液压系统的未来

来源:荣格国际泵阀技术商情

发布时间:2019年9月6日下午 10:09:12

液压系统尽管一直在形象问题上饱受困扰,但依然具备完成从恐龙到金色独角兽转变很好的条件。   近几十年来,液压系统一直致力于改善其形象,但在许多用户眼中,它仍然是一只恐龙。因此未能成为年轻职场新人的首选。毕业生们往往被富于数字化商业理念的创业环境所吸引,形象一点说,他们所青睐的是金色独角兽。  
液压系统尽管一直在形象问题上饱受困扰,但依然具备完成从恐龙到金色独角兽转变很好的条件。
 
近几十年来,液压系统一直致力于改善其形象,但在许多用户眼中,它仍然是一只恐龙。因此未能成为年轻职场新人的首选。毕业生们往往被富于数字化商业理念的创业环境所吸引,形象一点说,他们所青睐的是金色独角兽。
 
在国际上,独角兽象征着创新和创造性思路,拥有令人惊叹的因素,可以赚取大笔利润。不管外界如何看待液压系统,它在全球经济中的重要性都是毋庸置疑的,其销售额高达数百亿美元。与之矛盾的是,流体动力技术的经济意义却与用户、公众和科学界对它的看法存在鲜明的反差。
 
液压技术应如何转变其形象以面对新世界呢?答案很简单,恐龙必须通过整合新技术来加以转化,特别是在电子控制和机电传动方面。如果这样做了的话,液压系统将会实现质变,并能提供全新的、高科技感十足的用户体验。
 
为此,博世力士乐瞄准金色独角兽,从多个方面,对液压系统进行了革命,在保持液压系统优势的前提下,依靠工业4.0,将其与“IT消费者世界”的技术机遇和优势结合起来。然后,用户会将“隐形的”液压系统视为一个紧凑、完整的功能模块,简单、直观、互联且安装快捷。不管未来前景如何,液压系统必须保持其相对于机电驱动的地位。在许多领域,这种技术转化已获得了长足的发展。
 
工业环境
 
在不断变化的市场环境中,工业液压系统无法免受发展的影响。然而,热门的新技术主题并不是塑造未来趋势的唯一因素。一些原有的趋势仍将对未来的增长举足轻重。
 
•能效
 
在欧洲,与能源有关的法规已细化到组件级别(例如,电机的IE3标准)。
 
能效重要性的影响正在超越工业化国家的范围。世界上许多地区的能源价格仍然太低,只有在供应和价格压力下才会出现新的、创新的方法。由于其独特的优势(功率密度高、力量强大),液压系统注定为强大的机器而生。这尤其适用于最看重节能驱动型解决方案的压力供应站。
 
•前景
 
目前存在的能效问题已导致速度控制驱动系统的使用稳步上升。高效伺服电机正逐渐取代标准异步电机。技术上可扩展的解决方案也已面市。
 
Sytronix变速泵驱动是液压系统的一种趋势,它将变速电气驱动、变速电机和液压泵结合到同一集成驱动单元之中。
 
环境挑战
 
工业液压系统被用于各种环境条件下。管理机构对液压产品的可持续生产、回收和处置实施了具体的区域性法规。作为一种不可或缺的压力传递介质和润滑剂,液压油在环境影响和系统功能安全方面发挥着特殊的作用。
 
尽管快速生物降解油已经有60多年的历史,但矿物油仍然是最常用的。持续改进不仅涉及液压流体,还必须进一步开发密封件,使其兼容各种液压流体、新材料和几何形状。降低用油量是降低环境风险的另一种方式。它可以通过配备主动排气功能或更小分散驱动轴的智能油箱设计来实现。
 
•前景
 
环境法规预期在未来将变得更加严格。因此,液压油、密封件和液压装置制造商可能会结成联盟,以进一步提高环境相容性。
 
•安全相关要求
 
在欧洲,机械指令要求机器的设计和制造应避免对人类造成潜在风险。一系列欧洲液压系统安全标准已经建立,并得到相关标准补充,如压力设备指令。
 
•前景
 
安全问题在未来也将是优先考虑的问题。在其它地区,特别是新兴国家,同样会出台更严格的法规(如审批检查、设计指南)。
 
数字信息采购
 
工业用户越来越希望从消费者世界(配置器、合用性、移动设备、app、云解决方案等)获得他们业已习惯的同级别的便利。根据需求,产品本身将拥有一切,从简单数字接口(例如,IO链路)到实时多以太网连接。
 
从2023年起,新的5G通信标准将使更多的私有工业网络可在工业环境中使用。有了这些基于边缘云的网络,传感器-执行器的循环时间可以缩短到1毫秒以内。因此,可以满足塑料加工机械中常规的控制器要求。集成到产品中的传感器和5G通信将为状态监测提供信息,甚至为预防性维护提供数据。因此,需要大量基于数据的业务模型。
 
•前景
 
电液元件将受益于自动化和IT世界的技术影响。与电气自动化一样,液压元件供应商正准备与其它相关供应商合作,共同开发人工智能和基于云的解决方案。将需要建立更多的跨技术合作伙伴关系,特别是对于尖端的IT主题。
 
•培训和经验
 
一段时间以来,具有专业液压知识的潜在员工数量在明显下降。无论在商业部门还是在工程部门都是如此。以德国为例,就专业基础和进一步培训而言都不存在公认的资质标准。目前,液压专业人员主要是从相关专业招聘,如农业或建筑机械装配工、工业机械或机电技术人员。
 
事实上,没有哪项具体的培训能提供流体机电专家资质。大学不提供专门的液压系统课程,液压系统仅仅是工程学课程中的一个基本模块,这种情况无法令人满意。当液压系统作为一门学科提供时,课程几乎只限于标准液压系统而非电液力学。我们在国外也看到了类似的情况。
 
要实现成为“金色独角兽”的目标,就需要最新的现代教学、技术转化,并在学术和商业领域创建新的“流体机电专家”资格。这是教育政策制定者、行业界、国家或国际流体技术协会所面临的共同的关键性任务之一。
 
未来,液压领域需要两种不同的职业体系。一种是面向组件的专家,具有开发和优化产品的机械工程技能。另一种将是面向系统的流体机电专家,具备控制技术知识,精通各类液压和机电驱动工具。
 
•前景
 
未来的几年里,提高教育水平,以获取深入的知识将是至关重要的。这是因为,如果缺乏控制技术、数字化、软件或运动学方面的知识,无论技术多么优秀,电液系统解决方案都不会获得成功。
 
液压系统的维护应尽可能方便用户,液压系统应继续为年轻人提供有吸引力的、面向未来的职业。
 
未来的可行性
 
为了对未来的可行性做出可靠的描述(在10年的观察期内),研究人员进行了一项调查,以确定是否可以替代工业液压系统10个主要领域中最重要的应用。
 
工业液压系统的重要行业与应用概述。
 
上述主要应用考虑了以下驱动类型:
 
•线性运动:所有应用中的80%以上
 
•液压:通过阀门或泵控制和小型轴的气缸驱动
 
•机电:滚珠或滚轴丝杠组件
 
•旋转运动:所有应用中的20%以内
 
•液压:泵控制或辅助控制
 
•机电:直接驱动或齿轮电机
 
液压和机电驱动技术中的驱动类型。
 
对最适合未来的驱动类型的总体评估是基于针对以下四个主要类别所进行的调查,每种应用总共有13项标准:
 
•功能:动力学、稳健性、静态功率极限、准确性、安全性
 
•集成性:安装空间、灵活性、用户友好性
 
•成本效益:成本、效率、使用寿命
 
•生态:生态友好、维护
 
 
 
•前景
 
对于额定值小于100千牛的系统,机电系统在许多应用中具有取代液压系统的巨大潜力。虽然通过进一步开发材料、涂层和几何结构,可以在功率和速度上取得轻微的改善,但似乎不太可能出现革命性的飞跃。任何通过机械传动进一步增加的功率和扭矩都将受到需加速的质量的限制。
 
液压驱动装置已能传递比过去大100倍以上的力。金属切削机械和转子驱动中的液压系统可能面临更激烈的竞争。然而,通过阀门控制系统和更人性化的产品和系统实现的能源节省,也将能赢得机会。就线性应用而言,通过小型轴的进一步创新发展,液压系统将保持甚至增强其现有地位。
 
对线性运动技术的比较表明,液压在速度和力上均继续领先于机电式执行机构。
 
这种发展曾经产生了自主式电液轴,由电动机-泵单元、歧管和气缸构成。这些轴实际上是免维护的,并且与机电驱动相同。与液压系统相关的细节已包含在软件库中。因此,即使是用于成形、连接、注射成型和其它大力应用的复杂行程轮廓,也可以非常容易地实现参数化。作为规范过程的一部分,机器制造商和系统集成商也可以达到SIL3级安全水平。
 
这种自主伺服液压执行器是一种一体式装置,可利用与机电执行器相同的技术进行调试。
 
发展趋势
 
不同的市场、行业和应用领域对工业液压系统提出了不同的要求。近几十年中出现的发展领域主要集中在以下方面:
 
•能效(更小的流体力、更低的压力损失、更高的效率)
 
•降噪
 
•油箱容积更小
 
•压力水平更高、安装空间更小
 
•材料和液压油性能更佳
 
•可用性和预测性维护更高
 
•用户友好(车载电子设备、调试软件)
 
•安全
 
尽管这些问题未来仍将发挥作用,但其自身影响将有所收敛。3D金属打印等工业趋势为液压系统提供了新的技术机遇,例如优化型芯设计(3D打印程序),以改善流动性能或伺服阀生产。
 
这个伺服阀歧管,可作为反映3D打印如何使组件更紧凑、更轻,甚至更高效的一个例子。
 
这个伺服阀歧管,可作为反映3D打印如何使组件更紧凑、更轻,甚至更高效的一个例子。
 
敏感环境中的应用
 
工业液压系统中的一个分部的特点是需要持续面对特殊的工况。包括海洋与近海、水利工程用钢结构、冶金、铸造机、采矿等行业,系统往往需要安装于室外或类似环境中。当涉及到连续性过程的生产系统时,需要注重通过优化过程、提高质量和实施预测性维护来提高生产力和OEE(总体设备效率)。基于机器学习的高性能诊断系统,如力士乐(Rexroth)的在线诊断网络(ODiN),已能可靠地预测部件的失效时间,目前正在针对液压系统进行开发。
 
基于机器学习的当前诊断系统,如Rexroth(力士乐)的在线诊断网络(ODiN),已能可靠地预测部件的失效时间,目前正在针对液压系统进行开发。
 
在许多情况下,需要符合环境保护等级(例如防爆)、冗余压力供应站和使用可生物降解液压油。避免液压油泄漏风险的有效方法是减少系统中的用油量。实现自然被动排气的油箱设计是一种有效的途径。与传统设计相比,使用包括传感器的主动排气模块来监测液压油中释放的空气比例,可降低70%的用油量。其它积极影响还包括减少50%的安装空间,以及显著降低液压油成本。
 
•前景
 
除了进一步开发有助于改善环境相容性的技术和液压油之外,这些行业还将经历数字化推动的转型过程,例如智能采矿、冶金4.0或自动驾驶船舶。
 
生产应用
 
现代工厂中安装的压力机、塑料加工机械、装配系统、机床、试验机和类似机器相关的应用都会受到影响。在我们确定对工业液压系统的要求之前,必须对未来的工厂加以描述。主要目标是依靠透明性来提高生产力和效率。
 
高灵活性和高适应性是未来工厂的关键目标, 同时具有透明性,有助于避免计划外停机。墙壁、地板和天花板将保持在原位,而其它一切都将是可移动的。
 
在未来工厂中,一切都将是互联的,从现场级连接到基于云的IT系统。自动化和驱动解决方案将只适用于开放式标准通信环境。它们将易于配置,功能和类别存储于设备数据中,并由固件控制或管理。工业液压系统必须通过采用已在使用中的开放式标准(如多以太网和IOLink)来适应这个世界。通过实时扩展,所有组件、模块和机器都将共享信息。
 
•前景
 
未来工厂中的价值流映射将被数字化。数字业务模型将仍然是基于构成新建和现有基础设施的所有执行器、模块、传感器和机器。
 
带IO-Link/蓝牙(左)的压力阀和带多以太网接口的高响应阀,用于位置、压力和力控制以及闭环控制(右)。
 
博世力士乐的最新一代液压动力装置的CytroBox是一个分散式单元,兼具可移动性和灵活性。它采用即插即用概念和分散式智能,为机器制造商提供了一个具有许多内置功能的现成驱动控制器。主要的安全功能和驱动控制均包括在内,因此,可以很容易地进行集成和配置,以适应特定的应用。集成和有线传感器提供有关过滤器、液压油和驱动状态的信息。采集到的传感器数据通过IO-Link结合在一起,由驱动控制器进行预处理,并与现代机器设计联网。
 
类似的机器及其模块将是无线的,通过开放式接口交换信息和指令,并持续进行自我监控。凭借其多以太网接口和开放式核心工程,CytroBox具备了未来的可行性。与现代机电驱动器一样,该设备也可以利用博世力士乐的CytroConnect实现物联网。可以方便地获得有关设备的所有信息,包括部件和运行状态、定期维护工作,以及来自力士乐在线诊断网络(ODiN)的预测性维护分析。根据需要,还能以附加服务的形式提供维护功能、故障检测和预测性维护等其它附加功能包。
 
CytroBox是一个一体式液压动力装置,包含变速泵驱动、更小尺寸的储罐,以及用于监控、控制、诊断和通信的先进电子设备。
 
总结
 
未来10年,受到IT和自动化趋势的强烈影响,传统液压系统将发生重大变化:智能、传感器、电子设备和软件将越来越多地与钢铁和铸铁构件融为一体;用户将能体验到工业液压系统成为一个现成的功能模块,其用户友好程度与在IT消费者世界中所习惯的完全一致;电气自动化和IT技术的新发展将使工业液压系统的集成变得更加容易,并更具竞争力;新的基于IT的自动化世界的发展将补充液压系统以前的关键领域;数字化(软件、连接性、专用网络、app等)以及数据使用(传感器、网络服务器、数据分析、物联网服务、云解决方案等)将不可避免地征服工业界。

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