博世力士乐对于未来工业液压技术的展望

作者：Dr. Steffen Haack – Bosch Rexroth

尽管近几十年来共同努力改善其形象，但液压仍被许多用户视为恐龙。因此，它不是年轻新兵中的首选。毕业生往往会被他们的数字商业理念吸引到初创环境，并且在比喻意义上，他们会被欲望的对象 – 一只金色的独角兽所吸引。

液压技术如何将其形象转变为新的世界?答案很简单;恐龙必须通过整合新技术，特别是电子控制和机电动力传输来适应。通过这样做，液压系统将为用户变形为一种新颖的高科技体验。

具体而言，这意味着保留液压系统的优势，并将其与技术“IT消费者世界”中的机遇和优势相结合。用户将把“隐藏式”液压系统视为一个紧凑的，完整的功能模块 – 简单，直观，连接，并迅速安装。无论这种未来愿景如何，液压系统必须保持其对机电驱动器的立场。技术转变在许多领域已经非常先进。

在这里，我们需要保卫我们的领土。与液压系统不同，更容易连接和更简单的IT连接长期以来一直是机电解决方案DNA的组成部分。但是，我们如何才能确保未来十年工业液压系统未来的可行性，以及我们必须做些什么才能使其更具竞争力?瞄准金色的独角兽!

随着工业4.0将这些印象转化为更多的金色独角兽，对水力学作为恐龙技术的错误认识应该会消失。

工业环境

工业液压系统不能免受不断变化的市场环境中发生的变化的影响。然而，时尚新技术主题并不是影响未来几年现场的唯一因素。一些熟悉的趋势将继续对未来的增长至关重要。

能源效率。在考虑主要趋势时，环境和资源稀缺总是起着重要作用。它们需要更节能的驱动系统。例如，在欧洲，能源相关法规适用于组件级别(例如，电动机的IE3标准)。除此之外，例如，许多标准和代码适用于批量生产机器的机器效率标签。

能源效率的重要性正在超越工业化国家。能源在世界许多地区仍然太便宜，而新的，创新的方法只会从供应和价格压力中产生。鉴于其特定的优势(高功率密度，大的力)，液压系统注定要用于强大的机器。这尤其适用于节能驱动解决方案特别有益的压力供应站。

外表。持续存在的能效问题引起了速度控制驱动系统使用的稳步上升。高效伺服电机越来越多地取代标准异步电机。技术上可扩展的解决方案已在市场上出售。

环境挑战

工业液压系统在各种环境条件下使用。管理机构对可持续生产，回收和液压产品的处置实施了具体的区域法规。液压油作为必不可少的压力传递介质和润滑剂，在环境影响和系统功能安全方面起着特殊的作用。尽管可快速生物降解的油已有60多年的历史，但最常使用的是矿物油。然而，持续改进不仅与液压油有关：在与液压油，新材料和几何形状的兼容性方面，还必须进一步开发密封件。降低油量是降低环境风险的另一种方法。这些可以通过智能油箱设计实现，主动脱气或更小，分散的驱动轴。

减少使用的油量和改善环境兼容性仍然是持续存在的问题。预计未来环境法规将变得更加严格。因此，石油，密封和液压制造商可能会形成联盟，以进一步改善环境兼容性。

安全相关要求。在欧洲，机械指令要求机器的设计和制造方式应避免对人类构成潜在风险。已经建立了一系列欧洲液压系统安全标准，并通过相关标准(如压力设备指令)对这些标准进行了补充。

安全问题也将成为未来的优先事项。其他地区，特别是新兴国家也预计会有更严格的法规(例如，批准检查，设计指南)。

数字信息采购

工业用户越来越期望他们习惯于从消费者世界配置器，可用性，移动设备，应用程序，云解决方案等中获得相同水平的便利性。根据需求，产品本身将具有来自简单数字接口的任何东西(例如， IO-Link)具有实时功能的多以太网连接。

从2023年开始，新的5G通信标准将导致更多的私有工业网络在工业环境中使用。利用这些基于边缘云的网络，可以实现小于1毫秒的传感器 – 执行器循环时间。结果，可以满足塑料加工机器中的典型控制器要求。集成到产品中的传感器和5G通信将为状态监控提供信息，甚至可用于预防性维护的数据使用。因此，预计会有大量基于数据的商业模式。

电液部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人工智能和基于云的解决方案的其他相关供应商合作。将需要更多的跨技术合作伙伴关系，特别是对于尖端的IT主题。

个别制造商将不再拥有所有必要的技能。目前关于伙伴关系的观念也将发生变化。在某些情况下，未来的合作伙伴将是以前的合作伙伴，而一些以前的合作伙伴可能会成为竞争对手，新的合作伙伴也会出现。如果在数字化，连接和通信方面发生必要的结构变化并且员工具备必要的资质，传统的机械工程和工厂建设只会受益于IT世界中更短的创新周期。

培训和经验。一段时间以来，显而易见的是，拥有专业液压知识的潜在员工数量正在下降。这适用于商业和工程部门。就专业基础和进一步培训而言，例如在德国，没有公认的资格。目前，液压专家主要从相关专业招聘，如农业或建筑机械装配工，工业机械或机电技师。

事实上，没有特定的培训可以作为流体机电一体化专家的资格。大学不提供专门的液压课程，液压技术几乎不是工程课程的基本模块。大学的情况令人不满意。当液压系统作为主题提供时，课程几乎完全受限于标准液压系统而非电液系统。我们在国外看到类似的情况。

实现工业独角兽需要现代化，最新的教学，技术转让以及在学术和商业领域创建新的“流体/机电一体化专家”资格。这是教育政策制定者，行业和国家/国际流体技术协会面临的关键联合任务之一。

未来，将需要两个不同的液压领域的职业概况。一个是具有机械工程技能的组件导向专家，他们开发和优化产品。 另一个是面向系统的流体机电一体化专家，他具有控制技术知识，并精通液压和机电驱动的工具箱。

尽管付出了努力，但目前的教育情况不太可能在不久的将来发生很大变化。在未来的岁月中，改善教育将导致深入的知识将是至关重要的。这是因为如果控制技术，数字化，软件或运动学方面缺乏知识，那么无论技术有多好，电液系统解决方案都不会成功。

机器制造商已经将工程外包给供应商，并且越来越多地采购完整的子系统作为“功能模块”。大型终端用户越来越多地寻求专业公司进行维护工作。因此，维护液压系统应尽可能方便用户，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。

未来生存能力

对于所有应用，肯定没有标准的首选技术。无论是液压还是机电，每种类型的驱动器都有其自身的优点和缺点，只能根据它们对特定应用的适用性进行评估。为了对未来的可行性(超过10年的观察期)做出可靠的陈述，进行了一项调查，以确定是否可以替代10个主要工业液压领域中最重要的应用。

针对上述主要应用考虑了以下驱动器类型：

线性运动：> 80%的应用

液压系统：通过阀门或泵控制和紧凑型轴驱动气缸

机电：滚珠或滚柱螺杆组件

旋转运动：占所有应用的20%

液压系统：泵控制或二级控制

机电：直接驱动或减速电机。

对未来最合适的驱动器类型的总体评估是基于对以下四个主要类别的调查，每个应用总共有13个标准：

功能：动态，稳健性，静态功率限制，准确性，安全性

集成：安装空间，灵活性，用户友好性

成本效益：成本，效率，使用寿命

生态学：生态友好，维护

总而言之，很明显，线性运动的机电系统最大可达500 kN或更高。对于额定值小于100 kN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，涂层和几何形状可以实现功率和速度的轻微改进，但似乎不太可能出现革命性的跳跃。然后，通过机械传动的功率和扭矩的任何进一步增加将受到要加速的质量的限制。

液压驱动装置已经传递的力比过去大100倍。就机电系统的物理性能限制而言，与液压系统不同，没有明显的中断。因此，预计在这两个领域都会有进化的进一步发展。金属切割机和转子驱动器中的液压系统可能面临更加激烈的竞争。然而，通过阀门控制系统以及更加用户友好的产品和系统，也将有机会实现节能。就线性应用而言，液压系统将通过紧凑型轴的进一步创新开发来保持甚至改善其位置。

一旦这样的开发是自动电液轴，其由电动泵单元，歧管和汽缸组成。这些轴几乎不需要维护，其调试与机电驱动相同。与液压相关的细节已经包含在软件库中。因此，即使是复杂的行程轮廓 – 例如用于成形，连接，注塑和其他大力应用的行程轮廓 – 也可以非常容易地进行参数化。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SIL 3的安全等级。

发展趋势

各种市场，行业和应用领域对工业液压系统提出了截然不同的要求。近几十年来出现的发展领域主要集中在以下方面：

能效(减少流动力，减少压力损失，提高效率)

降噪

减少油箱容量

压力水平更高，安装空间更小

改善材料和油性能

更高的可用性和预测性维护

用户友好性(车载电子设备，调试软件)

安全

虽然这些问题在未来仍将发挥作用，但它们本身已不再足够。3D金属印刷等工业趋势为液压技术提供了新的技术机会，例如优化的核心设计(砂印工艺)，以改善流动性或伺服阀的生产。

在敏感环境中的应用

一部分工业液压系统的特点是特殊的环境条件，通常是连续工艺。它包括海洋和近海工业，水利工程钢结构，冶金，铸造机械，采矿等，其中系统安装在室外或类似环境中。对于涉及连续过程的生产系统，重点是OEE(整体设备效率)，通过优化流程，提高质量和实施预测性维护来实现生产力的提高。基于机器学习的高性能诊断系统 – 例如力士乐的在线诊断网络(ODiN) – 已经可以可靠地预测组件何时出现故障，正在以液压技术开发。

在许多情况下，需要符合环保等级(例如防爆)，冗余压力供应站以及可生物降解流体的使用。鉴于此处描述的环境，未来可能会实施进一步的环境法规。避免流体溢出风险的有效方法是减少系统中使用的油量。进步的基础是罐体设计，允许自然被动脱气。使用包括传感器的主动脱气模块来监测流体中释放的空气的比例可以导致油量的进一步减少。与传统设计相比，油量可减少多达70%。其他积极影响包括安装空间减小50%并显着降低油耗。

除了进一步开发技术和流体以帮助改善环境兼容性之外，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或自动船舶。

生产应用

另一个细分市场受到未来工厂的发展和趋势的影响。这涉及例如安装在现代工厂中的压力机，塑料加工机器，组装系统，机床，测试机器和类似机器。在确定对工业液压系统的要求之前，必须先描述未来的工厂。主要目标是通过透明度提高生产力和效率。

未来的工厂将非常敏捷。高灵活性和适应性是关键目标，而透明度将有助于避免意外，昂贵的停机时间。墙壁，地板和天花板将保持原位 – 其他一切都将是移动的。装配线将采用模块化设计，机器将进行重组，以便为新用途创建新的生产线。它们将通过5G相互无线通信，并通过地板上的感应充电系统供电。

在未来的工厂中，一切都将连接起来 – 从现场级到基于云的IT系统。自动化和驱动解决方案只能通过开放标准通信适应这种环境。它们易于配置，功能和类存储在设备数据中，并由固件控制或管理。工业液压必须采用已经在使用的多以太网和IO-Link等开放标准来适应这个世界。通过实时扩展，所有组件，模块和机器将共享信息。

然后，这些数据需要在未来的所有产品中实施，因为未来工厂中的价值流映射将被数字化。数字商业模式将继续基于构成新的和现有基础设施的所有执行器，模块，传感器和机器的准备运行数据。

其中一个是来自博世力士乐的CytroBox，这是我们最新一代的液压动力装置。CytroBox是一个分散的单元，既可移动又灵活。它具有即插即用的概念和分散的智能，为机器制造商提供了具有众多内置功能的现成驱动控制器。包括关键安全功能和驱动控制，因此可以轻松集成和配置以适应特定应用。集成和有线传感器提供有关过滤器，流体和驱动条件的信息。收集的传感器数据通过IO-Link捆绑在一起，并由驱动控制器预处理，与现代机器设计网络连接。

类似的机器及其模块将是无线的，将通过开放接口交换信息和指令，并持续监控自己。凭借其多以太网接口和开放式核心工程，CytroBox提供了这种未来的可行性。与现代机电驱动器一样，该装置使用博世力士乐的CytroConnect进行IoT准备。所有关于设备的信息 – 从组件和运行状态或定期维护工作到力士乐在线诊断网络(ODiN)的预测性维护分析 – 都可以方便地获得。根据要求，维护功能，故障检测和预测性维护的其他附加软件包可作为附加服务提供。

“把它包起来”

传统的液压系统将在未来10年内发生重大变化。智能，传感器，电子和软件将越来越多地融入钢铁和铸铁中。这将受到IT和自动化趋势的强烈影响。用户将体验工业液压作为现成的功能模块，具有与IT消费者世界相同的用户友好性。虽然它被许多人认为是恐龙，但工业液压系统将逐渐演变成一种有吸引力的独角兽 – 明天的工业液压系统。电气自动化和IT技术的新发展将使工业液压系统更容易集成，并使其更具竞争力。

提供工业水力发展潜力的领域包括紧凑的轴，能源效率和用户友好性。基于IT的新自动化世界的发展将补充以前液压领域的关键领域。数字化(软件，连接，专用网络，应用程序等)以及数据使用(传感器，Web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。