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      液壓系統發展趨勢展望

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      近幾十年來,液壓系統一直致力于改善其形象,但在許多用戶眼中,它仍然是一只恐龍。因此未能成為年輕職場新人的首選。畢業生們往往被富于數字化商業理念的創業環境所吸引,形象一點說,他們所青睞的是金色獨角獸。

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              在國際上,獨角獸象征著創新和創造性思路,擁有令人驚嘆的因素,可以賺取大筆利潤。不管外界如何看待液壓系統,它在全球經濟中的重要性都是毋庸置疑的,其銷售額高達數百億美元。與之矛盾的是,流體動力技術的經濟意義卻與用戶、公眾和科學界對它的看法存在鮮明的反差。


              液壓技術應如何轉變其形象以面對新世界呢?答案很簡單,恐龍必須通過整合新技術來加以轉化,特別是在電子控制和機電傳動方面。如果這樣做了的話,液壓系統將會實現質變,并能提供全新的、高科技感十足的用戶體驗。


              為此,博世力士樂瞄準金色獨角獸,從多個方面,對液壓系統進行了革命,在保持液壓系統優勢的前提下,依靠工業4.0,將其與“IT消費者世界”的技術機遇和優勢結合起來。然后,用戶會將“隱形的”液壓系統視為一個緊湊、完整的功能模塊,簡單、直觀、互聯且安裝快捷。不管未來前景如何,液壓系統必須保持其相對于機電驅動的地位。在許多領域,這種技術轉化已獲得了長足的發展。


      No.1


       工業環境


              不斷變化的市場環境中,工業液壓系統無法免受發展的影響。然而,熱門的新技術主題并不是塑造未來趨勢的唯一因素。一些原有的趨勢仍將對未來的增長舉足輕重。


      能效

        在歐洲,與能源有關的法規已細化到組件級別(例如,電機的IE3標準)。

         能效重要性的影響正在超越工業化國家的范圍。世界上許多地區的能源價格仍然太低,只有在供應和價格壓力下才會出現新的、創新的方法。由于其獨特的優勢(功率密度高、力量強大),液壓系統注定是為強大的機器而生。這尤其適用于最看重節能驅動型解決方案的壓力供應站。


      前景

        目前存在的能效問題已導致速度控制驅動系統的使用穩步上升。高效伺服電機正逐漸取代標準異步電機。技術上可擴展的解決方案也已面市。


              Sytronix變速泵驅動是液壓系統的一種趨勢,它將變速電氣驅動、變速電機和液壓泵結合到同一集成驅動單元之中。


      No.2


       環境挑戰


              工業液壓系統被用于各種環境條件下。管理機構對液壓產品的可持續生產、回收和處置實施了具體的區域性法規。作為一種不可或缺的壓力傳遞介質和潤滑劑,液壓油在環境影響和系統功能安全方面發揮著特殊的作用。


              盡管快速生物降解油已經有60多年的歷史,但礦物油仍然是最常用的。但持續改進不僅涉及液壓流體,還必須進一步開發密封件,使其兼容各種液壓流體、新材料和幾何形狀。降低用油量是降低環境風險的另一種方式。它可以通過配備主動排氣功能或更小分散驅動軸的智能油箱設計來實現。


      前景

         環境法規預期在未來將變得更加嚴格。因此,液壓油、密封件和液壓裝置制造商可能會結成聯盟,以進一步提高環境相容性。


      安全相關要求

       在歐洲,機械指令要求機器的設計和制造應避免對人類造成潛在風險。一系列歐洲液壓系統安全標準已經建立,并得到相關標準補充,如壓力設備指令。


      前景

         安全問題在未來也將是優先考慮的問題。在其它地區,特別是新興國家,同樣會出臺更嚴格的法規(如審批檢查、設計指南)。


      No.3

      數字信息采購


              工業用戶越來越希望從消費者世界(配置器、合用性、移動設備、app、云解決方案等)獲得他們業已習慣的同級別的便利。根據需求,產品本身將擁有一切,從簡單數字接口(例如,IO鏈路)到實時多以太網連接。


              從2023年起,新的5G通信標準將使更多的私有工業網絡可在工業環境中使用。有了這些基于邊緣云的網絡,傳感器-執行器的循環時間可以縮短到1毫秒以內。因此,可以滿足塑料加工機械中常規的控制器要求。集成到產品中的傳感器和5G通信將為狀態監測提供信息,甚至為預防性維護提供數據。因此,需要大量基于數據的業務模型。


       前景


       電液元件將受益于自動化和IT世界的技術影響。與電氣自動化一樣,液壓元件供應商正準備與其它相關供應商合作,共同開發人工智能和基于云的解決方案。將需要建立更多的跨技術合作伙伴關系,特別是對于尖端的IT主題。


      培訓和經驗

         一段時間以來,具有專業液壓知識的潛在員工數量在明顯下降。無論在商業部門還是在工程部門都是如此。以德國為例,就專業基礎和進一步培訓而言都不存在公認的資質標準。目前,液壓專業人員主要是從相關專業招聘,如農業或建筑機械裝配工、工業機械或機電技術人員。


              事實上,沒有哪項具體的培訓能提供流體機電專家資質。大學不提供專門的液壓系統課程,液壓系統僅僅是工程學課程中的一個基本模塊,這種情況無法令人滿意。當液壓系統作為一門學科提供時,課程幾乎只限于標準液壓系統而非電液力學。我們在國外也看到了類似的情況。


              要實現成為“金色獨角獸”的目標,就需要最新的現代教學、技術轉化,并在學術和商業領域創建新的“流體機電專家”資格。這是教育政策制定者、行業界、國家或國際流體技術協會所面臨共同的關鍵性任務之一。


              未來,液壓領域需要兩種不同的職業體系。一種是面向組件的專家,具有開發和優化產品的機械工程技能。另一種將是面向系統的流體機電專家,具備控制技術知識,精通各類液壓和機電驅動工具。


      前景

        未來的幾年里,提高教育水平,以獲取深入的知識將是至關重要的。這是因為,如果缺乏控制技術、數字化、軟件或運動學方面的知識,無論技術多么優秀,電液系統解決方案都不會獲得成功。


         液壓系統的維護應盡可能方便用戶,液壓系統應繼續為年輕人提供有吸引力的、面向未來的職業。


      未來的可行性

         為了對未來的可行性做出可靠的描述(在10年的觀察期內),研究人員進行了一項調查,以確定是否可以替代工業液壓系統10個主要領域中最重要的應用。

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      液壓系統發展趨勢展望!

       工業液壓系統的重要行業與應用概述。


      上述主要應用考慮了以下驅動類型:


      –    線性運動:所有運動中的80%以上


      –    液壓:通過閥門或泵控制和小型軸的氣缸驅動


      –    機電:滾珠或滾軸絲杠組件


      –    旋轉運動:所有應用中的20%以內


      –    液壓:泵控制或輔助控制


      –    機電:直接驅動或齒輪電機

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      液壓系統發展趨勢展望!

      液壓和機電驅動技術中的驅動類型。


      對最適合未來的驅動類型的總體評估是基于針對以下四個主要類別所進行的調查,每種應用總共有13項標準:


      –    功能:動力學、穩健性、靜態功率極限、準確性、安全性


      –    集成性:安裝空間、靈活性、用戶友好性


      –    成本效益:成本、效率、使用壽命


      –    生態:生態友好、維護


      前景


       

              對于額定值小于100千牛的系統,機電系統在許多應用中具有取代液壓系統的巨大潛力。雖然通過進一步開發材料、涂層和幾何結構,可以在功率和速度上取得輕微的改善,但似乎不太可能出現革命性的飛躍。任何通過機械傳動進一步增加的功率和扭矩都將受到需加速的質量的限制。

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      液壓系統發展趨勢展望!

              對線性運動技術的比較表明,液壓在速度和力上均繼續領先于機電式執行機構。


      (圖注:


      Feed speed                                             進給速度


      Maximum force                                     最大力


      Planetary screw assembly                  行星螺桿總成


      Ball screw assembly                             滾珠絲杠組件


      Hydraulic cylinder drive                    液壓缸驅動)


              液壓驅動裝置已能傳遞比過去大100倍以上的力。金屬切削機械和轉子驅動中的液壓系統可能面臨更激烈的競爭。然而,通過閥門控制系統和更人性化的產品和系統實現的能源節省,也將能贏得機會。就線性應用而言,通過小型軸的進一步創新發展,液壓系統將保持甚至增強其現有地位。


              這種發展曾經產生了自主式電液軸,由電動機-泵單元、歧管和氣缸構成。這些軸實際上是免維護的,并且與機電驅動相同。與液壓系統相關的細節已包含在軟件庫中。因此,即使是用于成形、連接、注射成型和其它大力應用的復雜行程輪廓,也可以非常容易地實現參數化。作為規范過程的一部分,機器制造商和系統集成商也可以達到SIL3級安全水平。


      液壓系統發展趨勢展望!

      這種自主伺服液壓執行器是一種一體式裝置,可利用與機電執行器相同的技術進行調試。


      No.4


       

      發展趨勢


      不同的市場、行業和應用領域對工業液壓系統提出了不同的要求。近幾十年中出現的發展領域主要集中在以下方面:


      –    能效(更小的流體力、更低的壓力損失、更高的效率)


      –    降噪


      –    油箱容積更小、壓力水平更高、安裝空間更小


      –    材料和液壓油性能更佳


      –    可用性和預測性維護更高


      –    用戶友好(車載電子設備、調試軟件)    


      –     安全


              盡管這些問題未來仍將發揮作用,但其自身影響將有所收斂。3D金屬打印等工業趨勢為液壓系統提供了新的技術機遇,例如優化型芯設計(砂打印程序),以改善流動性能或伺服閥生產。


      液壓系統發展趨勢展望!

      這個伺服閥歧管,可作為反映3D打印如何使組件更緊湊、更輕,甚至更高效的一個例子。


      No.5


       

      敏感環境中的應用


              工業液壓系統中的一個分部的特點是需要持續面對特殊的工況。包括海洋與近海、水利工程用鋼結構、冶金、鑄造機、采礦等行業,系統往往需要安裝于室外或類似環境中。


              當涉及到連續性過程的生產系統時,需要注重通過優化過程、提高質量和實施預測性維護來提高生產力和OEE(總體設備效率)?;跈C器學習的高性能診斷系統,如力士樂(Rexroth)的在線診斷網絡(ODiN),已能可靠地預測部件的失效時間,目前正在針對液壓系統進行開發。


      液壓系統發展趨勢展望!

      基于機器學習的當前診斷系統,如Rexroth(力士樂)的在線診斷網絡(ODiN),已能可靠地預測部件的失效時間,目前正在針對液壓系統進行開發。


      (圖注:


      Data source Hydraulic system                          液壓系統數據來源


      Predictive analytics                                           預測性分析


      Status report                                                      狀態報告


      Maintenance recommendation                        維護建議)


              在許多情況下,需要符合環境保護等級(例如防爆)、冗余壓力供應站和使用可生物降解液壓油。避免液壓油泄漏風險的有效方法是減少系統中的用油量。實現自然被動排氣的油箱設計是一種有效的途徑。與傳統設計相比,使用包括傳感器的主動排氣模塊來監測液壓油中釋放的空氣比例,可降低70%的用油量。其它積極影響還包括減少50%的安裝空間,以及顯著降低的液壓油成本。


       前景

          除了進一步開發有助于改善環境相容性的技術和液壓油之外,這些行業還將經歷數字化推動的轉型過程,例如智能采礦、冶金4.0或自動駕駛船舶。


      No.6


       生產應用


              現代工廠中安裝的壓力機、塑料加工機械、裝配系統、機床、試驗機和類似機器相關的應用都會受到影響。在我們確定對工業液壓系統的要求之前,必須對未來的工廠加以描述。主要目標是依靠透明性來提高生產力和效率。


      液壓系統發展趨勢展望!

      高靈活性和高適應性是未來工廠的關鍵目標,同時具有透明性,有助于避免計劃外停機。墻壁、地板和天花板將保持在原位,而其它一切都將是可移動的。


              在未來工廠中,一切都將是互聯的,從現場級連接到基于云的IT系統。自動化和驅動解決方案將只適用于開放式標準通信環境。它們將易于配置,功能和類別存儲于設備數據中,并由固件控制或管理。工業液壓系統必須通過采用已在使用中的開放式標準(如多以太網和IO-Link)來適應這個世界。通過實時擴展,所有組件、模塊和機器都將共享信息。


      前景

         未來工廠中的價值流映射將被數字化。數字業務模型將仍然是基于構成新建、和現有基礎設施的所有執行器、模塊、傳感器和機器。


      液壓系統發展趨勢展望!

       帶IO-Link/藍牙(左)的壓力閥和帶多以太網接口的高響應閥,用于位置、壓力和力控制以及閉環控制(右)。


              博世力士樂的最新一代液壓動力裝置的CytroBox是一個分散式單元,兼具可移動性和靈活性。它采用即插即用概念和分散式智能,為機器制造商提供了一個具有許多內置功能的現成驅動控制器。


              主要的安全功能和驅動控制均包括在內,因此,可以很容易地進行集成和配置,以適應特定的應用。集成和有線傳感器提供有關過濾器、液壓油和驅動狀態的信息。采集到的傳感器數據通過IO-Link結合在一起,由驅動控制器進行預處理,并與現代機器設計聯網。


      液壓系統發展趨勢展望!

              類似的機器及其模塊將是無線的,通過開放式接口交換信息和指令,并持續進行自我監控。憑借其多以太網接口和開放式核心工程,CytroBox具備了未來的可行性。


              與現代機電驅動器一樣,該設備也可以利用博世力士樂的CytroConnect實現物聯網??梢苑奖愕孬@得有關設備的所有信息,包括部件和運行狀態、定期維護工作,以及來自力士樂在線診斷網絡(ODiN)的預測性維護分析。根據需要,還能以附加服務的形式提供維護功能、故障檢測和預測性維護等其它附加功能包。


              CytroBox是一個一體式液壓動力裝置,包含變速泵驅動、更小尺寸的儲罐,以及用于監控、控制、診斷和通信的先進電子設備。


      No.7


       總結


              未來10年,受到IT和自動化趨勢的強烈影響,傳統液壓系統將發生重大變化:智能、傳感器、電子設備和軟件將越來越多地與鋼鐵和鑄鐵構件融為一體;用戶將能體驗到工業液壓系統成為一個現成的功能模塊,其用戶友好程度與在IT消費者世界中所習慣的完全一致;電氣自動化和IT技術的新發展將使工業液壓系統的集成變得更加容易,并更具競爭力;新的基于IT的自動化世界的發展將補充液壓系統以前的關鍵領域;數字化(軟件、連接性、專用網絡、app等)以及數據使用(傳感器、網絡服務器、數據分析、物聯網服務、云解決方案等)將不可避免地征服工業界。


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