流體動力復(fù)興之探討

郝春玲

[摘要]流體動力的光明前景主要由行業(yè)推動的創(chuàng)新研究和各種教育活動。隨著越來越多的關(guān)注、應(yīng)用和未來技術(shù)的應(yīng)用流體動力學(xué)所應(yīng)用的行業(yè)將復(fù)興。

[關(guān)鍵詞]流體動力 復(fù)興 液壓模擬 模型

中圖分類號：O35文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510198－01

一些行業(yè)內(nèi)的頂級企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在2006年通過立項(xiàng)一個(gè)美國國家科學(xué)基金課題（National Science Foundation Grant）正式組織起來，這些公司和研究機(jī)構(gòu)開始主動為古老的流體動力技術(shù)注入新思想，他們設(shè)定了雄心勃勃的計(jì)劃準(zhǔn)備在將來為流體動力行業(yè)帶來一場革命。

“在所有動力技術(shù)中流體動力的功率密度最高，電動馬達(dá)做不了的事情它能做，這是它的希望所在，”Center for Compact and Efficient Fluid Power主任Dr。這家研究中心總部位于明尼蘇達(dá)大學(xué)，在7家主要大學(xué)都有分支機(jī)構(gòu)，該中心由美國國家科學(xué)基金（NSF）資助。“我們堅(jiān)信這一努力必將帶動流體動力的復(fù)興。”

提高流體動力的整體效率是目前最迫切的任務(wù)，因?yàn)檫@是開發(fā)液壓混合動力卡車、公交車和客車所提出的要求。不過更長期的研究還需要集中精力研究緊湊的解決方案，解決仿人機(jī)器人、生物醫(yī)藥設(shè)備和新一代手動工具的流體動力源問題。

研究中心一般為某一全新技術(shù)開設(shè)，比如納米科學(xué)或者生物醫(yī)藥工程。 “而這次是為一項(xiàng)老技術(shù)開設(shè)研究中心，我打算為這一技術(shù)注入新思想從而改變整個(gè)流體動力行業(yè)。”

有三臺試驗(yàn)場用于更長期項(xiàng)目的研究。伊利諾伊大學(xué)在明尼蘇大開發(fā)一種流體動力矯形器和流體動力手動工具。各個(gè)大學(xué)的項(xiàng)目都用這些試驗(yàn)床進(jìn)行試驗(yàn)。范德比特大學(xué)研究流體動力手動工具所需的緊湊流體動力源。

“我們認(rèn)識到在未來戰(zhàn)略中有三個(gè)方面需極大提高，這就是流體動力的效率、更小更輕更緊湊的解決方案以及包括人因和噪音問題在內(nèi)的綜合效能。

一、關(guān)注效率

一個(gè)需要探索的主要領(lǐng)域是極大地提高在制造、航空、建筑、農(nóng)業(yè)和采礦領(lǐng)域使用的重型設(shè)備的能量效率。如果流體動力的綜合效率提高10%，假設(shè)原油價(jià)格每桶50美元，這項(xiàng)改進(jìn)每年能為美國節(jié)省70億美元的原油進(jìn)口。

該團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域有兩項(xiàng)創(chuàng)意。一個(gè)是使用PWM或者高速開/關(guān)閥，目的是利用高速開關(guān)閥來調(diào)整流動從而減少能量浪費(fèi)。第二種方法是使用可變活塞泵和馬達(dá)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的靜力學(xué)方案，該方案可為每個(gè)運(yùn)動軸提供更加無損的定位控制系統(tǒng)。

二、液壓混合動力

第二個(gè)戰(zhàn)略研究是把流體動力應(yīng)用于交通工具。目前液壓混合動力汽車（主要是重型卡車和公交車）開始上市。但是該團(tuán)隊(duì)相信跟電動混合動力技術(shù)相比混合動力技術(shù)更高級，能帶來更多好處，尤其對于重型設(shè)備來說更是如此。同時(shí)目前的研究主要是讓液壓混合動力客車成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在我們沒有現(xiàn)成的技術(shù)可用，但是我們目前正在努力研究新技術(shù)使之成為可能。

如果研究一下蓄電池和電池組的能量密度，比較一下電動混合動力和液壓混合動力，你會發(fā)現(xiàn)蓄電池的能量密度不如電池組的能量密度。而如果使用了液壓混合動力，液壓泵和液壓馬達(dá)的功率密度要遠(yuǎn)超過電動馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的功率密度。

一些人鼓吹Toyota Prius轎車具有再生制動功能，但是根據(jù)循環(huán)工況不同它的效率大約只有50%，原因是馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的尺寸太小，不能吸收所有的制動能。在試驗(yàn)中電動馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的效率很高，能達(dá)到90%多，但是在再生制動方案中該系統(tǒng)發(fā)揮不了這么大的潛能。

相比之下，液壓泵和液壓馬達(dá)的效率通常為80%到90%。但是在改變液壓泵和液壓馬達(dá)時(shí)沒有任何問題，因?yàn)橐运鼈兊闹亓靠梢院苋菀装惭b在汽車中，他們能存儲所有的制動能從而使再生制動效率更高。

在通常電子點(diǎn)火系統(tǒng)中，能量效率最高為30%。如果在節(jié)氣閥沒有全開的情況下，能量效率會降至15%。當(dāng)在高速路上正常行駛時(shí)，馬達(dá)節(jié)氣閥一般沒有全開，因?yàn)轳R達(dá)是根據(jù)加速/牽引/爬坡等情況而不是正常行駛的情況而設(shè)計(jì)的。因此在正常行駛時(shí)能量效率大約只有15%。

如果在節(jié)氣閥沒有全開的情況下，能量效率會降至15%。當(dāng)在高速路上正常行駛時(shí)，馬達(dá)節(jié)氣閥一般沒有全開，因?yàn)轳R達(dá)是根據(jù)加速/牽引/爬坡等情況而不是正常行駛的情況而設(shè)計(jì)的。因此在正常行駛時(shí)能量效率大約只有15%。

液壓混合動力系統(tǒng)還能解決成本難題。電動混合電池組和馬達(dá)讓一輛汽車成本增加3,000美元到7,000美元不等，同時(shí)一個(gè)電池組的平均壽命為90,000英里。“這是一筆很大的額外費(fèi)用，我們相信液壓混合動力系統(tǒng)會更便宜、更可靠，因?yàn)楣β拭芏仍礁撸嚨男阅軆?yōu)勢越明顯。這些問題還沒有全部解決，在控制方面還存在挑戰(zhàn)。此外有人還對噪音、可駕駛性以及讓蓄電池存儲更多能量等方面有所擔(dān)憂。

但是我預(yù)計(jì)在未來幾年我們會看到液壓混合動力卡車和公交車上市。這項(xiàng)技術(shù)會得到改進(jìn)和提高，并且隨著技術(shù)的突破我們相信一定能把這樣項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到卡車上，這將帶來巨大的社會效益。”

三、未來的技術(shù)發(fā)展

在更長一段時(shí)期內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)是縮小流體動力解決方案的尺寸，開發(fā)出一種便攜式、緊湊的流體動力源。這項(xiàng)技術(shù)能促進(jìn)可移動機(jī)器人的發(fā)展，這種機(jī)器人可在沒有外部動力的情況下長時(shí)間工作。它可能為流體動力手動工具提供基礎(chǔ)性技術(shù)，并提高生物醫(yī)療設(shè)備的性能，比如假體，這些假體可在沒有外部動力的情況下用流體動力驅(qū)動長時(shí)間工作。

一個(gè)可能的方法是化學(xué)流體激勵(lì)。魚雷采用單元推進(jìn)劑發(fā)射，這種推進(jìn)劑遇到催化劑時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。范德比特大學(xué)德研究人員正在研究一種熱氣體葉輪液壓馬達(dá)，該馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)動力源上使用了化學(xué)流體激勵(lì)。該系統(tǒng)的動力和能量密度很有前景，優(yōu)于電池組/馬達(dá)。

另一項(xiàng)研究是自由活塞引擎壓縮機(jī)。目前內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生氣動源的途徑是通過分離的引擎和壓縮機(jī)，該方案較為笨重。內(nèi)燃機(jī)利用燃料的能量驅(qū)動曲柄壓縮氣體，這種做法效率低又很占地方。自由活塞引擎壓縮機(jī)方案去掉了這種機(jī)械傳動，它使用膜片和控制閥裝置直接點(diǎn)火，直接壓縮空氣。他們還在研究一種自由活塞泵，這種泵使用了液壓動力源，這個(gè)工作更有挑戰(zhàn)性，但是這種方案可能更緊湊、功率更大。

四、關(guān)注合作和教育

我們從NSF處獲得了大量直接的反饋和進(jìn)展情況，了解到這項(xiàng)研究和行業(yè)之間的關(guān)系相當(dāng)獨(dú)特，這一模型也可應(yīng)用于其它學(xué)科的工程研究中心。

制定了一項(xiàng)戰(zhàn)略，激發(fā)大學(xué)生、研究生和大學(xué)院系對流體動力的興趣。明尼蘇達(dá)科學(xué)博物館合作開發(fā)了一臺液壓混合動力車模型。Project Lead the Way是位于紐約上州(Upstate New York)的一家非營利機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)開展新課程向初高中學(xué)生介紹流體動力的知識。

第一個(gè)是流體動力創(chuàng)造了我們所享受的現(xiàn)代生活；第二個(gè)是流體動力在將來可能會取得科學(xué)進(jìn)步以及巨大影響；第三是展示該職業(yè)的光明前景以及隨著這些新技術(shù)的開發(fā)這一行業(yè)將走向復(fù)興。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永堂，液壓系統(tǒng)，冶金工業(yè)出版社，2003.02.01.

[2]李芝，液壓傳動，機(jī)械工業(yè)出版社，2006.04.

[3]許福玲，液壓與氣壓傳動，機(jī)械工業(yè)出版社，2005.08.