汉臣液压新品介绍

　　PTC ASIA 2017高新技术展区现场技术报告 之十六

　　汉臣液压新品介绍

　　——据汉臣(上海)液压设备有限公司专家习青锋报告整理

　　

 

　　关于汉臣

　　汉臣公司成立于1925年，是一家中等规模的家族企业，专注于做油缸，已经做了92年了。现在年营业额是2500万欧元左右，每年约2%的增长，员工人数212人。座落在奔驰的故乡斯图加特。目前全球有3个子公司，瑞士、法国各有一个，另外一个就在我们中国。在德国汉臣公司分7个区，有7个销售专员，另外在23个国家和地区有区域总代理。

　　◆主要应用

　　汉臣的油缸主要是用在以下几个领域：

　　(1)航空航天军工的一些测试领域。

　　(2)汽车及其零部件。

　　(3)多自由度摇摆台及震动台 ，包括地震台、三轴、动态模拟的一些台子。

　　(4)试验机(动态)，尤其是拉压力、扭转的疲劳试验机。

　　(5)注塑及吹瓶机，因为汉臣的油缸主要定位在测试领域，所以用于工业领域的并不多，但是注塑、吹瓶机比较特别，其特点是速度快，一般达到平均2m/s，一般的油缸寿命很难达到要求，所以在这个领域，汉臣有着优异表现。举一个典型例子：加拿大的赫斯基，该公司作为注塑行业老大，它的速度、效率是其他行业、其他竞争对手所难以企及的。

　　(6)冶金设备，就是我们的震动油缸。这个缸应该是在全球各国油缸厂、连铸设备里面都在应用，尤其是在西马克的设备，还有我们中国的中冶京诚、达涅利、中冶连铸，现在都在使用我们的油缸，这个油缸的工作频率并不高，每秒钟大概3次，就是3Hz，但是要求24小时工作，所以它对这个缸的寿命要求非常高，所以汉臣的这款缸在全国甚至全球的冶金、尤其是连铸设备里，有很大的应用。

　　◆产品特点

　　总的来说，汉臣的油缸有4个特点：

　　(1)高速度，我记得30多年前汉臣就做出了一条油缸，其最大速度达到50m/s。

　　(2)高频率，现在所有的测试领域随着性能的要求越来越高，频率要求也越来越高。目前在国内，从客户使用来看，最大频率达到了400Hz，他使用的是穆格的D76阀。这个阀在小开口的情况下，能达到500～600Hz。但频率不光跟阀有关、还跟缸、控制器都有关系，所以我们的客户，他现在使用汉臣的缸达到了400Hz。但在国外，已经有达到1000Hz的使用了，这个原因就是伺服阀的类型不同。

　　(3)高寿命。无论是高频试验机里，还是在冶金行业那种工况比较糟糕的地方，我们跟踪下来，现在基本上汉臣的高动态缸也好、普通的加密封件的缸也好，寿命基本上能达到10年以上，这就是使用汉臣油缸的一个高性价比所在。

　　(4)摩擦力。我们有两种油缸，一种是带密封件的、也就是普通的密封，它的摩擦力现在也可以达到0.1MPa;另外一种缸是没有密封件，它的摩擦力非常非常低，能达到0.01MPa，我们下面可以看一下。

　　◆工作原理

　　图1这款油缸采用的是汉臣的专利密封，叫间隙密封，Servofloat的液压缸几乎没有摩擦。在特别慢的和很快的运动时，它们可以产生向外的无接触的逐级压力降低，并且泄漏小、定位精度和重复精度高，没有粘滑现象。在这种密封组合装置中，在环状间隙密封中形成一股流体动力的油流，致使密封无金属接触地围绕着活塞杆径向浮动。由于所存在的压力，缸的密封套通过一个节流间隙产生变形，并产生一个只有百分之几毫米的无接触的密封间隙。但是这种方法只有通过几微米的生产精度才能发挥作用。否则会因为泄漏而导致很大的液压损失。漏出的油无压力地通过一个集油接头回流到系统中去。取消接触的加压密封可以最大程度地减小液压缸中的粘滑摩擦。

　　

 

　　图1 间隙密封、静压轴承的工作原理

　　有一些领域，尤其是振动台，会有侧向力。间隙密封有一个缺点，就是承受侧向力比较差。所以在这种领域，我们有一款叫静压轴承的，在Servobear密封组合装置中，活塞杆通过四个通道中的压力作用而被液压浮动。此时活塞杆导向装置和密封是唯一的结构件。只有防尘圈可能引起可以忽略不计的极小量的摩擦。在此种密封组合装置中的流体静力作用可以使活塞杆顶住可能出现的横向剪力而对准中心。流体静力支撑的压力是由内部的系统压力提供的。接触的防漏油密封和防尘圈不承受压力。因此只产生很小的在整个压力范围内恒定的残余摩擦。泄露的油通过接管无压力的引入储罐，不需要吸出。这种技术在汽车和飞机试验中以及高机械负荷的工业部门中得到广泛应用。

　　◆选型规格

　　常用的油缸因为受密封件的限制，缸径杆径都有一个固定的规格。比如说活塞杆是40mm的话，缸径基本上是60mm或者63mm，都是这么一个标准规格。但是我们这款缸打破了这个局限，因为它没有密封件，这样就不受限制了。比如说40mm的活塞杆，缸径可以做45mm～70mm这样一个范围(见图2)。那这样的话，增加杆径时可以不增加流量。尤其在高频高速行业、在一些侧向力较大、需要更大杆径的地方就很喜欢用这款缸。在增加侧向力的同时，不需要增加流量，也不需要增加阀的通径，这算是一个创新点，这个系列是在2014年刚刚推出来的。

　　

 

　　图2 选型规格

　　◆结晶器振动缸

　　前面提到的都是高频缸，但有一个行业并不需要用高频缸。比如西马克一个比较大的连铸设备的结晶器振动缸，它的频率一般只有3Hz，但是要求每天24小时工作，并且钢铁连铸下面温度非常高、粉尘也非常多，在这种工况下，我们的缸可以使用到7年、甚至8年。再比如克虏伯德国公司，它的钢厂关掉了，但是我们的油缸还在，外表因为有腐蚀，已经非常脏、非常糟糕了，但是拉回我们厂里拆开检测，发现里面完好无损。另外我们还跟踪了中冶京诚，发现大多数用到5～7年都没有问题，这个就跟安装使用以及工作时的工况有关了，同样这款缸，我们在汽车测试的实验室里面用10年，甚至20年都没有问题。

　　◆高速液压缸

　　图3是高速液压缸以及赫斯基的吹瓶设备，它是用来锁模的，速度是0.1s推出200毫米。这种设备中油缸指定就是使用我们的缸。从外观上看，其实跟冶金缸没有什么区别，也不带位传感器，它没有什么精度要求，但是要求速度很快。这个缸最大的特点还涉及到汉臣另外一个比较有特点的技术，就是缓冲。刚才说到汉臣的缸速度可以达到每秒几十米，这么快的速度，要求最高的其实就是缓冲，而不是密封。

　　

 

　　图3 高速液压缸

　　◆锁紧装置

　　汉臣除了做油缸，还做锁紧装置(见图4)，基本是跟油缸配套的。如果您对油缸保压要求很高、或者是对精度要求很高的时候，是不能用液压锁的，因为液压锁可能在半天或者一天时就无法继续锁住，而且遇到突然断电等紧急情况时，也不能及时保证安全，所以这个时候了，我们有个更好的办法，那就是采用机械锁。我们的锁紧器是和油缸连在一起进行工作的，根据具体的锁紧力我们选出合适的锁紧器，然后将油缸的活塞杆加长，将我们的锁紧器套到活塞杆上。然后用法兰将它们固定，这样就连为一体了。如果现在要工作的话，我们先将锁紧器解锁，通过进油口打油，油会通过内部一个楔形块，楔形快推动叠簧，叠簧就绷紧了，这时油缸或者物件可以正常移动，当断油时，叠簧立即复位，这时锁紧器锁住油缸或者物件，我们这个也叫抱闸，让油缸一动不动。反应时间也非常快，只要10ms，所以是瞬间锁住，这样的话，在我们工作过程中，如果担心断油断电，有安全隐患的话也没有关系，因为一但断油，我们的锁紧器立刻起作用，保证整个系统的安全。

　　

 

　　图4 锁紧装置

　　锁紧装置可以精确定位、10ms锁住，可以用于应急保护，它的寿命取决于叠簧，叠簧的寿命可以达到上百万次，所以锁紧器寿命很长。

　　新品介绍

　　◆碳纤维液压缸

　　德国工业4.0这个概念提出之后，德国汉臣开发了一款全新技术的碳纤维液压缸，是采用碳纤维的一种缠绕技术。现在可以将液压缸的活塞杆以及活塞，作为一体，作成整体的碳纤维液压缸。

　　

 

　　图5 碳纤维液压缸

　　但是连接件不能做，因为碳纤维里面是不能打孔的，缠绕之后，要是打孔的话，它就断裂，硬度就不够了。只要是桶状的东西都可以做，但是所有的端盖不能做碳纤维，因为端盖需要打孔，所以端盖有时会用铝合金，如果强度要求高，还是用不锈钢或者钢铁。这样整个下来液压缸可以降低25%～30%的重量。

　　◆产品性能

　　碳纤维液压缸的产品性能有以下几个特点：

　　(1)重量轻，降低了60%～70%。

　　(2)没有磁性，在有些领域，你不需要担心静电。

　　(3)不需要担心腐蚀。原来在海水里面工作的话，只能采用不锈钢、或者镀陶瓷，其实镀陶瓷成本也很高，而且用一段时间陶瓷会脱落。而如果采用碳纤维的话，腐蚀问题也可以解决。

　　(4)高低温稳定性。研发这个产品的时候，做了很多测试，尤其是高低温的稳定性测试，现在碳纤维油缸可以做到-40～80℃的范围。

　　(5)抗弯矩强度。对比不锈钢及碳钢，碳纤维油缸的抗弯强度以及高温抗弯度都更好。

　　(6)更节能。因为重量减轻这么多，这样在高频的时候，就可以节省很多动载，整个油源的整个能耗就小很多了。

　　目前这个碳纤维液压缸只能做到缸径200mm，行程1500mm，力40吨，温度范围-40℃～80℃。

　　表面精度方面，碳纤维材料的表面是不能打磨的，如果打磨断裂的话，强度不好保证，所以我们用了一种特殊的树脂，附在表面，然后再打磨。因为油缸密封件对杆子的表面、活塞的表面、缸筒的内表面，要求是非常高的，所以也要研磨，目前碳纤维可以解决表面精度问题。

　　安装方面，所有的缸筒用碳纤维，端盖与连接部件全是普通的钢。

　　◆应用领域

　　(1)航空航天军工，只要是高空操作的，对重量有要求的，是一个很好的应用;

　　(2)风电及高空设备;

　　(3)海洋船舶设备，既可以减轻重量，还可以耐腐蚀;

　　(4)医疗及工业机器人，包括机械手臂;

　　(5)高频试验机，因为频率较高，需要降低质量、减少动载的话，那用碳纤维活塞缸就是最好的一个方案了。

　　客户应用

　　◆航天应用

　　图6是在航天项目上 应用，这个台子共有6条油缸，这个缸很有特点，行程大概2m，载荷不大，只有200mm的缸径，速度要求很高，整个精度要求非常高，控制有难度。要求这么高精度，如果用单出杆油缸的话，控制起来很困难，但是如果用双出杆的话，这个油缸要达到5m的长度。然后就采用了这款“单出杆对称缸”，长度是单出杆的长度，但是里面又是双出杆的结构，里面面积是一样的。

　　

 

　　图6 航天应用

　　◆飞机测试

　　图7 是在空客的A380上面做过的应用。那么高的飞机，如果把它顶起来，行程是4m，厂房根本不够高，所以采用的也是这款缸：单出杆的结构，双出杆的性能。这个缸到现在也用了十年了。整个测试设备大概是300条左右我们的油缸，然后做模拟飞行，它是做动态飞行。在飞机的测试方面，全球目前就是德国汉臣、IABG做的空客，MTS做的波音。

　　

 

　　图7 飞机测试

　　◆地震台

　　图8是在地震模拟上的应用，下面四条缸是做垂直方向，频率大概是100Hz左右。然后侧面两条的工作频率低一点，另外一个方向也两条，8条缸同时工作，所以它的侧向力是很大的，尤其是当侧面动的时候，侧向力的方向达到了90度。

　　

 

　　图8 地震模拟

　　◆摇摆台

　　摇摆台也是一个很大的应用领域，6自由度摇摆台在全球应用很多，尤其近几年。以万达城为例子，中国要建30个左右的万达城，所有的万达mall里面有一种体验式的项目，叫7D电影。观众坐在台子上面，就跟电影里面的实景是一模一样，用六条这样的液压缸控制这个台子。每条缸的载荷大概是50吨，台子也非常大。目前南昌、合肥、哈尔滨已经开始运营了。这个台子改进之后，在每条缸上又加上了一个机械锁(锁紧器)，以保证它的安全性能。这个锁也是我们第一次应用在这种高速度高频率的应用领域，一般的锁会把摩擦力增大，会给油缸带来不必要的影响，但我们公司根据这种项目开发了一款没有密封件接触活塞杆的机械锁，这样就不会给液压缸带来任何影响。

　　◆高铁博格板磨床

　　图9的锁紧器除了能起到应急保护的作用，还可以精确定位。现在高铁采用的技术叫无砟铁轨技术，图9中的水泥块就叫博格板。磨这个博格板用的是博格的磨床。普通的磨床是用油缸夹住它，上下都夹住，然后再打磨，但是这样整个油路会有波动，精度误差会影响这个水泥块。后来博格公司找到汉臣，专门研发了一款夹具。图中可以看出来，油缸顶住之后，再给它夹住，然后再打磨，这样打磨不会有任何的偏差。

　　

 

　　图9 无渣铁轨专用博格板，高铁专用

　　◆轴承测试

　　图10的试验台是前年刚刚是完成的。这是全球最大的一个轴承测试台，是给IABG做的，它用在风力发电机上面，整个大叶片旋转最大的一个轴承。

　　

 

　　图10 世界上最大的轴承测试系统

　　◆汉臣国外主要客户

　　(1)测试领域，像空客、IABG、SIMTEC、SINCOTEC，他们都是飞机、汽车以及汽车零部件的一些测试。这些公司其实在中国已经做了很多年了，汉臣的油缸也是首先是通过他们带到中国。

　　(2)工业领域，像Husky、KraussMaffei，是做吹瓶注塑的。

　　(3)冶金行业，西马克、达涅利等，以及众多的冶金设备商，

　　(4)铸造设备，Gima Cast、Boegl，Borbet,Ronal,Reiss,Fill,LPM Spa,Kurtz,KS Kolbenschmidt 等。

　　◆汉臣国内主要客户

　　汉臣进入中国的大概十多年了，在中国也积累了一些客户。

　　(1)航空航天军工行业，应该说各大航空航天院所，基本上都在采用汉臣的缸做摇摆台、做地震台。

　　(2)汽车行业，可以说中国大多数的汽车厂，其检测设备里面该都有汉臣的油缸。另外给汽车厂配套的一些轴承、变速箱、减速器、离合器的生产厂家，其试验设备很多也是汉臣的客户。

　　(3)重工及冶金行业，包括中国一重，中国二重等，很多大钢厂包括设计院都在使用汉臣的油缸。

　　(4)高等院校，高校的应用就比较多了，清华大学，上海交大，浙江大学，同济大学，哈工大，北理工，北京航空航天大学，燕山大学等。

　　(5)试验机行业。因为随着对材料性能的要求越来越高，实验条件也越来越苛刻，我记得以前他们基本上做静态就能够满足要求，但现在他们的频率越来越高，前段时间还有客户说我要做1000Hz，我说1000Hz很难，最大的难题是伺服阀。所以现在基本上各个领域都在使用100Hz、200Hz的频率。

　　以上就是我今天分享的一些东西，谢谢大家!

　　该文刊登于我刊2018年第8期

　　本刊编辑 张婷婷整理