液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)與制造分析

陳小蘭，陳曉波

（黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)與制造分析

陳小蘭，陳曉波

（黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

文章從液壓系統(tǒng)的全生命周期出發(fā)，以液壓系統(tǒng)的五大組成部分為基礎(chǔ)進(jìn)行液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)與制造，并延伸至液壓系統(tǒng)維護(hù)維修及報(bào)廢后的回收與再利用階段，為液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)與制造的研究提供有力的理論基礎(chǔ)。

液壓系統(tǒng)；綠色設(shè)計(jì)；綠色制造；可持續(xù)發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，綠色、環(huán)保、節(jié)能日益成為社會(huì)各個(gè)階層的熱點(diǎn)話題，面向環(huán)境的設(shè)計(jì)與制造也已成為人們的共識(shí)。液壓技術(shù)作為重要的機(jī)械基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代機(jī)械工程不可缺少的重要組成部分。若能通過(guò)有效的綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)克服其效率低、能耗大的缺點(diǎn)，解決液壓工業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染、資源枯竭、生態(tài)破壞等問(wèn)題，將是液壓領(lǐng)域一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的創(chuàng)舉。

1 綠色液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)

液壓傳動(dòng)與控制是力能傳動(dòng)的一個(gè)重要分支，其具有許多優(yōu)點(diǎn)，在很多傳動(dòng)中有著不可替代的作用，如大傳動(dòng)比的無(wú)級(jí)調(diào)速設(shè)備和重載高頻響設(shè)備等，若采用液壓傳動(dòng)將更具優(yōu)越性。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式無(wú)法在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段考慮其生命周期全過(guò)程中的各種因素，若能有效組織多學(xué)科隊(duì)伍，考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的全過(guò)程，使資源利用合理化，廢物生產(chǎn)少量化，向環(huán)境無(wú)污染或少污染方向發(fā)展，方能使開(kāi)發(fā)出的液壓新產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。而綠色制造目標(biāo)正是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造 、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，對(duì)環(huán)境的影響（負(fù)作用）為零或者極小，資源消耗盡可能小，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化，它是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。因此液壓系統(tǒng)若能實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)，并將其生命周期延伸至液壓設(shè)備，結(jié)束后液壓系統(tǒng)及其元件的回收處理與再利用[1-2]，將是未來(lái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)一大發(fā)展趨勢(shì)，具有非常重要的實(shí)際意義。

2 液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)與制造

一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)包括動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)等5部分。對(duì)液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮其各個(gè)組成部分的綠色環(huán)保，同時(shí)還應(yīng)擴(kuò)展到整個(gè)液壓系統(tǒng)的生命周期，即包括維護(hù)、維修以及報(bào)廢后的回收與再利用。

2.1 液壓動(dòng)力元件的綠色設(shè)計(jì)與制造

液壓泵是液壓系統(tǒng)的核心部件，液壓泵的性能直接關(guān)系到整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能，因此若能對(duì)液壓泵進(jìn)行有效的綠色設(shè)計(jì)，將會(huì)改善整個(gè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[3]中提到在CRZDP—W-600海纜船舵機(jī)上采用負(fù)載敏感技術(shù)DRF泵后，系統(tǒng)輸出不會(huì)受到柴油機(jī)輸出功率變化的影響，船只轉(zhuǎn)向能一直保證較平穩(wěn)的狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

湛從昌等[4]在降低噪聲研究過(guò)程中得出：通過(guò)對(duì)配油盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如采用三角槽式結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加某些部件剛度，對(duì)某型柱塞泵進(jìn)行具體試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為斜盤傾角為，供油壓力為32 MPa，轉(zhuǎn)速為1 500 r／min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其噪聲由原來(lái)82.1 dB（A）降到77.3 dB（A），效果比較明顯。

2.2 液壓執(zhí)行元件的綠色設(shè)計(jì)與制造

液壓缸是液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)功能的終端，其在使用過(guò)程中也經(jīng)常發(fā)生漏油、沖擊等現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]根據(jù)菱形和逆向思維模式，以功能實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)利用可拓學(xué)理論對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和優(yōu)度評(píng)價(jià)，并根據(jù)物元變換理論進(jìn)行改善分析，實(shí)現(xiàn)了液壓缸的綠色設(shè)計(jì)。

許國(guó)玉等[6]以油缸和活塞的密封圈為仿生對(duì)象，通過(guò)模仿某些生物的體表特征，在光滑密封圈的外表面加工均勻凹坑特征，并利用相關(guān)軟件進(jìn)行有限元分析，從而得出此仿生密封圈能增加其密封性能，從而大大減少油液的泄露問(wèn)題。

2.3 液壓控制元件的綠色設(shè)計(jì)與制造

液壓的控制元件在液壓系統(tǒng)使用過(guò)程中屬于易損件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量采用綠色環(huán)保材料，同時(shí)從提高元件的性能方面考慮，如改進(jìn)現(xiàn)有液壓元件的密封結(jié)構(gòu)，防止漏油，采用數(shù)字控制的智能閥構(gòu)成機(jī)電液高度集中化的智能液壓系統(tǒng)，降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

湛從昌等還提出對(duì)液壓元件（溢流閥）產(chǎn)生噪聲的機(jī)理進(jìn)行分析并得出產(chǎn)生噪聲機(jī)理是由于液壓元件在工作中所產(chǎn)生的自激振蕩，其主要是由溢流閥的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。為此，可以采取改進(jìn)溢流閥主閥口結(jié)構(gòu)和主閥芯尾蝶結(jié)構(gòu)，確定背壓力臨界值，同時(shí)采取加消振墊結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)出合理的回油直徑等措施來(lái)減少液壓元件的振動(dòng)，從而降低液壓元件的噪聲。

2.4 液壓輔助元件和工作介質(zhì)的綠色設(shè)計(jì)與制造

當(dāng)前液壓系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的污染最主要來(lái)自于其工作介質(zhì)，一是要防止液壓油本身的污染；二是要防止泄漏。文獻(xiàn)[7]提出可以采用無(wú)毒液壓油，或研發(fā)液壓油的回收再利用技術(shù)，或研制液壓工作介質(zhì)的綠色添加劑，或是使用純水以及海水作為工作介質(zhì)，從而減少液壓油對(duì)環(huán)境的污染。

液壓輔助元件在液壓系統(tǒng)的使用中也屬于易損件之一，其傳輸液壓油過(guò)程中產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)以及熱量等問(wèn)題。對(duì)液壓管道的共振機(jī)理進(jìn)行分析研究，利用共振機(jī)理對(duì)減少液壓管道的傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲以及產(chǎn)生的熱量均有較好的效果。

2.5 液壓系統(tǒng)的綠色維修

若能在液壓系統(tǒng)安裝、使用和維護(hù)維修過(guò)程中始終堅(jiān)持“預(yù)防為主、治理為輔”的原則，則能保證液壓系統(tǒng)提高在各種惡劣或特殊環(huán)境下的運(yùn)行可靠性、功能穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命，并盡量提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，以達(dá)到節(jié)約能源和資源、保護(hù)環(huán)境、提高效能、保證安全的綠色維修目標(biāo)[8-9]。

文獻(xiàn)[10]以綠色維修支撐體系、綠色維修理論與技術(shù)體系為支撐，對(duì)裝備液壓系統(tǒng)綠色維修的節(jié)能技術(shù)、防治污染、故障診斷及再制造工程等問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，并提出了液壓系統(tǒng)綠色維修工作的幾點(diǎn)建議。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)與制造應(yīng)綜合多方面因素，從液壓系統(tǒng)的生命周期出發(fā)，全面、綜合考慮液壓綠色設(shè)計(jì)的途徑和方法，使液壓傳動(dòng)在充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)對(duì)自身進(jìn)行引進(jìn)和創(chuàng)新。只有這樣才能在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中獲得不斷發(fā)展，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的要求。

綠色液壓設(shè)備若要實(shí)現(xiàn)必須加大創(chuàng)新和研發(fā)力度，將綠色創(chuàng)新思維投入設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)并采用先進(jìn)技術(shù)，科學(xué)合理地使用液壓設(shè)備，高效再利用廢舊設(shè)備等。例如，若能采用先進(jìn)技術(shù)（如仿生學(xué)原理），通過(guò)模仿生物非光滑表面改變液壓元件（密封圈、液壓缸套、活塞以及殼體等）表面的形貌結(jié)構(gòu)（凹坑、條紋、網(wǎng)紋、交叉條紋等）或是通過(guò)模仿生物體本身材料的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)密封、減阻抗磨以及降噪功能，對(duì)促進(jìn)液壓泵、液壓缸的性能提升起到非常積極的作用[11]。

[1]李嵐.液壓傳動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的策略[J].機(jī)床與液壓，2003（3）：3-5.

[2]CHANG J Z, HONG Y, HUI M J.A Study on green manufacturing evaluation system based on DEA[J].Hydromechatronics Engineering，2015（43）：145-147.

[3]楊殿寶.實(shí)踐中的綠色液壓技術(shù)[J].流體傳動(dòng)與控制，2011（5）：51-53.

[4]湛從昌，吳凜，陳新元.綠色理念：液壓技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力[J].液壓與氣動(dòng)，2015（6）：13-18.

[5]鄭輝，劉磊.液壓缸可拓綠色設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015（37）：87-91.

[6]許國(guó)玉，趙健英，趙剛，等.仿生非光滑油缸密封圈的減阻特性研究[J].液壓與氣動(dòng)，2015（1）：96-100.

[7]胡增榮，沈愛(ài)軍，汪彬.綠色液壓系統(tǒng)的研究與應(yīng)用概述[J].液壓與氣動(dòng)，2010（4）：1-3.

[8]趙大旭，狄恩倉(cāng)，周玉乾，等.綠色制造及其在機(jī)械液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2006（3）：147-148.

[9]韓薈瑾.液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)及維護(hù)探究[J].液壓與氣動(dòng)，2011（9）：38-40.

[10]林明，蔡增杰，朱武峰.關(guān)于液壓系統(tǒng)綠色維修幾個(gè)問(wèn)題的初探[J].液壓氣動(dòng)與密封，2008（5）：1-4.

[11]陳小蘭，曾良才，湛從昌，等.仿生技術(shù)在液壓領(lǐng)域中的應(yīng)用和展望[J].液壓與氣動(dòng)，2016（8）：28-31.

Analysis of green design and manufacture of hydraulic system

Chen Xiaolan, Chen Xiaobo
（Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China）

This article starts from the the whole lifecycle of hydraulic system, and bases on five parts of the hydraulic system to carry on green design and manufacture, and extends to the hydraulic system maintenance and recovery of scrap and recycling stage, providing a strong theoretical basis for the research of green design and manufacture of hydraulic system.

hydraulic system; green design; green manufacturing; sustainable development

黃岡師范學(xué)院校級(jí)課題；項(xiàng)目編號(hào)：2015019603，zj201653。

陳小蘭（1981— ），女，福建漳州，講師；研究方向：液壓系統(tǒng)。