原文:Sara Jensen
编辑:腾益登
为了继续充分利用这些系统提供的优势,有必要整合现代技术并重新评估液压技术的可能性。
液压系统是一系列应用中重要的运动控制形式,并且将继续保持这种地位,这在很大程度上归功于它们可以提供的能量密度。但根据液压开发商 Domin 最近发布的白皮书,这些系统在技术进步方面已经停滞不前,导致效率低下。
该报告引用了《工程杂志》上发表的一项研究,该研究表明,由于效率低下,液压系统可能会浪费高达 70% 的输入能量。报告中引用自Oak Ridge National Laboratories的另一项研究表明,大多数系统的效率仅为 22%。
Domin 首席执行官兼白皮书作者 Marcus Pont 在接受 Power & Motion 采访时表示:“在液压领域,我们已经有大约 70 年没有看到任何技术创新了,也没有任何新技术让这个行业向前迈进一步。”
然而,该公司认为,金属 3D 打印、先进电机、传感器和尖端控制算法等现代技术的集成是推动液压系统发展以满足不断发展的车辆和机器设计要求的一种手段。
通过为其自己的液压阀设计这样做,Domin 能够制造出在紧凑封装中提供改进控制能力的组件。
Domin 如何将现代技术应用于液压阀
Domin 的直驱液压伺服阀采用了公司的两项技术创新:
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能够以极高的速度非常精确地控制液压油
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紧凑而智能的液压能量产生系统。
据 Pont 介绍,这些想法是在公司遇到金属 3D 打印(也称为增材制造)时实现的,因为它提供了“重新思考我们在液压领域内如何做所有事情”的机会。
他解释说,液压系统需要光滑、有机的结构来帮助传输流体。3D 打印可以更好地实现这些目标,因为它可以创建传统制造通常无法实现的不同几何形状。例如,Domin 的标准 S6 Pro 阀门在阀门内设有螺旋通道,以增加液压流体的流量,因为更弯曲的内部结构更有助于流体流动。
此外,3D 打印允许创建更多集成组件并减少材料使用,从而减轻重量并实现更紧凑的设计。
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Domin 液压伺服阀的横截面图展示了其中包含的各种技术,包括磁性霍尔效应传感器、无刷直流电机以及阀门内部 3D 打印通道的使用。 |
他说,使用更现代的电动机、传感和模拟方法也有助于公司液压阀的开发。集成放大器可实现数字控制,从而提高控制能力以及数据收集、通信和远程监控功能。
无刷直流电机的加入使阀门调节平稳且可控,而磁性位置感应则允许在不到 3 毫秒的时间内调整阀芯位置。
增材制造可实现定制液压阀设计
Pont 表示,使用 3D 打印技术使 Domin 能够定制其液压阀。在与 INEOS Britannia 团队合作时,他们就遇到了这种情况,当时该团队希望提高其赛艇的性能,该赛艇将在 2024 年美洲杯上使用。该团队看到了通过改进对船的液压系统控制来实现这一目标的机会。
据 Pont 称,该团队正在寻找一种液压技术,该技术既能提供高精度,又能节省能源,体积小,同时还能在高压下运行。不过,这些属性往往是相互竞争的。
“你可以拥有小而精确的 [组件],但当你开始增加压力时,有时效率和精确控制的能力会变得越来越困难,因为力 [增加],”他解释说。“[对于] 效率部分,随着压力的增加,你更有可能通过产品内的任何小泄漏路径产生损失。”
当 INEOS Britannia 联系 Domin 公司,询问其是否有产品可以满足其要求时,Pont 表示,该公司开始调查使用其 S6 Pro 阀门的可能性。尽管基础测试结果令人满意,但帆船比赛队还是要求 Domin 公司定制阀门,使其能够在更高的压力下运行,同时将效率提高约 90%。

Pont 表示,Domin 通过使用金属 3D 打印“通过一定程度的定制来有效提高其压力等级”,从而满足了团队的要求。
此外,他表示,公司使用先进的模拟技术,特别是与有限元分析和应力分析相关的技术,结合计算流体动力学来调整液压系统的歧管和控制器,以处理 INEOS Britannia 团队所需的更高压力。
“这些压力几乎超出了我们在任何其他行业所经历的任何压力,而且必须持续 [无限],”他说。“正是通过进行应力分析、使用 3D 打印快速迭代、测试和反馈,我们才能够 [实现这些压力]。”
控制此应用中使用的液压阀的软件也需要进行更改,以使所有组件能够在更高的压力环境中工作,同时实现 INEOS Britannia 团队所需的高速度和精度。
对更高压力和更小系统的需求要求我们重新思考液压系统
Pont 表示,通过与 INEOS Britannia 合作开发的液压阀产品的主要优势之一是,它展示了在更高压力下运行整个液压系统的能力。
他说,从航空航天到工业,许多行业都在向增加液压系统压力的方向发展。“如果你能管理更高的压力,你几乎可以免费获得功率密度,”他解释道。
Pont 表示,在航空航天领域,目前看到低于 5,000 psi(345 bar)的液压系统已经变得不常见。“我们开始看到越来越多的人要求增加压力。”
当你在更高的压力下运行系统时,他说“你可以缩小一切。你可以缩小系统周围的液压管路,移动系统 [和] 歧管的执行器的尺寸。”
减小液压系统的尺寸可以提高效率,同时也有助于减少机器的整体重量和尺寸,从而带来诸如减少材料和能源使用等好处。
Pont说,人们希望从他们的机器(无论是移动式还是固定式)中获得更多功能,但又不增加其尺寸。他说,实现这一目标的唯一方法是使部件更小。使用更高压力的系统可以实现这一点。

与流体动力行业的许多其他人一样,Pont 也将使用分散式系统视为克服当前液压系统面临的一些挑战的一种手段。Domin 开发了一种径向活塞泵技术,可以帮助实现这种系统架构,他说。
通常,液压泵位于车辆或机器的中心,软管和其他组件连接到它,贯穿整个结构。另一方面,Domin 径向活塞泵可以采用更集成的方法来创建分散式系统。“我们可以将这种径向活塞泵与我们的阀门技术相结合,我们可以在其中放置管理油所需的蓄能器和储油器,并将其本地连接到需要运动的地方,”Pont 解释说。
“我们认为液压系统的未来将是一个分散式系统,我们能够真正提供液压带来的所有好处——能量密度、高效运行的能力——但不会存在管理大型系统的一些缺点,这些系统需要大量的组装时间、更重、维护成本更高,”他说。

“这确实是我们看到的行业趋势,即向电动静液驱动发展,”他继续说道。“回到工程学的第一原理,使用金属 3D 打印和我们提出的先进控制和先进传感器,我们确实能够以比现在更好的方式实现电动静液控制。”
电动静液驱动据称将液压和机电技术的最佳部分结合在一起,既能提供液压提供的高力,又能提供机电的节能。
Pont 表示,各行各业都在寻找更智能的能源利用方式,尤其是随着它们进一步走向电气化,而电动静液驱动可以提供这种能源。他认为,由于未来几年可能发生的所有进步,未来 10 年液压系统将几乎面目全非。
通过转向分散系统和电动静液驱动,他说,这将提供在车辆层面实现电气化的机会,而无需在驱动层面使用它。
“我们认为,业界并不真正关心驱动是液压的还是电动的,只关心车辆是电动的。我们认为,这是最终实现电气化并保持液压优势的机会。
“液压的优势将继续存在,只需以适合现代世界的方式实现。我们仍在使用 20 世纪的液压系统,它们正在与 21 世纪的机电系统竞争。我们需要将液压技术带入 21 世纪,以便它能够适应当今的系统和车辆,”Pont 总结道。
原文始发于微信公众号(液压传动与控制):通过新技术开发实现液压系统的现代化
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