可調式密封圈(洪格爾)
圖1是洪格爾公司提出的可調式密封圈,本人第一次見到,覺得很新奇。我剛才才了解到,這其實不是新發明,十年前就有了。還聽說在中國至今還沒有賣出一個,覺得十分可惜。它是怎么工作的呢?密封圈是靠預壓緊它的唇邊,保證密封,在活塞桿往復運動的時候把油封住的。但是運行時間一長,磨損以后,密封唇邊的壓力就會降低,低到一定程度就會失去密封的效能。洪格爾公司的發明在于把這個密封圈做成空心的,里面灌了潤滑脂,然后這里裝了一個接點。如果發現它不密封了,通過這個接點增加一些潤滑脂,那么又會重新得到密封壓力。其實原理非常好理解,一說大家都懂,關鍵是他們發明出來了。在漢諾威展覽會上洪格爾公司做了演示:液壓缸往復運動,看到有泄漏了,就在這里增加一點壓力,馬上泄漏就沒有了,效果非常明顯。洪格爾公司2014、2015年PTC的展臺也有展出,相信大家已看到。
圖1 可調型密封圈(洪格爾)
這么一個小小的發明,所創造的價值是非常高的。大家知道,液壓缸一般有三組密封。端蓋和缸體間,是靜密封,一般不太會壞。另外兩組是動密封,一組是在活塞上的,另一組是在活塞桿上的。活塞做往復運動,但兩邊都是油,只要油液不是太臟,活塞密封的工作環境還是比較好的。工作環境最惡劣的是活塞桿密封,因為外界的雜質可能通過防塵圈進來。另外,如果活塞桿磨損了,也會造成密封件的損壞。如果漏油了,要換,就必須拆,要把活塞桿完全抽出來,然后才可能換。如果一個大的液壓缸活塞桿密封漏了,想換,怎么換?怎么把活塞桿抽出來,恐怕沒有起重機不行。如果是4、5萬噸的壓機,液壓缸要換密封圈,我都不知道怎么換,要花多少時間。這種壓機一個小時的工價就要至少幾萬元。船用打樁機的液壓缸長度大概是20米左右,怎么換,一般沒有上千噸的起重機可能沒法換。所以你不要看這個發明的成本很低,但它創造的價值還是很高的。如果換一下密封圈要花幾百萬元,顧客當然愿意花幾十萬元來買這個密封圈,可惜在中國還沒有用。有日本公司請洪格爾公司造了一個液壓缸,行程20米,自重200噸,上面就用了這個可調性密封圈,而且是全自動的。自動檢測,如果檢測到密封漏油了,它會自動加壓。
防塵圈(洪格爾)
在漢諾威展會上還看到洪格爾公司一個防塵圈的演示做得非常好,我特地拍了一段錄像。活塞桿背后是冷凍器,所以過幾分鐘后,活塞桿上就結了一層冰(圖2)。用這個防塵圈,活塞桿一個往復,就干干凈凈。整個展會期間,每幾分鐘一個往復,用此證明防塵圈質量過硬。
圖2 可調型密封圈(洪格爾)
二維碼(力士樂)
力士樂說,作為邁向工業革命4.0的努力,它的所有產品上現在開始都會加二維碼。你一掃,就可以把產品的特性數據或易耗件的信息讀到你的手機里。
液壓缸上也都有這個碼,一掃以后,把這個基本類型讀進去了,然后你就可以輸入你需要的活塞桿直徑、活塞直徑、行程長度等等數據,完成以后,那邊全部到它工業4.0的那套管理系統去,可以做到15天交貨。想想吧,前幾年,力士樂泵的交貨期曾長達75個星期,現在利用網絡,可以高度靈活,實現低成本的個性化定制。
油液狀況傳感器
在這次展會上還看到派克公司新推出的油液狀況傳感器(圖3)。油液狀況傳感器在歐美的應用已經越來越多,特別是由于風力發電機需求的推動。通過它可以監測到油液的黏度、相對濕度、導電率、介電常數等等。我們都是搞液壓的,都知道液壓油工作一陣要換。但應該多長時間換一次呢?其實,按時間換油的規定是不科學的,因為實際工作情況、環境不同,油液的老化情況也不同。而且液壓油也很昂貴,所以在歐美,越來越多地使用油液狀況傳感器。比如說,根據黏度變化。使用過程中,油液的黏度逐步下降,降到一定程度,然后換。這樣才比較合理,既能保證性能,又省錢還環保。
圖3 油液狀況監測
光學條紋位置傳感
MTS公司早就推出了液壓缸用的磁致伸縮位置傳感器。可以隨著活塞的運動,測出活塞的位置,輸出電信號,可以達到微米級的精度。那么有沒有其他辦法呢?這次看到一種新的,光學條紋電子傳感器。光柵,大家知道,可以精確地測出位置。但普通光柵有一個很大的局限性,它給出的是相對位移,相對于原來位置變化了多少。所以,一旦停電,數據丟失了,就不知道在什么位置了。因此,重新啟動以后,必須回到某一個零位,校對一下,再從這里開始重新確定位置。派克公司新推出了一種的用于液壓缸的光學條紋傳感器(圖4):活塞桿上面刻了很多粗細間距不一的條紋,在端蓋兩邊各裝了一個位置錯開的光學傳感器,監測條紋的變動。條紋的寬窄是有講究的。現在位置分辨率已經達到0.1mm,對于一般應用來說已經夠了。
圖4 光學條紋位置傳感(派克公司)
碳纖維油缸和蓄能器(派克)
碳纖維油缸2013年就有了,在這次漢諾威展會上派克公司展出了三個不同的碳纖維油缸。碳纖維油缸的接頭部分要有連接螺紋,這個還沒有辦法用碳纖維制造,所以還是用金屬。碳纖維和金屬接頭的連接部分比較粗。在今年展出的就不那么粗了。說明纏繞技術改進了。碳纖維的重量只有鋼的三分之一,當然鋁也只有鋼的三分之一,但鋁不耐腐蝕,碳纖維耐腐蝕,抗拉強度非常高。對于航空航天領域,元件重量以克來評價的,采用碳纖維就非常有價值了。派克展出的活塞桿還是金屬的。這次漢臣在PTC也有展館,但碳纖維的沒拿來展出。漢臣在漢諾威展會上展出了,說通過改進纏繞技術,提高了剛性,現在活塞桿都能用碳纖維做了,整體的活塞桿和活塞全部是碳纖維的。活塞桿由于比較細,很容易失穩折彎,通過改進纏繞技術,提高了剛性,不易折彎。
這次展會上還看到派克使用碳纖維制造的蓄能器,重量大大減輕了。現在,蓄能器在節能上起很大的作用,混合型汽車等都需要。當然要考慮重量,那么采用碳纖維就很有利。
緩沖油缸(賀德克)
賀德克公司在漢諾威展會展出了緩沖油缸。圖5是前幾年搞的,有桿腔通大氣,無桿腔有油,連到蓄能器,擴大了它的緩沖范圍。這次,他們又提出新的改進(圖6),把蓄能器省掉了。無桿腔直接是氣。端蓋上連了一個小的蓄能器,里面藏了一點點油。端蓋里,兩邊是密封,當中是導向,這里面有油。活塞桿進出時,始終能接觸到一點油,這就夠潤滑了。這樣,減重25%,需油極少,安裝方便。
圖5 緩沖油缸 圖6 緩沖氣油缸
過濾器(雅歌輝托斯)
在展會上還看到一個新的雙聯高壓過濾器(圖7),雅歌輝托斯做的,在本屆PTC也展出了。它的特點是可以不間斷工作地更換濾芯。如果一個濾芯攔截了很多污染物,兩側的壓差超了,可以用手柄切換,讓另一個濾芯工作。這個其實并不新,以前就有。但是切換手柄需要很大的力,因為是高壓。雅歌輝托斯通過特殊設計,切換的閥變成套筒轉閥形式,不承受壓力,所以可以很輕松的扳過來。扳過來以后,這邊完全卸荷,就可以輕松地把這個外殼卸下來,更換濾芯。
圖7 雙聯過濾器
液壓泵(力士樂)
在漢諾威展會上力士樂展出了一個電調制泵(圖8)。有一個傳感器監測斜盤的擺角,把信號傳到控制器,控制器再給出控制信號到變量機構,控制斜盤擺角。這么一來,不管是恒功率、恒壓還是負載敏感控制,都可以通過區域總線或者預先設置在里面。然后根據指令信號,就可以實現所需要的功能。這里的難點是頻響問題,電控變量機構的頻響是否足夠高。它既然展出了,我想大概是已經解決了。
圖8 電調制泵
雙作用葉片泵,由于作用力平衡,泵軸上既沒有軸向力,也沒有徑向力。力士樂干脆把聯軸器取消了(圖9)。在伺服電機的轉子中打了一個孔,把泵軸直接插進去。體積縮小了、材料節省了、成本降低了,性能也更好了。
圖9 無聯軸器的雙聯葉片泵
力士樂的A4V泵屬于重型泵,這次展會上宣稱,A4VHO型的最高工作壓力已經達到630bar了。
電液作動器
這次展會上看到電液作動器非常熱門。電液作動器,又被稱為自治缸,電機、泵、油箱、液壓缸一體化了,只要接上電源,給個位置、速度指令就可以工作了。
圖10的這套東西韋伯液壓推出的,是用于控制一個車輛的轉向前橋。液壓缸也就是利用這套裝置驅動的。這里給電信號,然后變速電機驅動泵,供應油液給液壓缸,全部電控。
圖10 卡車前橋用電液作動器
福伊特公司2013年就推出了它的電液作動器,據說它的電液作動器可以多種安裝形式,非常靈活。這一個是帶蓄能器的。沒有油箱,就用蓄能器。這里是電機、泵、然后一些控制閥,最后液壓缸。
漢斯(HAINZL)公司展出的電液作動器使用了兩個活塞式蓄能器。液壓缸比較大,可能出力也相當高。
圖11是布赫公司展出的電液作動器,也全在里面了。電線從這里進去,控制閥在這里。據說已經用在注塑機上了。
圖11 注塑機用電液作動器
力士樂2013年就展出了一套電液作動器,上面寫著25噸。電機、泵、然后是油箱、閥等雜七雜八都在這里面,這次展出的更精簡了。泵、電機,稍微有幾個閥,驅動力可以達到40噸。現在力士樂已經可以提供大小多種型號,推力從500~2500kN(也就是250噸),速度最高可以到1000mm/s,行程******可以到1800mm,還可以帶位置、壓力或者力控制。
這些電液作動器用的是差動液壓缸閉式回路,關鍵是差動缸兩邊面積不同,進入排出的流量就不同。其實它的回路并不神秘。往往是用雙聯泵,一個泵和液壓缸相連,還有一個泵與蓄能器或油箱相連,多余的油就通過這個泵到蓄能器去。圖12是一種全閉式的回路。圖13是半閉式的回路。部分循環,部分多余的油回油箱。注意,這些閥主要起安全作用,平時基本不工作。因為主回路上沒有任何閥,所以非常節能。
圖12 全封閉型電液作動器回路
圖13 半封閉型電液作動器回路
圖14是全開式的,一個泵馬達與無桿腔相連,另一個泵馬達與有桿腔相連,這是調速電機,這樣就全解決了。
圖14 全開式電液作動器回路
四象限回路可回收能量
圖15是力士樂推出的所謂四象限回路,可以回收能量。一個普通的液壓缸,兩腔分別和一個雙聯泵相連。在工作的時候,即使有負負載(外加的載荷)驅動液壓缸動,也可以通過電機把能量回收。因此,可以四象限動作。力士樂的展板說,使用傳統回路,如果從電網輸入的能量算作100%的話,電機要損失大概12%,液壓泵總效率86%,也是損失12%。使用普通閥控回路,在閥處損失的能量可能要達到40%~60%,所以,最后真正有用功可能只有電網輸入的16%~30%。那么采用剛才所說的這種容積回路呢,電機還是有這些損失,泵也還有損失,個別閥還有些損失,但小得多,有用功可以達到70%,能效大大提高。
圖15 四象限回路
差動缸閉式回路(力士樂)
這次回國之前,在雜志上看到力士樂新提出一個回路(圖16):用兩個差動缸組成了閉式回路,四個二位二通閥,輪流開通,也可以完成所有工況。所謂液壓缸的閉合回路,就是在里面循環的油不再直接和空氣接觸了,這樣可以避免油液被氧化,也可以避免帶入氣泡。我后來仔細分析了一下,確實可動作,就是這些閥輪流開啟,甚至還可以回收能量。
圖16 差動缸閉式回路
波浪發電
這次我到亞琛工大流體技術研究所去,看到人家委托他們測試的一套東西(圖17),液壓缸大約2米長。我問穆任霍夫教授:這個有什么新鮮的嗎?他說這是1:10的模型,也就是說,真正的液壓缸要2米長。用于波浪發電。各位如果見過海嘯的錄像,就可以體會到,因為水的密度比空氣高得多,波浪里面含有的能量會遠超過風,所以,波浪發電可以取得的能量也會遠超過風力發電。歐共體在蘇格蘭海岸設立了一個試驗場,專門試驗波浪發電。
圖17 模擬潮汐發電試驗裝置
風力發電機用的泵
講到風力發電,不知道各位看到的******的泵功率是多大。我算了一下,力士樂的500排量的泵,在300bar時,才是250kW。圖18中的泵也是軸向泵,1600kW,日本三菱重工做的。有一個2700kW的泵已經在蘇格蘭海岸在實驗了,目前三菱重工正在制作一個7000kW的泵,那肯定還要大得多。
圖18 風力發電用液壓泵
風箏發電
最后還要提一下利用風箏發電,這次漢諾威展會上有一個公司在介紹。其實,越高的地方風越大,這就是為什么現在風力發電機要拼命造得高。但是從地面上造,越往上越不容易造。現在2MW的水平軸發電機,已經要達到150米左右的高度,光是安裝費用就要好幾百萬元。而用風箏就很容易到3、5百米的高空。這個公司說:他們20kW的樣機去年已經試驗成功了,今年正在準備200kW的樣機。他們的風箏不是普通的風箏,是由空氣動力學家特殊設計的,像飛機翅膀,飛行姿態是可控的。通過改變角度可以像圖19所示那樣:從收回的狀態逐步放出去。通過控制,讓這風箏走8字形。就在這過程中把鋼纜不斷往外拉,從而帶動發電機發電。到鋼纜全部拉完以后,再控制它快速下降,降到低處后再開始這么走8字形。大概就是這么個過程:不用的時候停在低處,然后開始轉圈,一點點上去,到最高了,嘩一下下來,然后再重復。這也是一個很好的創新。
圖19 用風箏發電
我的體會是,探索是創新的前提,我們要努力探索。改進也是創新。不斷改進,再小的改進都是進步。