流体动力复兴之探讨

郝春玲

[摘要]流体动力的光明前景主要由行业推动的创新研究和各种教育活动。随着越来越多的关注、应用和未来技术的应用流体动力学所应用的行业将复兴。

[关键词]流体动力 复兴 液压模拟 模型

中图分类号：O35文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510198－01

一些行业内的顶级企业和研究机构在2006年通过立项一个美国国家科学基金课题（National Science Foundation Grant）正式组织起来，这些公司和研究机构开始主动为古老的流体动力技术注入新思想，他们设定了雄心勃勃的计划准备在将来为流体动力行业带来一场革命。

“在所有动力技术中流体动力的功率密度最高，电动马达做不了的事情它能做，这是它的希望所在，”Center for Compact and Efficient Fluid Power主任Dr。这家研究中心总部位于明尼苏达大学，在7家主要大学都有分支机构，该中心由美国国家科学基金（NSF）资助。“我们坚信这一努力必将带动流体动力的复兴。”

提高流体动力的整体效率是目前最迫切的任务，因为这是开发液压混合动力卡车、公交车和客车所提出的要求。不过更长期的研究还需要集中精力研究紧凑的解决方案，解决仿人机器人、生物医药设备和新一代手动工具的流体动力源问题。

研究中心一般为某一全新技术开设，比如纳米科学或者生物医药工程。 “而这次是为一项老技术开设研究中心，我打算为这一技术注入新思想从而改变整个流体动力行业。”

有三台试验场用于更长期项目的研究。伊利诺伊大学在明尼苏大开发一种流体动力矫形器和流体动力手动工具。各个大学的项目都用这些试验床进行试验。范德比特大学研究流体动力手动工具所需的紧凑流体动力源。

“我们认识到在未来战略中有三个方面需极大提高，这就是流体动力的效率、更小更轻更紧凑的解决方案以及包括人因和噪音问题在内的综合效能。

一、关注效率

一个需要探索的主要领域是极大地提高在制造、航空、建筑、农业和采矿领域使用的重型设备的能量效率。如果流体动力的综合效率提高10%，假设原油价格每桶50美元，这项改进每年能为美国节省70亿美元的原油进口。

该团队在这一领域有两项创意。一个是使用PWM或者高速开/关阀，目的是利用高速开关阀来调整流动从而减少能量浪费。第二种方法是使用可变活塞泵和马达实现运动控制的静力学方案，该方案可为每个运动轴提供更加无损的定位控制系统。

二、液压混合动力

第二个战略研究是把流体动力应用于交通工具。目前液压混合动力汽车（主要是重型卡车和公交车）开始上市。但是该团队相信跟电动混合动力技术相比混合动力技术更高级，能带来更多好处，尤其对于重型设备来说更是如此。同时目前的研究主要是让液压混合动力客车成为现实。现在我们没有现成的技术可用，但是我们目前正在努力研究新技术使之成为可能。

如果研究一下蓄电池和电池组的能量密度，比较一下电动混合动力和液压混合动力，你会发现蓄电池的能量密度不如电池组的能量密度。而如果使用了液压混合动力，液压泵和液压马达的功率密度要远超过电动马达和发电机的功率密度。

一些人鼓吹Toyota Prius轿车具有再生制动功能，但是根据循环工况不同它的效率大约只有50%，原因是马达和发电机的尺寸太小，不能吸收所有的制动能。在试验中电动马达和发电机的效率很高，能达到90%多，但是在再生制动方案中该系统发挥不了这么大的潜能。

相比之下，液压泵和液压马达的效率通常为80%到90%。但是在改变液压泵和液压马达时没有任何问题，因为以它们的重量可以很容易安装在汽车中，他们能存储所有的制动能从而使再生制动效率更高。

在通常电子点火系统中，能量效率最高为30%。如果在节气阀没有全开的情况下，能量效率会降至15%。当在高速路上正常行驶时，马达节气阀一般没有全开，因为马达是根据加速/牵引/爬坡等情况而不是正常行驶的情况而设计的。因此在正常行驶时能量效率大约只有15%。

如果在节气阀没有全开的情况下，能量效率会降至15%。当在高速路上正常行驶时，马达节气阀一般没有全开，因为马达是根据加速/牵引/爬坡等情况而不是正常行驶的情况而设计的。因此在正常行驶时能量效率大约只有15%。

液压混合动力系统还能解决成本难题。电动混合电池组和马达让一辆汽车成本增加3,000美元到7,000美元不等，同时一个电池组的平均寿命为90,000英里。“这是一笔很大的额外费用，我们相信液压混合动力系统会更便宜、更可靠，因为功率密度越高，汽车的性能优势越明显。这些问题还没有全部解决，在控制方面还存在挑战。此外有人还对噪音、可驾驶性以及让蓄电池存储更多能量等方面有所担忧。

但是我预计在未来几年我们会看到液压混合动力卡车和公交车上市。这项技术会得到改进和提高，并且随着技术的突破我们相信一定能把这样项技术应用到卡车上，这将带来巨大的社会效益。”

三、未来的技术发展

在更长一段时期内，该团队的研究目标是缩小流体动力解决方案的尺寸，开发出一种便携式、紧凑的流体动力源。这项技术能促进可移动机器人的发展，这种机器人可在没有外部动力的情况下长时间工作。它可能为流体动力手动工具提供基础性技术，并提高生物医疗设备的性能，比如假体，这些假体可在没有外部动力的情况下用流体动力驱动长时间工作。

一个可能的方法是化学流体激励。鱼雷采用单元推进剂发射，这种推进剂遇到催化剂时发生化学反应产生气体。范德比特大学德研究人员正在研究一种热气体叶轮液压马达，该马达在旋转动力源上使用了化学流体激励。该系统的动力和能量密度很有前景，优于电池组/马达。

另一项研究是自由活塞引擎压缩机。目前内燃机产生气动源的途径是通过分离的引擎和压缩机，该方案较为笨重。内燃机利用燃料的能量驱动曲柄压缩气体，这种做法效率低又很占地方。自由活塞引擎压缩机方案去掉了这种机械传动，它使用膜片和控制阀装置直接点火，直接压缩空气。他们还在研究一种自由活塞泵，这种泵使用了液压动力源，这个工作更有挑战性，但是这种方案可能更紧凑、功率更大。

四、关注合作和教育

我们从NSF处获得了大量直接的反馈和进展情况，了解到这项研究和行业之间的关系相当独特，这一模型也可应用于其它学科的工程研究中心。

制定了一项战略，激发大学生、研究生和大学院系对流体动力的兴趣。明尼苏达科学博物馆合作开发了一台液压混合动力车模型。Project Lead the Way是位于纽约上州(Upstate New York)的一家非营利机构，该机构开展新课程向初高中学生介绍流体动力的知识。

第一个是流体动力创造了我们所享受的现代生活；第二个是流体动力在将来可能会取得科学进步以及巨大影响；第三是展示该职业的光明前景以及随着这些新技术的开发这一行业将走向复兴。

参考文献：

[1]李永堂，液压系统，冶金工业出版社，2003.02.01.

[2]李芝，液压传动，机械工业出版社，2006.04.

[3]许福玲，液压与气压传动，机械工业出版社，2005.08.