浅谈液压系统的绿色设计原理及应用

一.机械产品绿色设计理念的提出背景
工业革命以来，人类社会经过100多年的快速发展，目前已经面临社会发展与环境和资源之间的深刻矛盾。在人类对自己长期以来采用较为粗放的、大规模工业发展模式及由此而引起的资源枯竭、环境恶化等问题的反思之后，如何选择一条适合该国国情的可持续发展道路，实现人与自然的和谐相处，成为世界大多数国家的共识。这种共识的代表就是1972年在瑞典斯德哥尔摩召开的“联合国人类环境会议”通过的《人类环境行动计划》，1992年联合国在巴西里约热内卢召开的“世界环境与发展大会”通过的《关于环境与发展的里约热内卢宣言》、《21世纪议程》，以及2002年联合国在南非约翰内斯堡召开的“可持续发展世界首脑会议”通过的《关于可持续发展的约翰内斯堡宣言》与《可持续发展世界首脑会议实施计划》，其核心是提出了应建立社会、经济、资源和环境相协调的可持续发展战略。
作为人类社会可持续发展的重要标志，是使子孙后代拥有与当代人相同，甚至比当代人还多的人均财富和生存发展空间。这就要求当代人要有对历史和子孙后代负责的精神，切实地改变现在传统的发展思维模式以及由这种思维模式而产生的生产、生活和经济发展方式，特别是在这么一个经济快速增长、人口众多、人均资源不到世界平均水平1/2的发展中国家更是如此。应该看到，由于中国经济基础薄弱，技术相对落后，发展大部分是通过以自然资源和劳动力为主要的投入手段所推动的，是一种粗放型的经济增长方式。这种发展的结果，是现在面临越来越严重的资源短缺和生态环境恶化问题。
经济发展必须有利于资源的良性利用，有利于生态系统的良性循环，有利于改善和提高人民的生活水平；而不能以浪费资源、破坏生态环境和降低人民生活质量为代价。党中央提出了“要树立以人为本，实现全面、均衡和可持续的科学发展观”，这体现了中国政府在国家经济发展基本模式上观念的进步。作为可持续发展战略的重要组成部分，以绿色设计和绿色制造为主要特征的绿色浪潮正在席卷全球。通过绿色设计和绿色制造，人们希望实现对资源的循环利用、降低能源消耗和最大程度地减小产品制造和使用对环境的影响，实现可持续发展的目标。

二.绿色设计理念对液压系统设计的影响。
众所周知，液压技术目前主要以矿物型液压油为工作介质，所以很多时候人们都认为液压传动就是油压传动，于是液压元件也就分别被叫做液压泵，液压缸，油管等。而矿物型液压油同有的性质决定油压传动存在着污染环境、易

燃、浪费能源等缺点，使得其与当前的“绿色浪潮”不符。液压技术又是现代工业所不可缺少的，机、电、液一体化是传动技术发展的必然趋势，这也必然要求用绿色液压系统取代传动液压系统。 什么是绿色液压系统，目前还没有统一的定义。通常人们认为，环境友好、效率高、功耗小的液压系统就是绿色液压系统。这仅仅是从使用角度对绿色液压系统的界定。我们认为真正的绿色液压系统应该是整个系统从设计、制造、包装、运输、使用到报废回收处理的全生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使相关企业经济效益和社会效益协调优化的液压系统。也就是说绿色液压系统的元件和工作介质，从选材到生产制造，再到后续的包装运输、安装与投人使用，直到报废和系统元件与工作介质的回收，重新利用，处处都要做到绿色，整个的过程要涉及到不同的企业，并且要协调好这些相关企业的经济效益和社会效益。

三.液压系统绿色设计原理
1、液压系统绿色设计原则
该设计原则是在传统液压系统设计中通常依据的技术原则、成本原则和人机工程学原则的基础上纳入环境原则，并将环境原则置于优先考虑的地位。液压系统设计的原则可概括如下：
(1)资源最佳利用率原则
少用短缺或稀有有原材料，尽量寻找其代用材料，多用废料，余料或回收材料作为原材料；提高产品的可靠性和使用寿命；尽量减少产品中材料的种类，以利于产品废弃后的有效回收等。

(2)能量损耗最少原则
尽量采用相容性好的材料，不采用难以回收或无法回收的材料；在保证产品耐用的基础上，赋予产品合理的使用寿命，努力减少产品使用过程中的能量消耗。

(3)零污染原则
尽量少用或不用有毒有害的原材料。

(4)技术先进性原则
优化产品性能，在结构设计中树立“小而精”的设计思想，有同一性能情况下，通过产品的小型化尽量节约资源的使用量，如采用轻质材料，去除多余的功能、避免过度包装等，减轻产品重量；简化产品结构，提倡“简而美”的设计原则，如减少零部件数目，这样既便于装配、拆卸，又便于废弃后的分类处理；采用模块化设计，此时产品是由各功能模块组成，既有利于产品的装配、拆卸，又便于废弃后的回收处理，在设计过程中注重产品的多品种及系列化；采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，简化拆卸过程，如结构设计时采用易于拆卸的连接方式、减少紧固件用量、尽量避免破坏性拆卸方式等；尽可能简化产品包装且避免产生二次污染。

(5)整体效益最佳原则
考虑产品对环境产

生的附加影响，提供有关产品组成的信息，如材料类型及其回收再生性能等。

2、液压系统绿色设计策略
(1)工作介质污染控制
液压系统一思想污染物、入侵污染物和生成污染物。在产品设计过程中应本着预防为主、治理为辅的原则，充分考虑如何消除污染源，从根本上防止污染。
在设计阶段除了要合理选择液压系统元件的参数和结构外，可采取以下措施控制污染物的影响。在节流阀前后装上精滤油器，滤油器的精度取决于控制速度的要求。所有需切削加工的元器件，孔口必须有一定的倒角，以防切割密封件且便于装配。所有元器件、配管等在加工工序后都必须认真清洗，消除毛刺、油污、纤维等；组装前必须保持环境的清洁，所有元器件必须采用干装配方式。装配后选择与工作介质相容的冲洗介质认真清洗。投入正常使用时，新油加入油箱前要经过静置沉淀，过滤后方可加入系统中，必要时可设中间油箱，进行新油的沉淀和过滤，以确保油液的清洁。

工作介质污染的另一方面是介质对外部环境的污染。应尽量使用高黏度的工作油，减少泄漏；尽快实现工程机械传动装置的工作介质绿色化，采用无素液压油；开发液压油的回收再利用技术；研制工作介质绿色添加剂等。

(2)液压系统噪声控制
液压系统噪声是对工作环境的一种污染，分机械噪声和流体噪声。在液压系统中，电动机、液压泵和液压马达等的转速都很高，如果它们的转动部件不平衡，就会产生周期性的不平衡力，引起转轴的弯曲振动。这种振动传到油箱和管路时，会因共振而发出很大的噪声，应对转子进行动平衡试验，且在产品设计时应应注意防止其产生共振。机械噪声还包括机械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声。因此，必须严格保证制造和安装的质量，产品结构设计应科学合理。

在液压系统噪声中，流体噪声占相当大的比例，这种噪声是由于油液的流速、压力的突变、流量的周期性变化以及泵的困油、气穴等原因引起的，以液压泵为例，在液压泵的吸油和压油循环中，产生周期性的压力和流量变化，形成压力脉动，从而引起液压振动，并经出油口传播至整个液压系统，同时，液压回路的管路和阀类元件对液压脉动产品反射作用，在回路中产生波动，与泵发生共振，产生噪声。开式液压系统中混入了大约5%的空气。当系统中的压力低于空气分离压时，油中的气体就迅速地大量分离出来，形成气泡，当这些气泡遇到高压便被压破，产生较强的液压冲击。因此在设计液压泵时，齿轮泵的齿轮模数应量取小值，齿轮取最大数，卸荷槽的形状和尺寸要合

理，以减小液压冲击；柱塞泵的柱塞数的确定应科学合理，并在吸、压油配流盘上对称的开出三角槽，以防柱塞泵困油；为防止空气混入，泵的吸油口应足够大，而且应没入油箱液面以下一定深度，以防吸油后因液面下降而吸入空气，为减少液压冲击，可以延长阀门关闭时间，并在易产生液压冲击的部位附近设置蓄能器，以吸收压力波；另外，增大管径和使用软管，对减少和吸收振动都很有效。

(3)液压元件的连接与拆卸性的设计
液压系统设计应尽量提高液压系统的集成度，采用原则是对多个元件的功能进行优化组合，实现系统的模块化，并尽可能使液压回路的结构紧凑，如减小液压元件间的连接，设计易于拆卸的元件等。在满足其功能的基础上，设计的重点是液压元件地连接技术，不同连接结构的装配和拆卸的复杂程度不同，焊接连接的装配和拆卸的复杂程度最高，易导致零部件破坏性拆卸，螺钉连接的装配容易而可拆卸程式度要受环境影响，如果生锈则会导致拆卸复杂，铆钉连接的机械装配性较好但拆卸复杂，嵌人咬合是装配性的拆卸性均较好的一种连接方式，但在连接强度要求高的情况下，其连接的安生性降低。

为了使液压系统结构更紧凑，根据其安装型式的不同，阍类元件可制成各种结构型式；管式连接和法兰式连接的阀；插装阀便于将几个插装式元件组合成复合阀，板式连接的普通液压阀可安装到集成块上，利用集成块上的孔道实现油路间的连接，或可直接将阀做成叠加式结构即叠加阀，叠加阀上有进、出油口及执行元件的接口、其接头可做成快速双向接头，提高装配性和可拆卸性。

(4)液压系统的节能设计
液压系统的节能设计不但要保证系统的输出功率要求，还要保证尽可能经济、有效的利用能量，达到高效、可靠运行的目的，液压系统的功率损失会使系统的总效率下降、油温升高、油液变质，导致液压设备发生故障。因此，设计液压系统时必须多途径地降低系统的功率损失。

在元件的选用方面，应尽量选用那些效率高、能耗低的元件，如选用效率较高的变量泵，可根据负载的需要改变压力，减少能量消耗，选成集成阀以减少管连接的压力损失，选择压降小、可连续控制的比例阀等。

采用各种现代液压技术也是提高液压系统效率、降低能耗的重要手段，如压力补偿控制、负载感应控制以及功率协调系统等，采用定量泵+比例换向阀、多联泵(定量泵)+比例节流溢流阀的系统，效率可以提高28%~45%，采用定理泵增速液压缸的液压回路，系统中的溢流阀起安全保护作用，并且无溢流损失，供油压力始终随负

载而变，这种回路具有容积调速以及压力自动适应的特性，能使系统效率明显提高。

在液压系统故障中, 许多故障以噪声的方式表现出来,因为一般液压系统有噪声发生时, 系统往往不能正常工作,所以分析噪声产生的原因既是降低噪声的前提, 同时也是排除液压系统故障所必须的。噪声产生原因比较复杂, 仅从理论上分析难以达到预期的效果, 必须针对不同情况, 采取不同的措施, 才能有效地降低噪声。文中将对生产现场液压系统的噪声进行分析, 并提出解决办法。

四.绿色液压系统分类、研究及应用情况
因其特有的绿色优势，目前世界各国都高度重视水液压传动系统的研究与应用。美国、日本等西方国家自２０世纪７０年代开始研究开发水液压技术，部分产品已经在工业中得到应用。其应用领域主要有矿山开采、海洋作业、建设机械、医药及食品加工、电子工业、核能产业、消防系统、包装及造纸设备等。由于早期水压元件的选材主要局限于金属（包括合金）材料，金属对偶副在水润滑条件下的摩擦磨损性能有限，因而研究工作进展缓慢。随着工程陶瓷和工程塑料及其复合材料等新型工程材料相继投入实际工程应用，再加上相关学科的迅速发展，有效地解决了水压元件面临的相关技术难题，使研究工作取得了突破性进展。日本、美国、欧共体等均成立了专门的水压传动研究委员会，如芬兰的坦佩雷工科大学组建了国家级的水压技术研究中心；在日本不仅有了流体动力公司．而且还在流体动力系统学会里成立了水压传动技术研究委员会，目的是集中力量进行水压传动关键基础技术的研究，研发高性能的水压元件和系统，普及、推广水压传动技术并开拓新的应用领域，促进现代水压传动技术的发展。在水压元件开发方面，如丹麦、英国、法国等欧洲国家生产的水压元件综合性能已处世界领先水平，尤其是丹麦，水压元件和水压设备的产品种类繁多，已形成系列化。欧、美已有数十家专业从事水压元件及系统生产或销售服务的公司。
我国也是世界上研究和应用水压传动最早的国家之一，可追溯到古代劳动人民发明的水车、水磨。上海江南造船厂于１９５９年研制成功我国第一台万吨水压机。现代水压传动技术的研究是华中科技大１９９０年在国内率先开展的，１９９６年研制出额定压力为７ＭＰａ的中低压水压元件，包括轴向柱塞式水压泵、压力控制阀、流量控制阀及相应的辅件等，已成功地投入实际应用。１９８８年研制出水压元件关键摩擦副模拟摩擦磨损实验台，为中高压水压柱塞泵、马达的设计、开发奠定了坚实的基础

，同时也为其他各类水压元件摩擦副的选材提供了参考依据。研制出氧化铝.氮化硅工程陶瓷斜盘、滑靴、配流盘和增强或改性工程塑料缸套、滑靴、配流阀等试件，并相互组合进行了模拟摩擦磨损实验研究，对新型工程材料水压元件的设计计算方法、成形及加工工艺进行了有益的探索。２０００年建成水压元件各类流道过流特性实验系统，另外还建成了中低压水压元件综合性能实验系统，开展了中高压水压柱塞泵、马达、三大阀类的计算机仿真和优化设计工作，中高压水压元件综合性能实验系统和各类中高压水压元件正在设计、制造之中。国内其它研究单位还有：浙江大学、北京工业大学、昆明理工大学、哈尔滨工业大学、西南交通大学等高校和北京自动化研究所、中船重工业集团：７１９所、武汉第二船舶集团等单位。但总的来说，国内对水压传动技术的研究起步较晚，力量薄弱，发展较慢。而我国的资源和环境情况更迫切地要求我们发展水压传动技术，实现液压系统的绿色化。
绿色液压系统可以分为完全绿色液压系统和部分绿色液压系统。从严格意义上来讲，当前的液压系统都算不上是真正的完全绿色液压系统。现在经常提到的绿色液压系统，一般都是指在液压系统的某一方面或某些方面向绿色的要求靠近。改进的重点主要集中在液压系统的效率、能耗和工作介质上。而对传统油压系统进行优化设计以提高功效、减小能耗、降低污染以及促进系统材料的回收和再利用的这些液压系统都只能算是部分绿色液压系统。从环境的角度来说传统油压系统的主要危害来自于其工作介质。研究表明，约有８５％的液压介质因泄漏、管路破裂、接头及密封失效而最终从液压系统流失…。所以要想实现真正意义上的完全绿色液压系统，必须使用无污染、无危害害、廉价易得的工作介质。在工作介质改进的历程中先后出现了各种改进类型的液压传动介质，如磷酸酯、高水基、水一乙二醇等合成抗燃液压液以及新近出现的植物油、聚乙二醇等可生物降解的液压液，这些都各有局限性，不能够同时兼顾安全、与产品相容和环境保护等功能。液压传动技术最初于１７世纪末出现后近１００年左右的时间里一直是用水作为工作介质的。而只有用纯水海水或生物可降解液压油作为工作介质的液压传动系统，才真正有可能成为完全绿色液压系统。生物可降解液压油是指既能满足液压系统要求又可通过生物作用分解为简单的化合物，是不产生污染的液压油，目前这项技术在世界范围内还处在起步阶段。所以水压传动系统是现在绿色液压系统的最受重视的发展

方向。
１）水压传动的优缺点
（１）无污染是实现绿色液压系统的保证，也是水压传动近年来迅速发展的主要原因之一；
（２）经济效益好。用水作传动介质，节省资源，成本低；
（３）无燃性、安全性好。在高温环境或易燃环境下采用纯水是非常安全的；
（４）节约能量。水的黏度低，因此同等条件下，水压传动系统产生的沿程压力损失和局部压力损失比液压传动小得多，因而能量损失小；
（５）响应快。水的可压缩性比油小得多，其动态响应性能要优于液压油。因此，水是高频液压控制的理想传动液；
（６）腐蚀性强。特别是海水腐蚀更性强；
（７）润滑性能差。水的润滑性能差，传动部件磨损严重；
（８）泄漏。水的黏度低，使水流速很陕，易于通过小的缝隙，因此水压系统的内、外泄漏比油压系统要大；
（９）汽蚀。水压系统中容易产生汽蚀，对水压系统的流量稳定性和元件的使用寿命都会产生影响；
（１０）受温度影响大。水在零摄氏度以下就会结冰。

五、其他绿色制造工艺技术在液压系统中的应用
1、超声波清洗技术
超声波清洗技术的应用：对于复杂外形、内腔和细空的零部件清洗干净，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准，这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，更突出地显示了用其它处理方法难以达到或不可取代的结果。被清洗件为内径Φ80mm～Φ280mm长度在1700 m以内缸简，能力在20根/h~25根/h，介质2%~3%净洗剂溶液，清洗液工作温度40℃~60℃。降低清洗材料消耗80%，其清洗工效比人工清洗提高5倍多。
超声波清洗原理：超声清洗是利用高于20KHz的高频电信号，通过换能器将电能转换为高频的机械振荡而传入到清洗液中。超声波在清洗液中疏密相间地向前幅射，使液体流动并产生数以万计的微小气泡。这些微小气泡的形成是在超声波纵向传播的负压区形成及生长（膨胀），而在正压区迅速闭合（爆炸）。这种微小气泡的形成，生长及迅速闭合被称为（CAVITATION）空化效应现象。在空化现象中气泡的闭合形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断产生的瞬间高压就象一连串的小“爆炸”不断的轰击清洗工件表面，使被清洗物表面及缝隙中的污垢迅速剥落。这个空化作用过程就是超声波清洗的原理。
超声波清洗的优点：相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其在专业化生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、振动清洗和蒸气清洗等工艺方法。超声波清洗机的高

效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。

2、高精度冷拔管
高精度冷拔管是指内、外径尺寸精度(公差范围)严格，内外表面光洁度、圆度、直度良好，壁厚均匀的精密钢管。该产品经稍加珩磨后，可直接用作液压、气动缸缸体管。而传统的液压、气动缸缸体管的生产工艺，是用热轧无缝钢管，采用镗孔──滚压联合的切削工艺，生产过程中，大量金属被切成切屑浪费了，同时还消耗大量电能。随着我国工业技术的发展，液压缸技术得到广泛的应用，据不完全统计，全国每年需要各种规格的液压缸体约380万米，沿用老的工艺技术生产液压缸体，已很难适应生产发展的需要。
采用新技术、冷拔方式生产高精度冷拔管（液压缸体）与传统的切削工艺比较，具有以下特点：
(1)生产效率高：用传统的方法生产一根内径420毫米，12米长的缸筒需154小时，用冷拔方法生产只需4分钟。
(2)正品率高：由于镗孔的滚压头兼起导向作用，在切削过程中，毛坯管由于自重产生挠度，致使滚压头和镗刀走偏，造成废品。正品率只能达到60%左右，而用冷拔方法生产，正品率可达95%以上。
(3)金属利用率高：用传统的镗孔方法制造缸体，金属利用率只有50-70%。用拉拔方法生产时，金属不但不被切削成铁末，反而可以得到30%的延伸，金属利用率可达95%。
(4)能改善成品管金属的机械性能：用拉拔方法生产，使毛坯得到30%以上的塑性变形，由于加工硬化而使成品管金属的强度限大为提高。一般在成品管内层强度限提高达60%。高精度冷拔管是用无缝热轧钢管、直缝焊管为坯料，经过化学处理后在专用冷拔机上，通过特种变形原理设计的模具进行拉拔，生产出高精度管。其尺寸精度达H10～H8，直线度达0.35～0.5mm/m，表面粗糙度达Ra1.6-0.4。
单台拔机生产线年生产能力，以单班计算，年产喇发钢管约3000吨。如果两班生产，则可形成5000吨以上的生产能力。

六.小结
绿色加工业已是世界工业发展的潮流，它必将随着人类可持续发展战略的提出和经济全球化的趋势，显示出它的优势。 目前，我国企业中绿色制造工艺技术的应用尚处于起步阶段，只有通过对生产制造全过程及工艺技术的全面“绿色化”，提高“绿色度”，不断优化和改进现有工艺，开发替代工艺和新型工艺，以及在市场和环境双重作用下的绿色产品开发，给社会和企业带来双赢的效益，这将必然会推动企业绿色制造工艺技术创新的良性循环。