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张海平-液压技术会被取代吗?

烟台未来自动装备有限责任公司2018-06-20 22:37:45


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这也许是所有与液压相关的人都应该关心的问题。 


在上世纪九十年代,就曾有“高人”说,液压技术会被电传动取代。于是,原来曾在国内几十所高校设置的“液压专业”和“流体传动与控制专业”在教育部1998年正式颁布的《普通高等学校本科专业目录》中被删去,许多大学的液压专业改称为机电研究所。如今,中国的液压工业落后世界水平30年,成为我国国民经济的锁喉之痛。两者间恐怕也并非不无联系吧。 


为何这里又要旧话重提呢? 


1.新能源带来的影响 


为了减少废气和污染颗粒PM10 的排放,保护人民的健康,采用新能源取代内燃机的呼声越来越高。世界多国已经制定了禁售燃油汽车的时间表。例如,荷兰、挪威2025 年,印度 2030 年,德国 2030年后,法国、英国 2040年。我国也在2017年10月 26 日发布了“节能与新能源汽车技术路线图”。 


为移动设备提供新能源,目前正在试验的主要有两种模式:纯蓄电池和燃料电池+蓄电池。 


蓄电池目前还嫌笨重,小轿车想充一次电就能走几百 km,蓄电池要占车一半以上的重量。液态氢的能量密度较汽油高得多,燃料电池可以直接把燃料(氢气或天然气)的化学能转化为电能,可以大大减少所携带的蓄电池数量,是目前最有可能在较大功率需求场合取代内燃机的。目前国际上已有多个公司推出了采用燃料电池与蓄电池结合,提供能源的公共汽车和卡车的原型车。 


与轿车相比,许多移动液压设备需要的功率大得多,能量的消耗也大得多,因此,采用新能源的技术难度也高得多。但相信,随着新能源的大规模应用,肯定会不断催生出新技术,降低成本。所以,新能源在移动液压设备上逐步取代内燃机恐怕也是迟早的事。这就会给移动液压带来大洗牌。 


因为,在以内燃机作为能量来源时,虽然内燃机产生的机械能需要经过液压泵,转化为液压能,才能驱动液压缸,但要驱动电驱动器,也一样需要通过发电机发电。都有一次能量转化,电驱动并无特别优势(图 1a)。而在蓄电池成为能量来源后,电能就是现成的(图 1b)。所以,主机设计师会优先考虑采用电驱动,竞争的格局就会对液压传动不利一些。 



2.传动技术的竞争 


虽然液压技术只是传递机械能而非产生机械能的技术,就像运输业,只是转运货物而非制造货物一样。但就像运输业不会被淘汰一样,传递机械能的技术也始终会需要。 


传递机械能,除了液压以外,还有机械传动(杠杆、齿轮、皮带、链条等等)、气压传动和电力传动(电动机,电磁铁)。液压传动比机械传动灵活,比气压传动和电力传动的力密度大得多,因此而成为一些应用中的首选。这也像各种运输工具:飞机、轮船、火车、卡车,都是搞运输的,但各有各的特点。虽说在某些应用中有竞争,此消彼长,但任何一种都不会被完全淘汰。 


3.一些例证 


1)要在实际应用中比较不同的传动模式,代价通常都很大。因为,不仅要纸上演练,做出相应的方案,还必须实际制造。妖魔躲在细节里。许多设想要等到真正实际制造时,才能接触到细节,才能真正确定方案的可行性。因此,在很多应用领域,限于设计制造成本,往往沿用现有模式,不太敢伤筋动骨地去尝试其它传动模式。 而如所周知,对航空航天工业而言,安全可靠重量轻是最重要的,设计制造成本不是首位的考虑因素。所以,飞机设计师在确定方案时,肯定会同时比较各种可能的传动模式。最终,飞机的前襟翼、后襟翼、扰流板、尾翼、起落架等等,还是采用液压来驱动(图2),也说明液压有其不可替代的长处。



历史表明,在驱动技术上,引领潮流,第一个吃螃蟹,采用新技术的往往是航空工业。如果,在飞机上,液压技术被取代了,那么若干年之后,工程机械上也可能会相应改变。但是,目前能看到的是,世界各大液压公司正在努力把飞机上已采用多年的电液作动器推向民用[5]。 


2)美国波士顿动力公司近年来正在研发的机器人 Atlas(图3)的驱动也采用了液压。Atlas 身背蓄电池,为什么不直接采用电驱动,而是要先用电驱动液压泵,再把液压油输送到四肢去作为驱动源,绕一个大圈子呢?这也说明,液压有其不可替代的长处。



3)对固定设备而言,电能一般都可直接获得。所以,液压传动并非首选,是不得已时才会采用的。但液压还是被相当多地应用,也说明了液压技术不会单纯因为电能易得而被取代。 


根本原因在于液压的力密度高。为获得直线运动,液压缸结构简单,可以达到的推力,同体积的电驱动望尘莫及。需要小推力,几十几百公斤力时,还会采用电驱动。但需要大推力,不要说几万吨,就是几千吨时,一般都不考虑采用电驱动,这是因为,能产生的电磁力既受材料的磁饱和密度限制,也受电流强度限制。


在电磁材料中加入稀土元素,可提高磁饱和密度4 倍,因此,交流伺服电机扩大了应用范围。 


目前所有可用的材料都有电阻:电流越大,发热越严重。 


4.地平线后面的乌云 


1)超导体,电阻几乎为零,理论上可以通过极大的电流,从而减小电磁执行器的体积和质量,进一步提高功率密度。自“高温超导体”的发现在1987 年获诺贝尔奖之后,世界各国科学家投入大量精力财力研究。 


据说,德国科学家在 2015 年发现,有 0.01%的石墨颗粒在–70℃时可能超导(维基百科),这对科学界是一个轰动,但对工程机械来说却还不实用。 


金属氢的超导温度据说可达 20°C。2017年年初,美国哈佛大学的研究团队宣称,通过加压50万 MPa制得了金属氢。50 万 MPa,这可超过了地心压力,也已逼近合成钻石強度崩溃的边缘啊。 


所以,超导体什么时候能进入工业生产还很难说。 


在室温超导体技术或其他什么新技术进入实用阶段之前,液压传动还可继续以自己的力密度高而洋洋得意。 


2)力≠功率,力密度高≠功率密度高! 
功率是力×速度。磁饱和密度和电流强度限制了电磁力,但并没有限制电驱动的运动速度。液压马达由于其中运动部件的限制,今后速度也很难提高。而限制电机旋转速度的只是轴承和转子的动不平衡问题。因此,高速电机的功率密度可以超过液压马达。所以,在采用新能源,电能唾手可得以后,移动液压中首先会受到挑战的可能就是液压马达。在2018年汉诺威工业博览会上已经出现所谓“轮边电驱动”,挑战行走机构的液压马达驱动。但由于电驱动的惯量较大,灵活性较差,因此,只有在转速不那么剧变的应用场合,才可能胜出。 


5.关于技术取代 


(1)实例 


历史表明,新技术不一定能取代老技术。以下一些实例,可以提供借鉴。 


1)磁悬浮列车靠磁力悬浮在空中,行进時不接触地面,没有与地面的摩擦力。


理论上来说,是极其美好的。其原理早在1922年就由德国工程师提出了。然而,实际动手制造,则发现造价昂贵。因为磁力与间隙成反比,因此,对轨道的平直度要求极高。世界上首条磁悬浮列車线路在 1984年在英国伯明翰开始商业运营,已於2003年拆除,更換为轮式系統。上海的磁悬浮示范运营线目前是世界上唯一一條商业运营的高速线路。 


2)火车牵引机车,最早被应用的是蒸汽机车(1825 年),后来出现的是电力机车(约1840 年),七八十年后才出现内燃机车(约1920 年)。现在,蒸汽机车基本退出了使用,内燃机车与电力机车同时并用已近一个世纪。尽管现在高速列车普遍使用的是电力驱动,但内燃机车还在大量地使用。 


3)汽油发动机是 1883年发明的。而柴油发动机是之后9 年才发明的。多年来柴油机由于出力大,备受青睐,胜利进军,在船舶、卡车、移动工程机械上几乎是唯一的动力源,在轿车上也与汽油机平分天下。然而,现在,柴油机又因为是细微颗粒PM10 和 NOX 的主要排放源而前途岌岌可危了。


(2)技术取代的条件 


1)功能、应用领域环境必须基本相同。拿牛头与马腿来比谈取代,是无稽之谈。


2)性价比更优:或性能优,而价格增加不多;或性能不差,但价格明显低。 


这里的性能应该是广义的,包括了持久性、环保性等等。 


这里的价格,则不仅要考虑到研发、设计、制造费用,还要考虑到更换、替代费用。 


因此,要说一项技术先进,可以取代另一项,就需要实事求是地全面比较通过实际测试获得的性能数据,比较各种成本。光比较某一点是不够的。例如,伺服阀,尽管其重复性、线性等明显优于电比例阀,但其应用数量、范围还是远不如电比例阀。


不仅是由于伺服阀结构复杂,制造成本降不下来的缘故,还有对污染敏感等等问题。
另外,对于性能,不同应用的关注重点也不同。例如,液压元件的工作持久性,远洋船希望能20年,而导弹则只需要几分钟。在一种应用中是优秀的性能,完全可能在另一种应用中不被重视。 


所以,说什么,发明了一种神器,可以取代全部现有液压技术的,那不是幼稚,不了解液压技术的博大精深应用广泛,就是有意忽悠。 


特别是现在,有些人喜欢用做娱乐广告的方式来宣传技术,什么名词时髦就挂什么,炒作的概念甚多,例如,什么“空气驱动大巴”、“水驱动自行车”,全然不顾科学技术的严谨性[3]。 


所以,作为液压技术人员,现在特别需要有警觉与识别忽悠的能力与习惯,多剖析现象,思考本质。 


(3)技术取代的过程 


技术取代总是有一个过程的: 


1)发现技术可能性; 
2)找到成本价格可接受,可以批量生产的工艺; 
3)开始获得应用,成本、价格进一步下降; 
4)主机厂开始在新生产的主机上采用。即便如此,已在流通工作的设备的拥有者也不会像是对手机那样,说换就换,随手抛弃现有的设备。 


所以,这个过程,是需要一定时间的。像液压这样一种经过几百年发展,由几十万人研发,被几百万乃至几千万人使用,应用面极广的技术,即使出现什么能取代的新技术,被取代的过程至少会持续10~20 年。在这10~20 年中,液压技术本身又会出现多少创新?! 


6.做好自己的工作 


物理定律,难以抗拒,大趋势也很难改变。望着大趋势哀鸣,无济于事。但是,现实生活是极其复杂的:炎炎烈日之下,总能找到遮阳避暑的地方;冰封千里之时,也总有办法避风保暖,开个冰下旅馆,还能挣钱。 


其实,“天眼”的反射镜面的调节促动器最初选用的是电驱动,碰到一些问题,未能解决。之后,国内一批液压专家,克服了很多技术困难,用液压传动满足了要求[2]。如果液压传动的困难没有被克服,而电驱动解决了那些技术问题,液压不就在这个应用上被排挤取代了吗? 


所以,技术取代问题需要具体分析,而非笼统地一言概之。在认清大趋势的同时,更要关注的是:自己公司的产品是否有发展前途;市场份额是否在减少。液压传动是否会被取代,也取决于各人各企业自己的努力。 


液压技术不会被完全取代,但液压产品会被淘汰。 


移动液压现在已经对能耗十分敏感,采用新能源后,对节能的要求肯定会更高。能效低的元件和回路被淘汰是必然趋势。 


所以,搞液压技术的,必须不断学习。企业领导应该关注,挑选对自己有利的战场,不断探索,改进,创新,与时俱进,调整适应顾客需求的变化。如果想学一次管用一辈子,相同的产品一造几十年的话,那么,被淘汰是不可避免的。 


已故世界流体技术泰斗巴克教授根据自己从事、推动、引领世界流体技术发展50年的亲身体会,指出,“创新意味着,识别出新的未被意识到的应用,发现新的联系,这是一种才能,需要绞尽脑汁与横向思维。流体技术在这方面看上去特别有潜力,因此我对流体技术的未来毫不担心。它将继续发展。也许不像我们能够想象的那样,但它会找到新的路。从这个意义上我祝愿我们这个专业领域继续蓬勃发展。”[1] 


两院院士,前中科院院长路甬祥教授,中国液压领域中出现的最杰出者,在通观全局后高瞻远瞩地作出了如下断言:“由于流体特性及其应用领域的多样化及复杂性,流体传动与控制技术在未来有着无穷无尽的研究领域和无止境的应用范围。” 


参 考 文 献 


[1] 张海平. 流体技术的过去和将来[J]. 液压气动与密封,2010(5):1-2. 
[2] 王建中. 500 米口径球面射电望远镜用液压促动器的研制[J]. 液压气动与密封,2017(02):1-3.
[3] 张海平. “数字液压”之我思[J]. 液压气动与密封,2017(11):01-05. 

[4] 冀宏. 兰州理工大学《机械电子工程专业导论》第二讲专业之美,2017. 
[5] 张海平.《2015 汉诺威工业博览会见闻》,<液压气动与密封>,2015(09):1-3.


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声明:本文转自液压传动与控制

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