淺談液壓機的發展研究

滕小磊

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000）

隨著我國工業的發展，制造業已經逐漸成為一個企業甚至國家在競爭激烈的國際市場上能夠取得優勢的關鍵。機械制造企業作為國民經濟各部門中機械裝備和產品的生產者，在國民經濟中占據著十分重要的地位。在機械制造加工過程中，為了提高生產效率和保證加工精度，人們往往在對坯件進行物理加工時使用到壓力機。壓力機可以通過對金屬工件施加壓力，從而使其發生塑性變形或斷裂，最終加工成目標零件形狀。壓力機由曲柄壓力機、螺旋壓力機和液壓機這三類組成，其中液壓機是通過利用液體壓強來實現能量傳遞的一種機器。在面對一些復雜零件的成型加工時，選用液壓機可以進行快速且精確的鍛造加工，因此，在工程上廣為使用。

1 液壓機的誕生過程

1653年，法國物理學家布萊士·帕斯卡通過觀察流體能夠傳遞壓力的現象，提出了著名的帕斯卡定律。加在靜止流體上的壓強，在其內部的各個方向上傳遞時大小不變，通過調節不同的受力面積與初始壓力之間的關系，液壓還可以按照需求進行放大，這就是液壓機的原理。借此，18世紀末，英國工程師約瑟夫·布拉曼以水為工作介質設計了世界上第一臺液壓機。至此，液壓機開始了它的飛速發展。

新中國成立后，我國就開始投入液壓機的生產制造中。從當年沈陽重型機械廠第一臺20MN液壓機投入生產直到現在液壓機行業的百花齊放，隨著國家的發展和工業的進步，我國現在已經成為液壓機的大國。不過，相比一些發達國家企業的液壓機的制造，目前還存在著一定距離。隨著工程制造和計算機技術的發展，與之相匹配的結構分析與優化技術如今已被很多企業使用，通過機械結構的優化能尋求既安全又經濟的結構形式，提升其性能并降低生產成本，從而大大促進了我國液壓機的升級發展。

2 液壓機的升級發展

2.1 液壓系統設計

在液壓機實際工作時，為了將原動機的輸出特性與執行機構的要求匹配一致，就需要通過液壓系統來將原動機的輸出量進行適當變換，使其滿足工作機構的要求。液壓系統由動力元件、控制元件、執行元件、輔助元件和液壓油組成，通過改變壓強增大作用力從而完成生產作業。對于現代液壓機的開發，為了實現高速高壓、綠色化、高效化和智能化的發展要求，液壓系統的設計就顯得十分重要。比如，在一個20t的實驗室壓力機的設計中，通過使用一個彈簧來反轉活塞，這就使得壓力機的液壓系統簡單化，簡化了操作程序且提高了生產效率。或者通過采用M型電磁閥來代替電磁溢流閥進行加載卸荷，也可以達到簡化液壓系統并提高工作效率的作用。

傳統設計中，為了提高液壓機的速度，往往通過改變閥的通徑增大流量來提高速度，但這樣無法保證控制的精確度。為此，一種無級可調高速伺服液壓系統改進了原有的控制方式，它采用定量齒輪泵和伺服電機來作為動力元件，通過控制伺服電機轉速來改變流量，消除了閥制造誤差，從而實現了壓力和流量的精確快速控制。同時，為了克服傳統生產中用氣墊維持壓力恒定時，由于氣體較大的壓縮性無法提供穩定的壓制力而導致加工質量下降，可采用一種無級可調恒壓控制的液壓系統。該系統巧妙地使用一個比例壓力閥同時控制插裝閥和減壓閥，從而同時控制啟閥壓力和出口壓力，使液壓缸內壓力無級可調，工作壓力恒定不變，最終保證了產品的加工質量。

總之，一個設計良好的液壓系統從結構上能具有很大的力矩慣量比，從作業性能上操作方便、動作響應快且能與各種電氣控制系統相匹配，從工作維護上也易完成過載維護與保壓、安全可靠。

2.2 液壓機結構優化

結構優化在工程設計中對成本、材料和時間的貢獻，是一個重要的研究領域。一個構件的結構形狀對其使用壽命起著非常重要的作用，許多結構的失效都是由于疲勞引起的裂紋擴展，液壓機也不例外。運用有限元技術和各種優化方法能對液壓機進行有針對性的結構優化，從而提升其各項性能。比如，在雙柱和四柱液壓機機身變形的研究中，發現在工作時其機身常常會受到較大的靜力載荷，從而導致整體變形并影響加工質量。根據其變形特點，可對上橫梁結構進行加強，通過拓撲優化確定最優的材料分布，通過尺寸優化規范各結構的大小，從而可提升其剛度和強度，可減少上橫梁變形量進而降低拉桿的最大變形量，最終解決了液壓機機身變形的問題。

我們還可以對液壓機中各種功能部件進行優化設計，由點到面、從內而外地提升液壓機的整體性能。液壓墊在液壓機中主要起到緩沖和拉伸的作用，由于液體壓縮性比鋼大百倍，所以要求液壓墊的剛性足夠強大，這樣才能滿足高速沖壓時的壓力。通過增加液壓墊長邊方向的筋板數量，部分改變板料的厚度，在設計域內最大化液壓墊頂板到液壓墊油缸支撐面的距離，就可以使其具有更大的剛度和更輕的重量。液壓機活動梁也是液壓機的關鍵部件之一，其設計質量能影響被壓制工件的精度。采用概念設計的方法，可迅速建立活動梁結構模型，并在設計過程中以最小變形和最小質量為目標進行優化，直接從客戶需求出發進行設計，解決了從產品功能需求到結構映射的轉變過程。

隨著綠色生產的提出，以節能、環保、減污為目標的產品設計逐漸引起了各機械制造企業的重視。目前，國內許多傳統液壓機中都存在著能量浪費嚴重的問題，并且對設備的使用方來說，生產過程中的電能損耗就占主要部分。為此可對一種新型節能液壓機進行設計和優化，采用停止器裝置取代原有液壓主缸的位置，可消除傳統普通液壓機中液壓缸由于大段快速下行行程帶來的液體壓縮問題，減少液壓動力系統冷卻裝置的能量損耗，從而解決了整體的能耗過大問題。同時，通過優化結構和選材來提高機體密封的質量，減少液體泄漏對環境的污染，對大的噪聲源進行隔離和封閉，也是綠色生產中應引起足夠重視的方面。

3 液壓機的未來趨勢

提高電液比例控制技術的應用水平。電液比例技術將傳統的常規通斷式液壓控制與連續式伺服控制的優點相結合，是流體傳動與控制技術的新突破，其具有許多新的獨特優勢。通過預設斜坡函數可簡化液壓系統并提高控制過程品質，同時，利用反饋系統還能提高控制精度并不斷修正達到預期的目標，因此，在工程中得到了越來越廣泛的應用。電液比例控制技術的核心是比例閥，液壓機通過比例閥和比例泵的使用，可以將其各項功能的控制權交給電氣設備，將電控的靈活性與液壓傳動的高效性結合起來，從而使液壓機的控制系統實現了新的轉型升級。而今，負載傳感與壓力補償技術以及電液比例閥先導控制與遙控技術作為電液比例技術的新發展方向，在降低工作液溫度，節約能量并提高工作質量和效率方面將會大顯身手。

提高大型化和高壓化水平。隨著工業4.0和中國制造2025的提出，航空航天工程、核電產業、高速列車以及大鍛件生產等重型工業得到了迅速發展，因此，對產品的質量需求也越來越高。作為零件的生產設備，面對大型鍛沖壓件的輪廓和零件重量，所需的液壓機的公稱力也應相應變大。相輔相成的，高壓化大型化也能促進液壓機結構剛度與精度的改善，從而提高制造件的精度和延長模具的使用壽命。隨著液壓機的大型化和高壓化，產品也日益高參數化和復雜化，所以可靠性應將成為衡量大型液壓機械的主要質量指標之一，同時，大型等溫鍛件、多向模鍛件的工藝也是未來大型液壓機的發展熱點。

提高伺服數字化和智能化水平。伺服液壓機結合了液壓機和全伺服驅動系統的特點，柔性高、結構緊湊、節能環保，通多采用伺服電機進行驅動，能夠使得控制系統更快地響應和處理信息，大大提高了生產效率。同時若是將伺服液壓機接入網絡，工作人員就可以線上管理和控制整個生產線，并通過網絡對生產線實現故障診斷和遠程維護。伺服電機及驅動控制系統的開發是通往液壓機智能化道路的重要一關，智能液壓機涉及機械、計算機、智能控制等多個領域，其中的控制系統就是其“心臟”，起著引領全局的作用。此外，與此系統要有相匹配的軟件程序，為了設置出更高質量的軟件，CAD、CAE技術在軟件開發中的輔助運用也是十分重要的。

4 結語

以上就液壓機的產生過程、改進發展以及未來研究的新方向進行了深入的研究。在時代快速發展，科技日益進步的大環境下，我們應該抓住機遇，勇于迎接挑戰，打破常規、創新思維，結合有效的優化方法和先進的生產技術創造出更優異的機械設備和產品。