绿色理念：液压技术发展的动力

， ， (武汉科技大学 机械自动化学院， 湖北 武汉 430081)

引言

液压传动与控制是当代力能传动的重要分支，由于具有许多优点，所以在某些传动中有着不可替代的作用，如重载高频响设备、大速比的无级调速设备等，采用液压传动更具优越性。在科技快速发展时代，对于液压设备，必须充分考虑设计、制造、使用、回收以及对环境影响等环节，做到制造时间短、产品质量高、生产成本低、资源消耗少、环境影响小、维护成本低等。从这几方面看，已将过去企业生产液压设备主要考虑经济效益扩展到既考虑经济效益又考虑社会效益[1]，这就是我们所说的绿色理念。

液压设备是机电产品的一个重要分支，而机电产品是制造业的重要组成部分。机电产品绿色制造的理念体系和技术包括： ① 绿色制造理论体系，侧重研究绿色制造建模、运行性质、可持续发展、系统和集成特性、可靠性与寿命等； ② 绿色制造体系结构和生命周期，主要研究其目标和功能体系，信息获取与分析，生命周期中资源如何循环利用或再生； ③ 绿色制造系统运行模式，实现企业和生态环境的整体优化，达到产品质量高、成本低、服务好、不破坏或影响环境，这是一种环境友好型产品，能受到用户欢迎； ④ 绿色制造应建立物能资源控制系统，重点研究物能资源消耗，面向环境友好型材料选择，物能资源的优化利用，液压设备生命周期在物流和能源的管理与控制等；⑤ 绿色制造工程最优化，是为了实现对人类社会环境影响小、设备性能好、成本低、重量轻的设备进行理论与实践研究[2-4]。

液压设备绿色制造是我国循环经济一个重要组成部分。循环经济已成为我国和国际社会推进可持续发展战略的一种全新的经济运行模式。它强调有效利用资源和保护环境，形成友好型社会，具体体现为“资源利用→产品形成→再生资源→再生产品”的持续循环增长方式，更体现环境友好，做到生产和消费“资源能源消耗减量，污染物排放最少，废弃物再生资源利用增加”，以最小发展成本获取最大经济效应、社会效应和生态效应[5,6]。

1 液压设备绿色制造研究现状

绿色制造又称环境意识制造、面向环境的制造等。在上世纪80年代开始，随后比较系统地提出了绿色制造概念、内涵和主要内容的文献是美国机械工程师学会(ASME)于1996年发表的关于绿色制造的专门蓝皮书。后来逐步遍及到加拿大、西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量研究。我国近些年来对绿色制造及其相关问题也进行了大量研究，已取得了不少研究成果。在液压设备绿色制造研究中，早在上世纪80年就提出了液压噪声控制，降低噪声对人身体的健康影响；由于液压系统油液泄漏污染环境，提出了污染控制；液压系统工作介质一般采用液压油，这种工作介质在一定温度下容易燃烧，因而提出采用难燃工作介质等等。当时并没有提高到绿色理念来认识，但同属于绿色制造范畴[5]。

多年来，噪声控制是人们十分关注的问题，降低液压系统噪声对人体影响是一项重要研究内容，在噪声控制中，声功率是一个重要物理量，在液压元件方面的研究有：

(1) 液压泵 如对柱塞泵产生噪声的机理分析，主要为压力突变激发、气蚀激发、斜盘力矩正负突变激发、泵工况参数对泵噪声的影响等。在降低噪声研究过程中，配油盘采用三角槽式结构并增加变量部件刚度后，对25SCY14-1B柱塞泵进行试验，在供油压力为32 MPa、转速为1500 r/min、斜盘倾角为18°的条件下，采用三角槽结构后其噪声由原来82.1 dB(A)降到77.3 dB(A)，效果比较明显。对63SCY 14-1B柱塞泵采用三角槽结构并增加变量部件刚度后，其噪音由原来89.5 dB(A)降到79.5 dB(A)，同样降噪声效果明显[7]。同时还提出了纯预压和减压式配流盘、节流孔式配流盘等[2,7]。对齿轮泵产生噪声的机理进行分析，得出产生噪声的主要原因：①由于困油现象造成压力冲击或气蚀；②由于齿轮制造存在误差，当其啮合运转时，牙齿可能受到突然加载时产生的冲击而引起振动；③流量的脉动引起压力脉动；④轴承精度不高或安装不良。为了消除或降低噪声，提出了在侧板上开偏置式卸荷槽，与对称式卸荷槽结构相比，使其噪声降低了15 dB(A)。对叶片泵产生噪声的机理进行分析，得出产生噪声的主要原因：①泵在运转过程中，叶片与定子内表面曲线之间的摩擦、碰撞等；②当两叶片之间的工作腔由吸、排油腔之间的封油区进入排油或吸油腔时，由于两者压力不等，油液流动压力变化较大，对叶片等部件产生较大的冲击；③流量脉动激发；④由于吸油性能差而产生气蚀；⑤转子和轴承运行不良，造成振动。因此，在双作用叶片泵配油盘上开双向三角槽，可以消除排油时压力冲击，并使吸油开始时的压力变化趋于平缓，有效地降低噪声。

(2) 溢流阀 通过对产生噪声的机理进行分析，得出产生噪声机理有：①气蚀与流体流动漩涡脱离； ②调压弹簧与导阀组成的质量——弹簧系统，在工作中自激振荡，其主要影响因素是导阀前腔容积，导阀前腔阻尼孔、导阀半锥角以及导阀排油孔直径等。为此，提出了改进主阀口结构和主阀芯尾蝶结构，确定背压力临界值，加消振垫结构和设计出合理的回油直径等措施[7]。

(3) 管道 对其共振产生的噪声进行了大量研究，均取得了较好效果[2,7]。

为了减少液压系统对环境的污染，近年来也做了大量工作，从治理漏油和防止漏油出发，在元件设计、密封材料和结构、防止因振动使连接部位松动而泄漏等方面做了许多研究，取得了不少成果。为了减少加工制造过程中的废弃物和降低液压设备对环境的影响到最低限度，实施废弃物最小化加工工艺，减少切削量，采用干切削、精密铸造等。为了降低液压油消耗，研究采用海水或水乙二醇作为工作介质的液压元件和系统。为了降低能量损失，研究节能元件和液压系统，如采用功率回收系统等。液压设备基本上由钢铁、铜、铝、石油、橡胶等材料组成，我国这些资源十分匮乏，目前原油的35%、铁矿石和氧化铝的40%、铜和天然橡胶的60%以上依靠进口，增大了国民经济和社会发展的风险。另一方面，每年约有500万吨的废钢铁(包含液压设备)、20多万吨废有色金属、大量的废橡胶和废塑料、废旧电子产品等废弃物没有回收处理，既浪费资源，又污染环境[6]。液压设备作为循环经济的一个组成部分，再生资源回收利用必须纳入液压设备绿色设计中。

2 绿色理念液压设备的内容体系和决策

2.1 绿色理念液压设备的研究内容体系

分析国内外多年研究工作和成果，如何适应经济社会发展需要，液压设备如何体现绿色理念方面等，还有大量工作需要研究。其研究内容体系框架如图1所示[5]。

图1 绿色理念液压设备的研究内容体系

设计制造绿色液压设备是一个全方位系统工程，首先要有理论体系支撑，科学合理设计制造，建立数据库和知识库，寿命评估，并取得用户支持。这样绿色液压设备方可得到广泛应用，绿色液压技术才能取得进步[8,9]。

2.2 绿色理念液压设备的决策思路

对于液压元件和液压系统的生产及应用单位，提高企业的经济效益是首位，但为了经济效益而影响社会环境，人们的健康和生存是不允许的。经济效益不断增长，同时也应保护环境。因此，发展绿色理念液压设备是极为重要的。综合各因素，提出绿色理念液压设备的决策思路，如图2所示[5](图中间各框内箭头向下表示减小、下降，箭头向上表示提高)。从图中可以看出，过去设计制造一台液压设备仅从经济效益角度来决策。进入到21世纪时代，决策思路应扩展到考虑对社会环境的影响、资源的消耗和利用、科学处理废旧设备、尽可能提高废旧液压设备的利用率等。所以，设计制造一台液压设备，除了考虑经济效益，还要考虑社会效益以及社会资源和对环境影响等诸多问题[10]。

图2 绿色理念液压设备的决策思路

3 发展绿色理念液压设备应开展的技术工作

在创新驱动战略的大好环境下，液压设备必将获得较快发展。围绕绿色理念研制出的液压设备必将受到用户和社会欢迎，因此应开展如下关键技术工作。

1) 智能化

人工智能和制造技术将在绿色理念液压设备设计制造中发挥重要作用。人工智能研究起源于20世纪50年代，开始是以游戏、博弈为对象，其后开发了实用型专家系统，到20世纪70年代末，专家系统应用于工程领域，并逐步延伸到液压技术领域。基于专家系统，人工神经网络系统、模糊系统和灰色系统等人工智能技术将在绿色液压设备的设计和制造中起到重要作用[2]。绿色理念智能化不能局限于解决某一问题，应具有其特性，并系统性地形成产业链结构型式。因此，对液压设备智能化要求有：

(1) 智能化所开发的软件必须符合工作机构动作、精度要求[11]；

(2) 智能化应有效减轻人的劳动强度；

(3) 智能化要求可靠性高、成本低；

(4) 智能化开发的软件应具有操作和控制方便，较好地自动完成工作循环，较大程度减少能量消耗[12-14]。

(5) 应具有远程检测与控制功能；

(6) 智能化液压元件和液压系统效率高，能源及原材料消耗低[15]。

在工程实际应用中，应该运用人工智能基本知识设计和制造对环境影响很小的液压设备。同时，绿色液压设备评估指标体系及评估专家系统，也需要人工智能和智能制造技术等[16]。在智能化液压元件开发中，武汉科技大学机械自动化学院湛从昌教授、陈新元教授等开发的自适应变间隙密封液压缸，这种缸能克服无密封圈恒间隙密封液压缸存在的缺陷，即解决了当压力增大时泄漏量随之增大的技术难题。自适应变间隙密封液压缸频响高，特别适应高频响应液压智能控制系统，已获得国家发明专利授权[17]。国内外一些专家学者在开展液压设备智能化技术工作中，与机械手、机器人等配合，研发智能液压系统。在数字阀基础上研发智能阀、智能液压缸等，构成机电液高度集中化的智能液压元件和液压系统[18]。这样，有利于降低人的劳动强度，有利于人的身体健康。

2) 并行化

绿色并行工程将成为绿色液压设备研发的有效模式。绿色设计是绿色液压设备制造的关键技术[16]，研发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期，从构思形成到产品报废及处理方法的所有因素，包括性能、成本、寿命、用户要求、环境影响、资源消耗和废旧物处理等。并行化设计原则如下：

(1) 并行化设计时，首先考虑的是保证液压系统和液压元件的性能；

(2) 并行化设计中以主体设备本身基本要求为前提，还要考虑设备体积、重量、客户对外形的要求等；

(3) 并行化设计中尽可能选用标准化、通用化的零部件及元件，便于设备报废时有些零部件可再利用；

(4) 并行化设计要考虑经济性，有利于销售；

(5) 并行化设计时应将环境影响降低到最小；

(6) 液压油是液压系统的主要工作介质，为了减小其产生的污染，在并行设计时，要始终坚持“预防为主，治理为辅”的原则[9]。

绿色并行化工程比较复杂，有着一系列核心关键技术，如绿色设计的软件开发、数据库和知识库、评价标准和方法、决策支持系统、协同组织模式和支持平台、对相关领域技术的吸纳等[19]。

对于绿色并行化设计及生命周期，我们可以用体系结构来表示[5]，如图3所示。

3) 集成化

液压设备集成化是绿色理念的一项重要技术创新， 其具有体积小、重量轻、操作方便、适应性广、便于运输等优点，所以，集成化是液压设备今后的发展趋势，如多阀集成、泵阀集成、缸阀集成、集成块回路、系统集成、电机与泵集成等。兰州理工大学的冀宏等人进行了基于叶片泵的电液泵研究，其生产样机如图4所示。经过测试，与传统电机—泵组相比，电机叶片泵样机的体积减小了50%，轴向尺寸减小了61%，噪声降低了7 dB[10]。美国Vickers公司开发了电液泵集成化产品，如图5所示。该产品将液压泵和交流异步电机进行了简单集成化设计，采用标准型的定量叶片泵或变量柱塞泵，节省体积的同时提高了电机的工作可靠性，噪声较常规安装方式可降低10 dB[21,22]。日本大金公司开发了RP系列的电液转子泵，如图6所示。将柱塞泵的柱塞集成在电机转子内部，具有结构紧凑、低噪声、 低脉动以及高可靠性的特点。与大金之前的同类产品相比，运转噪声降低达10～15 dB，外壳结构长度缩短了40%，脉动降低了50%[21,23]。图7为德国VOITH公司开发的产品EPAI，其采用内啮合齿轮泵和鼠笼式异步电机的高度集成，与传统电机—泵组相比，体积减小了50%，噪声降低了12dB[21]。以上都是从液压设备结构来考虑的，而在集成化中，便于分析和处理故障、简化结构、提高可靠性和科学选用材料等均是液压设备集成化研发的技术难题。

图3 并行化绿色设计及生命周期的体系结构

1.离心管 2.泵轴 3.泵盖 4.电机定子 5.电机转子 6.转子套 7.引油窗孔 8.泵体 9.进口 10.主泵 11.出口

图5 Vickers公司的集成化动力源

图6 大金RP系列转子泵

1.转子 2.定子 3.内啮合齿轮泵 4.吸油口 5.吸油腔 6.压油口 7.压油腔 8.端子盒 9.壳体 10.端盖

当前，绿色液压设备的目标体系集成、产品设计和工艺设计与材料的集成、用户需求与使用的集成、产品制造过程中信息集成、计算机通讯网络系统和数据库以及知识库系统等支持系统集成、光-电-液系统集成和多功能液压系统等，都将成为绿色液压设备制造集成化的重要研究内容[3,16]。

4) 最优化

最优化是绿色液压设备的重要研究内容，绿色理论体系、绿色体系结构均与最优化相关。绿色液压设备的决策目标体系是在现有制造系统TQCS(即产品上市时间T、产品质量Q、产品成本C和为用户提供服务S)的基础上，再增加该目标体系与环境影响E和资源消耗R的集成，即形成了TQCSRE决策目标体系。

绿色液压设备在正常运行过程中，其目标应为获得最好经济效益和社会效益，将其目标函数设为最大效益，即设备利用率高、噪声小、无外泄漏、废弃部分少、社会知名度高。假设P为液压设备成功运行所获得的效益，也就是可靠运行和社会影响力增加的效益。

设系统收益为最大maxPS,即可靠工作最大效益和社会效益，并满足PS≥PSmin要求，在系统中有n部分串联或有机组成，每部分费用分配要合理。设系统每部分成本费用为Cj，每个部分在运行中对社会不良影响支付费用为Ej，在优化中采用动态规划法、拉格朗日乘子法等求解。现以上述条件为例：

PS≥PSmin

式中:Pj—— 每个单元可靠工作效益和社会效益

Cj—— 每个单元成本费用

Ej—— 每个单元在运行中对社会不良影响所付出费用

Xj—— 组成系统的单元

g1—— 系统应支付总费用

b1—— 系统最低限度费用

本研究的最优化方法是针对绿色液压设备考虑环境因素的一种优化方法，包括对设备可靠性与成本进行优化，对环境的不良影响与成本进行优化等。这样能有效提高液压设备可靠性，减小对环境影响，提高企业声誉，增加产品销售量。对液压系统有关参数进行优化，对控制方案进行总体优化，可以有效地提高系统工作效率，节约能源消耗[24]，促进液压技术进步。

5) 节能技术

液压系统的节能技术是绿色液压设备的重要课题之一，节能是为了提高液压系统能量的利用率[25]。根据有关资料介绍，一般液压系统实际有用功率大多只在40%～70%，剩余部分均损失掉，这不符合当前国家能源政策[26]。液压系统损失掉的能量直接转换为热能、声能和使设备振动等，对社会环境不利，对人的身体健康不利。在液压系统中，废旧油液回收再利用，是一种有效节能措施。目前大中型厂矿废旧油液的回收率仅为80%左右，仍有上万吨的废旧油未得到处理，随意排放，造成能源浪费，且污染环境。废液压油中有害杂质(包括油的变质产物在内)的总含量通常为1%～25%，其余都是有用的成份。因此回收的废液压油只要经过一定的再生处理，质量可以接近或达到新油的标准。据美国统计，废液压油有41%混入燃料油中用作燃料，3%～5%再生利用[27,28]。在加工工艺技术上，为了减少能源消耗以及原材料消耗，采用少或无切屑加工技术、干式切削加工技术、新型特种加工技术等。节能技术非常重要，武汉科技大学机械自动化学院液压团队湛从昌教授等发明了新型节能油箱，已获国家发明专利授权；研发出了功率匹配节能液压缸，该液压缸随负载变化而自动改变对外推力，节省能源，已获国家实用新型专利授权。为了充分利用能量和节约能源，许多专家学者从事了大量研究，如电压比例控制智能化[14]，功率匹配智能化[15]，电液负载感应系统[29]，液压系统能量回收措施[30]，采用蓄能器配合降低液压系统功率[31]，液压缸支承环采用非金属材料研究[32]，节能混合动力系统等[14]。综上，液压系统节能技术主要有以下三方面：①提高液压元件和液压系统的工作效率；②在加工、装配、包装、运输上尽可能节约能源；③最大限度回收能源和可利用的废旧元件、零部件，使其再生率提高[25,32]。

4 结论

绿色理念液压设备是当代机电设备发展的重要组成部分，以绿色理念为指导，将推动液压技术快速发展，为人类社会实现保护环境 、节约资源、人与自然和谐相处、可持续发展等方面起到积极作用。实现绿色液压设备必须加大创新研发力度，将绿色创新思维投入设计，不断提升工艺技术水平，科学合理使用液压设备，高效回收废旧设备等，使液压技术获得更快发展，为创新驱动战略增添一份力量。

参考文献：

[1] 刘飞，曹华军，何乃军．绿色制造的研究现状与发展趋势[J]．中国机械工程，2000,11(1-2):105-109.

[2] 湛从昌，付连东，陈新元．液压可靠性与故障诊断[M]．北京：冶金工业出版社，2009．

[3] 哈兰涛．基于绿色设计的液压系统设计研究[J]．机械设计，2012, (29):95-96．

[4] 刘光复．绿色设计与绿色制造[M]．北京：机械工业出版社，2007．

[5] 刘飞．21世纪制造业的绿色变革与创新[J]．北京：机械工程学报，2000, 36(1):7-10．

[6] 席俊杰，吴中，马淑萍．从传统生产到绿色制造及循环经济[J]．中国科技论坛，2005，(5):95-99.

[7] 曾祥荣，等．液压噪声控制[M]．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1998．

[8] Duffie N. Trends in Green Manufacturing[M/OL]. 1998， http://www.sme.org.

[9] 龚铁山．绿色液压系统的设计及维修[J]. 机电信息，2011,(18):138-139.

[10] Martin-Vega L A.DMI II: Past，Present，and Future Perspectives[C]．Key Report, 1999 NSF Design & Manufacturing Grantees Conference．USA，1999：20-26．

[11] Ali Tivay, Mohammad Zareinejad, et. al. A Switched Energy Saving Position Controller for Variable-pressure Electro-hydraulic Servo Systems[J]. ISA Transactions, 2014,(53):1297-1306.

[12] Song Liu，Bin Yao. Coordinate Control of Energy-saving Programmable Valves[C]. Proceeding of IMECE’03,2003.

[13] Tianliang Lin，Qingfeng Wang，Baozan Hu, et. al. Research on Energy Regeneration Systems for Hybrid Hydraulic excavators[J]. Automation in Construction, 2010,(19):1016-1026.

[14] 赵风军．工程机械液压节能技术的现状及发展趋势[J]. 节能环保，2013,(17):209.

[15] ZHU Wufeng, CAI Zengjie, et. al. Research on Practical Energy Saving Technology and Development of Airborne Hydraulic Pump[J]. Hydromechatronics Engineering, 2012,40(19):100-103.

[16] 易军，刘峰，曹武军. 产品绿色设计与制造关键技术及发展趋势[J].湖北工学院学报，2004,19(3):137-138.

[17] 傅曙光. 间隙密封机理与自适应变间隙密封伺服液压缸研究[D]．武汉：武汉科技大学，2012.

[18] 史维祥. 流体传动及控制的现状及新发展[J]. 流体传动与控制，2004,(1):1-12.

[19] 吴晓路．绿色设计的“3R”理念在液压系统设计中的应用[J]．北京：时代教育，2011，(6):181-182．

[20] 王峥嵘，冀宏，胡启辉，等. 液压电机叶片泵样机的噪声测量及分析[J]. 液压与气动，2010,(9):63-65.

[21] Fu Yongling, Li Zhufeng, An Gaocheng, et. al. Review of the State of the Art and Core Techniques of Edropump[J]. Machine Tool and Hydraulics,2012,40(1):143-149.

[22] Fu Yongling, An Gaocheng, Li Zhufeng, et. al. Permanent Magnet Servo Internal Gear Electro-hydraulic Pump: China, 201320327018.3[P]. 2013-9-29.

[23] 高殿荣，张前，郭明杰，等. 新型电机轴向柱塞泵：中国，200820077795.6[P]. 2009-4-22.

[24] Triet Hong Ho, Kyoung Kwan Ahn. Design and Control of a Closed-loop Hydraulic Energy-regenerative System[J]. Automation in Construction, 2012,22:444-458.

[25] 王红兵，袁志鹏，马忠．节能技术在液压技术中的应用[J]. 液压气动与密封，2011,(7):55-57.

[26] 张忠远，王锋．液压节能技术[M]．北京：清华大学出版社，2012．

[27] 杨丽洁，王闯，贾发亮．废液压油的回收与再生分析[J]. 淮北职业技术学院学报，2013,12(3):100-101.

[28] 王德洪．绿色维修技术在液压系统维修中的应用[J]. 机床与液压，2011,39(12):139-140.

[29] 黄兴. 液压技术创新及发展趋势[J]. 机床与液压，2005,(12):1-3.

[30] 桑勇，王占林，祁晓野，等．液压传动系统中节能技术的探讨[J]. 机床与液压，2007,35(3):83-86.

[31] 胡黄卿．液压系统的节能设计探讨[J]. 液压与气动，2001,(5):1-5.

[32] 尹峰．液压升降装置拉缸机理分析和改进措施[J]. 大连海事大学学报，2006,32(2):140-142.