75 年的创新如何塑造了液压和气动领域

摘要

流体动力行业的成员提供了他们对液压和气动领域已经发生的以及即将出现的技术创新的见解。

原文：Sara Jensen | Technical Editor, Power & Motion

整理：腾益登

自从首次使用液压和气动技术以来，这些技术不断发展以满足新的应用和行业需求，并利用各种技术进步。在过去的 75 年里，《Power & Motion》(最初称为“Applied Hydraulics ”)涵盖了流体动力行业为提高性能、能力和满足客户需求所做的持续努力。

当《Applied Hydraulics》第一期于 1948 年 2 月出版时，编辑的信中表示，用于驱动和控制的液压机构的使用已大幅增长，并且进一步增长的潜力是显而易见的。在 1958 年 9 月号中，该出版物宣布更名为《Applied Hydraulics & Pneumatics》，以更好地反映其对如何使用流体(无论是空气还是石油)传输能量的报道。正如该期编者按中所述，更名后的出版物认识到压缩空气和油的广泛使用，虽然应用可能不同，但液压和气动解决的基本设计问题是相似的，因此能够为那些使用其中任何一种的人员提供学习机会 技术。

快进到今天，现在液压和气动可以在许多市场和应用中找到。流体动力行业也正在经历另一场演变，电子与液压和气动的集成(在某些情况下取代液压和气动)的不断增加，以实现更高水平的效率、精度和数据收集。

为了更好地了解过去 75 年来液压和气动领域发生的众多创新，以及对这些技术在未来几十年的发展方向的思考，Power & Motion 采访了流体动力领域的几位成员。行业对这个不断发展的行业的看法。

Power & Motion (P&M)：过去 75 年来，液压和气动行业最大的技术变革是什么?

丹佛斯动力解决方案流体静力学部门总裁 Tony Welter：在我看来，液压行业最大的变化是组件和系统效率的惊人提高。许多因素导致了组件效率的提高。第一个是水力学科学的进步。今天，我们更好地了解液压油如何流经组件、损失发生在何处以及组件如何相互作用。有限元分析、计算流体动力学和其他工具使我们能够改进液压部件的设计、性能和稳健性。制造技术的类似进步，如精密加工和精加工以及复杂的型芯铸件，使得能够生产更紧凑、更高效的部件。在系统方面，我们已经从低效的固定排量系统发展到具有先进控制的可变排量负载传感系统。这些按需系统节省了大量能源。

Dave Geiger，穆格公司新业务开拓工程经理：在我看来，提供电子闭环控制的能力是最大的技术进步。请注意，我们能够机械地完成它。但现在几乎一切都在以电子控制的方式运行。

Frank Langro，Festo 北美公司气动执行产品市场管理总监：巨大的技术变革是传感器的小型化及其与气动设备(包括气缸)的集成。传感器带来有关机器状态的信息，而微型传感器正在集成到气动设备中并捕获有关设备的信息。然后可以使用实时数据来修改设备的行为。实际上，该设备变得智能并且能够对周围条件做出反应。这距离“砰砰”气动的时代已经很远了。

Neal Gigliotti，博世力士乐应用工程经理：过去 75 年里发生了许多关键变化，包括动态闭环比例控制阀、数字液压轴和泵控制器、固态 PLC 技术、现场总线(以太网)的发明 组件通信、变速伺服电机控制液压泵、计算机的发明以及基于计算机的液压和控制系统仿真的后续发展。

Gregg Shanley，汽车和工业技术营销经理和 Steve Plumley，The Lee Company 内部销售运营经理：在过去 75 年里，液压和气动行业帮助迎来了历史性变革，持续推动多项技术领域的重大创新 航空航天、汽车、工业和医疗领域的应用。根据 The Lee 公司的工程师的说法，我们可以将这些进步分为两个不同的类别：气动或液压系统整体可靠性的提高以及这些系统小型化的总体趋势。

由于液压和气动系统所服务的功能至关重要，因此安全性至关重要，并且不允许出现任何错误。消费者已经并将继续要求可靠、创新的解决方案来解决他们的问题，同时又不影响功能、形式或安全性。系统已经从庞大而笨重变得小巧而可靠，这使得它们变得更加复杂，但对于普通消费者来说更易于使用、更安全且更具成本效益。

行业的变化和进步是永无止境的。以防抱死制动系统(ABS)为例。五十年前，驾驶员在紧急停车时手动踩下或猛踩车辆制动器，导致内部液压系统磨损，从而产生足够的力来停止车辆。现在，同一位驾驶员可能正在驾驶一辆配备 ABS 的汽车，ABS 会主动为他们完成这项工作，通过检测和监控每个车轮的转速，帮助调节刹车的使用和在潜在危险条件下的操纵。液压系统现在被用于假肢关节，帮助患者恢复更自然的活动感觉和日常生活的正常感。现在，系统可以堆叠成模块化“包”，能够在独立的液压装置中执行多种功能。例如，就反铲装载机而言，这些堆叠式微型系统可以适应提供在同一系统内执行新的移动过程(例如挖掘和提升)的功能。

上面的每个例子都标志着一项令人兴奋的创新，这些创新在某种程度上帮助改变了过去 75 年来我们与世界互动的方式。我们很自豪能够继续帮助解决独特的液压和气动挑战。

P&M：在您从事流体动力行业的职业生涯中，您看到哪些更令人兴奋的进步或进入市场的有趣技术?

Tony Welter，丹佛斯：电液 (EH) 组件和系统的稳定增长是我在整个职业生涯中看到的最有趣的进步之一。液压与电子和软件的集成使这些组件变得智能，并使它们能够完成我们用机械或液压先导控制无法完成的事情。软件控制使我们的产品更具可配置性。与硬件配置相比，我们拥有更大的灵活性，这简化了机器开发和调试。为了让机器做我们想要它做的事情，我们不再需要改变硬件，例如线轴。我们可以在几分钟内调整软件参数。

软件还使我们能够向机器添加操作员需要数年时间才能掌握的功能，从而显着提高机器的生产率和安全性。现在，通过传感器的集成，我们还可以更深入地了解我们的组件在零件级别和系统级别上的工作方式和工作方式。进入这个行业并看到液压技术的能力不断发展，这确实是一个令人兴奋的时刻。

Dave Geiger，穆格：对我来说，职业生涯中最令人兴奋的进步是能够通过静液压传动设计电动运动控制。总而言之，这意味着电动机向前或向后移动，而我们通过静液压传动装置向前或向后移动执行器。这是令人兴奋的，因为该行业正在向电动化发展，而我们正在朝这个方向努力。但是，我们仍在使用液压系统，并且有很大的好处。执行驱动的另一种选择或方式是机电方式。

Frank Langro，Festo：Festo 开发了两项突出的进步。第一个是在阀门歧管的气动侧集成串行通信。典型的螺线管是通过阀歧管上的通道内的离散接线或通过具有离散迹线来向螺线管发出信号的电路板来操作的。Festo 于 2003 年推出 MPA 阀组，率先在阀组的气动输出侧采用串行通信。串行通信允许将比例阀和传感器技术安装在阀组上。这激发了新的安装方法。它还可以监控歧管并增强控制。

第二个游戏规则改变者是用于先导阀应用的压电技术的开发，该领域传统上由电磁阀占据。施加电压时压电元件会改变形状。Festo 利用这一原理创建了一种先导配置，使滑阀能够充当典型的方向控制阀。此外，压电阀可以通过先导控制来改变功能。相同的物理硬件可以充当 4/2、4/3、3/2 和 2/2 阀门。主阀还可以进行压力和流量控制。这一令人兴奋的发展为气缸开辟了多种运动可能性。例如，可以通过阀门实现软停止，而无需使用外部减震器。

James Lane，博世力士乐 LETO 工程运营经理：闭环轴控制。以如此高的精度控制如此大的功率的能力确实开辟了液压技术的可能应用。

The Lee Company 的 Gregg Shanley 和 Steve Plumley：流体动力行业开发了无数技术，帮助创新和改变了现代世界。我们专家职业生涯中的亮点包括汽车液压安全功能、动力外骨骼和便携式液压手动工具。虽然这些工具服务于各个领域的不同应用，但它们的存在编织了一个相似的主题：流体动力行业的创新带来了更便宜、更容易获得和更可靠的技术。

我们可以在汽车行业看到这一点，消费者可以通过液压和气动动力获得新的安全特性和增强的功能。稳定性和牵引力控制、主动车辆悬架控制和防抱死制动系统等功能使汽车变得更加复杂，但驾驶起来更安全。当汽车在操纵时能够感知到向每个车轮提供的正确扭矩(或使用 GPS 自动改变车辆高度以预测减速带等情况)时，普通驾驶员能够更好地保持控制。

在汽车领域之外，令人兴奋的进步不断取得。动力外骨骼可作为人体的延伸用于各种应用，以减少疲劳或增强力量或运动范围以完成任务。液压工业工具(例如电池供电的切割和压接工具)现在是手持式的，可以轻松地从一个地点移动到另一个地点。有些甚至可以远程访问，允许用户从安全距离控制该工具。随着流体动力行业在整个技术堆栈中不断开发新的进步，这些令人兴奋的工具无疑将继续在全面的安全保护伞下提供日益增强的功能。

P&M：您认为有哪些技术或趋势会影响液压和气动系统，但从未真正流行起来?

Tony Welter，丹佛斯：就我个人而言，我认为电动液压系统的采用将会更快，而且我们会看到比今天更大比例的 EH 系统。反思为什么我们没有看到更快的采用，我认为这可以归结为风险规避。软件和电子设备非常复杂，恶劣环境下的电子设备可靠性长期以来一直受到质疑。EH 组件和系统的维护和修理对于许多人来说也是新领域。好消息是，自从推出第一个电动液压组件以来，我们已经取得了长足的进步。我们的许多电子元件现在都具有专为严酷的非公路环境而设计的入口保护和振动等级。随着 EH 组件变得普遍并且具有诊断功能，维护也变得更加常规。

能源回收是另一个起步缓慢的领域。我们看到了许多在液压系统中捕获能量的机会，从降低机器负载或回转减速。但能量回收设备增加了机器的成本和复杂性，而且价值主张高度依赖于机器的工作循环。例如，如果我们看一下挖掘机，为房屋挖掘地基的建筑公司不会获得与不断运行机器的采石场操作员相同的好处。这实际上取决于 OEM 是否看到了其价值，以及将技术作为标准或可选功能进行投资是否经济。我们确实看到了能量回收的机会，特别是当我们考虑新的机器架构时。

Dave Geiger，穆格：当我还是一名年轻工程师时，我记得我的第一个雇主，大约是 1998 年。公司创始人带我去看他制造的第一台机器——一台机电高速注塑机，建在 20世纪50年代。他说：“这台机器很有趣，因为我们有这样的机电机器，虽然出现了很多故障，但我们还是制造了很多这样的机器。”然后，这种奇妙的闭环液压技术彻底改变了机械行业。

现在正在发生的事情是，机电有了新的推动，但电液也有很多优点。那么，为什么该行业要放弃液压呢?原因是清洁和效率。这让我们远离了液压系统，我对液压系统彻底崩溃感到非常失望。许多机电技术正在取代液压技术，但现在我们开始看到液压技术随着电流静压驱动而卷土重来。EHA 能够提高效率并清理机器和泄漏，因为您不再需要传统液压系统所拥有的管道和管道。

Frank Langro，Festo：有些趋势需要时间才能被接受。2000 年代初，Festo 开发了气动监控系统。它从未成功，部分原因是捕获和分析数据需要额外的硬件。如今，随着大量数据传输到云端，气动系统的监控变得更加普遍。这表明某些事态的发展可能只是时间问题。

Neal Gigliotti，博世力士乐：10 年前，伺服电机控制的液压泵迅速取代了塑料注塑机械中几乎所有传统的电机泵驱动装置，但在其他行业中的接受速度却很慢。

The Lee Company 的 Gregg Shanley 和 Steve Plumley：虽然液压和气动技术趋势受到行业内部和外部的多种因素的影响，但某些行业向全电动化的步伐比最初预测的要慢 。据 The Lee 公司的工程师介绍，电力与液压动力的争论已经持续了很长时间，尤其是在那些遵守安全规则和法规至关重要的行业。

以航空航天业为例：虽然现代飞机的个别系统的某些部分确实正在从纯液压转向电力驱动，但这种变化发生得相当缓慢。这在很大程度上是由于需要检查、平衡和冗余，以确保每个组件或系统的可靠和持续的性能。使用电力时，通常需要备用液压冗余来确保飞机的关键部件(例如起落架、襟翼或其他所需的飞行控制装置)按预期工作 - 即使突然断电也是如此。考虑到即使对飞机设计进行微小的调整也会影响船上人员的固有安全，这种更缓慢、更谨慎的变革方法就显得更加重要。

对于可能没有与航空航天业相同安全要求的其他行业来说，这种转变的速度有所不同。然而，纯电力系统的全面采用尚未发生。尽管变革的步伐可能没有最初预测的那么快，但随着流体动力行业不断寻找创新方法来改变我们执行某些类型工作的方式，这些对话肯定会持续下去。

P&M：您认为未来 75 年的液压和气动技术将会怎样?

Tony Welter，丹佛斯：很明显，未来几年液压系统将受到电气系统的挑战。我们不应该担心威胁，而应该将其视为机遇。我们可以并将在未来几年继续利用液压技术的优势，特别是在我们提高液压效率的情况下。在组件级别上，我们在某种程度上耗尽了物理知识，但系统效率和新架构有可能显着提高。

我们还看到我们的解决方案与车辆及其生态系统更加集成，以目前不具备的方式与机器的原动机进行交互。已经投入使用的一个例子是丹佛斯的最佳点控制软件，它将发动机映射到所需的性能，使我们能够找到最有效的操作空间。我认为我们将看到液压系统与动力系统的更深入集成，而不仅仅是在柴油机上。在电动汽车上，液压系统在功率密度和可靠性方面仍然有很多优势，我们将看到利用这些优势的新架构。液压和电气可以协同工作，为应用和客户提供整体最佳解决方案。

很难预测 75 年后的世界会是什么样子。但当我们审视当今的市场时，我们仍然看到液压系统有大量的增长机会。我们尚未达到液压峰值，我很高兴看到新架构、更高集成度、更高效率和能源回收中出现的机会。

Dave Geiger，穆格：我相信我们将看到液压技术通过采用电流静压驱动(EHA)开始夺回市场。不是机电的，传动部分都是液压的。

Frank Langro，Festo：我认为便携性和小型化将会继续下去。便携性和小型化将导致自动化在传统工业环境之外使用。便携式压缩空气系统将使气动装置的部署无需压缩机和压缩空气管道系统的大量开销。这将刺激使用点气动的新应用。例如，压电技术现在在便携式氧气设备中运行，可以延长电池寿命。在农业领域，正在开发带有气动自适应夹具的自引导移动设备来收获软农产品。

博世力士乐工程系统和解决方案主管 Jon Frey：与过去几十年内燃机的情况一样，电子、液压和软件的持续结合可能会成为下一个更大里程碑的发生。在那些应用、市场和环境中，电气将继续取代液压，在这些应用、市场和环境中，液压紧凑性、灵活性、减震和功率密度的全部优势并不是客户的主要痛点解决方案或 USP。对组件、系统和硬件“健康状况”的监控将继续增加，以实现预防性和预测性服务目标。在可预见的未来，液压技术仍将保持重要地位。单一的替代技术并不能轻易否认加压流体可以实现的目标。

The Lee Company 的 Gregg Shanley 和 Steve Plumley：我们的工程师预测，该行业将继续关注混合动力系统和远程控制液压系统。

根据我们的工程师的说法，液压系统将始终以某种形式存在，因为它们本质上是一种节能的工作方式。然而，如果未来电力系统比液压系统更具成本效益和能源效率，趋势可能会转向更比例的趋势。随着我们走向平衡的未来，系统将继续组合并变得更加复杂。例如，您可能会看到一个在小型液压装置上远程完成工作的系统，其中控制该系统的信号以电子方式发送(例如，通过无线电信号)。该装置可以做得非常节能，并且其较小的相对尺寸和重量可以降低消费者的成本。

远程控制液压设备的最终增加也可能与工业和仓库应用特别相关，使企业能够超越正常容量以提高效率。例如，我们未来可能会看到更多小型化和远程控制的叉车被使用，它们可以执行普通尺寸叉车的所有工作(但可能需要更少的人工干预)。

虽然上述工具今天可能已经以某种形式存在，但 Lee 公司的工程师预测，这些类型的液压和气动技术只会继续变得更加可靠、高效，并且可供普通用户使用。为了在市场上保持竞争力，公司必须不断将自己的产品与竞争对手的产品区分开来——无论是通过提高产品的安全性和可靠性、降低客户的成本，还是开发一些其他有利于最终消费者的独特功能 以可测量的方式。此过程通常会产生更好的产品，并通过液压和气动系统实现增强的功能。