采与化工装备、矿山及冶金机械、铁路与公路运输、建材建筑、工程机械及农林牧机械、家电五金、轻工纺织、航空与河海工程、计量质检与特种设备、国防及武器装备、公共设施与环保等行业在内的多种部门提供较为齐全的液压元件产品。

1990年中国液压气动密封件工业协会成立，为振兴发展我国的液压、气动、密封件工业发挥了重要作用。在科研与生产发展同时，我国液压行业的标准化工作也有了很大发展。截止到2004年5月底，国内共有液压气动标准145项(国家标准79项，行业标准66项) 。这些标准多数与国际标准化组织(1SO)所颁布的同类标准相一致，从而为提高我国液压元件的标准化、系列化、通用化程度，组织专业化生产，提高产品的性能、发展新品种和互换性，以及国际间的技术交流及机电产品配套出口贸易提供了有利条件。

应当指出，尽管我国液压工业已取得了很大的进步，但与主机发展需求及和世界先进水平

相比，尚存在不少差距，主要反映在：

1.产品品种少(例如约为美国的1/6，德国的1/5)，水平低，质量不稳定，早期故障率高，可靠性差（例如齿轮泵的工作压力，国内一般为14MPa ，国外为21～28MPa ；柱塞泵的寿命国产的为5000h ，比国外低1/2，噪声比国外高5～10dB(A)），液压阀的寿命为国外的1/2，特别是机电一体化的元件和系统，国内尚未广泛应用；

2.专业化程度低，规模小，经济效益差(例如2000年国内135个液压件厂年平均每个厂生产5.16万件，年产30万件以上的只有5家，产值超过2亿元的企业只有3个， 而德国力士乐公司年产各种液压产品130万件，而美国派克公司1999年销售额46亿美元) ；

3.科研开发力量尚较薄弱，技术进步缓慢(例如国内企业虽然政策规定可以提取销售额的1％，用于企业的科研开发，但很多企业无力支付，而各大著名跨国公司用于科技开发的资金占其销售额的5％，甚至高达10％) ；

总结语：液压技术作为便捷和廉价的自动化技术，有着良好的发展前景。液压产品不仅在机电、轻纺、家电等传统领域有着很大的市场，而且在新兴的产业如信息技术产业、生物制品业、 微纳精细加工等领域都有广阔的发展空间。脚踏实地，放眼未来，经过行业的共同努力，我国的液压工业一定能走进一个新天地。

参考文献：

[1] 彭熙伟主编：流体传动与控制基础。北京：机械工业出版社，2010

[2] 张平格主编：液压传动与控制。北京：冶金工业出版社，2008

[3] 严金坤，张培生主编：液压传动。 北京：国防工业出版社，1979