工业液压的未来:从“恐龙”到“金独角兽”

Steffen Haack

(博世力士乐, 德国 巴伐利亚 美因河畔洛尔 97816)

引言

当被问及工业液压系统时,用户往往会将其描述为过时的、笨重的、适用于重负载的强大技术,脑海中也会浮现安装在地下室的液压动力站的泄漏、噪音以及高昂的维护和处置成本。总之,液压技术没有被视为“智能和清洁的技术”。尽管近几十年来人们共同努力改善其形象,但液压行业仍被许多人视为“恐龙”,因此它不是人们职业的首选,尤其是在年轻人当中。毕业生往往会被具有数字商业理念的初创环境所吸引,会被想象中的“金独角兽”所吸引。这是因为“独角兽”在国际上代表着创新和创造力、代表着人们的热情兴奋以及与巨大经济成功相关的观念。

无论外界如何看待这个行业,从全球角度来看,液压产品的年销售额仍高达数百亿美元,在全球经济中的重要性是无可争议的。令人困惑及矛盾的是,液压技术在经济上的重要性与用户、公众和科学界对它的看法形成了鲜明对比。

液压行业如何实现新的转型?答案很简单。“恐龙”必须适应或改变,就像在自然界中一样,通过整合新技术转变为具有吸引力的“金独角兽”,如图1所示。变革战略是:抓住与电传动技术之间的竞争优势,并通过整合各种技术学科获得额外的收益。通过这种方式,液压技术在用户心目中将转变为一种创新的高科技。

图1 人们对工业液压的认知将会改变(如:液压泵站的变化)

具体而言,通过保留液压的优势并将其与“IT消费者世界”中的机会和积极的客户体验相结合。用户将会体验到一个结构紧凑、功能完整的“隐藏式液压系统”,它具有简单、直观、互联和快速安装的特点,成为一个具有吸引力的“独角兽”。

与液压不同,某些领域的技术变革进展顺利,有更简单的接口,以及IT互联长期以来一直是电传动技术不可或缺的基因组成。无论对未来的设想如何,液压技术一定会保持与电传动技术的竞争关系,我们需要捍卫液压技术的领先地位。

但是,如何确保未来十年工业液压的生存能力?加强其竞争力的行动方向在哪里?只有瞄准“金独角兽”!

1 市场环境

工业液压系统无法避免不断变化的市场环境中发展的影响。然而,时髦的新技术并不是塑造未来几年行业前景的唯一因素,一些已知的趋势和行业要求将继续作为技术和市场的常青树。

1.1 能效

在考虑主要的趋势时,环境和资源稀缺总是优先选项,市场需要更节能的驱动系统。例如,在欧洲,与能源相关的法规适用于元件级别(例如电机的IE3标准)。除此之外,还有许多针对机器设备的标准化和立法举措(例如,针对大规模生产的机器设备的效率标识)。能效的重要性在欧洲之外也越来越重要。在一些地区,由于能源仍过于便宜,只有在供应和价格压力凸显时才会采用新的创新方法。

由于液压的特定优势,如高功率密度和高负载能力,液压系统几乎注定要用于高功率的场合。这尤其适用于液压动力站,其中节能驱动的解决方案特别有益。

展望:能源效率是一个持续存在的问题,当前变转速液压控制驱动系统的应用在不断增加。高效伺服电机越来越多地取代标准异步电机。技术升级的解决方案已经在市场上得到应用,图2为变速泵驱动方案的示例。

图2 Sytronix变速泵驱动

1.2 生态挑战

工业液压应用在各种环境条件下,包括工厂环境(例如塑料加工机械或压力机)或户外环境(例如海事应用或近海),甚至在南极洲、热带地区和水源保护区也有一些应用。

立法机构对液压产品的可持续生产、回收和处置实施了具体的区域法规。其中包括欧洲的REACH法规(如六价铬)和RoHS指令,后者限制在电气和电子设备中使用某些有害物质(如铅)。

液压油作为不可或缺的压力传输介质和润滑剂,在环境影响和系统功能安全方面发挥着特殊作用。尽管可快速生物降解的液压油已经使用了60多年,但矿物基油仍然是最常用的液压介质。然而,不仅液压油需要持续改进,“密封”系统也必须在新材料、几何形状、客户要求和摩擦学这一多因素系统中的耦合作用方面进一步发展。

其他降低环境风险的手段是采用封闭式液压回路和/或使用更少体积液体的新设计。这可以通过具有主动排气或更小的分散式运动轴的智能油箱设计来实现。

展望:减少液压油用量和提高环境兼容性仍然是需要持续关注的问题。预计政府在未来环境方面的法规将变得更加严格。因此,液压油、密封件和液压系统制造商可能会结成联盟,进一步提高环境兼容性。

1.3 安全相关的要求

在欧洲,机械指令要求机器的设计和制造方式应避免对人类造成潜在风险,为此已经制定了一系列与液压系统安全相关的欧洲标准,并有相关标准作为补充,例如压力设备法规。

展望:安全问题在未来仍会是一个优先考虑事项。在其他地区,尤其是新兴国家,预计也会出现更严格的法规(如审批检查、设计指南等)。

1.4 国际贸易基本条件

在某些情况下,关税或不同的执行标准等贸易壁垒限制了公司的出口机会。尽管目前关注的主要是关税,但经济学家认为废除官僚的贸易壁垒更为重要。互认技术标准不仅可以节省时间,也避免因必须遵守不同标准而产生的高额费用。

展望:考虑到当前政治利益的分歧较大,未来重点地区的保护主义政策将难以遏制。

1.5 数字化/数据/信息获取

来自IT世界的推动力正通过使用统一标准(如OPC-UA和TSN)、分布式智能架构、移动式终端设备、更廉价的计算能力和新的编程语言来改变已有数十年历史的自动化金字塔。未来的机器控制系统将在性能、可用性、接口和数字工程方面得到提升。

用户越来越期望在工作中获得与他们习惯的“消费类IT领域”(例如配置器、可用性、移动设备、应用程序、云解决方案)同样的便利,这同样适用于工业液压领域从工程到服务的完整客户体验。除了配置器之外,还必须生成产品系列的数字孪生模型,并将其集成到产品数据管理系统(如西门子、达索的PDM/PLM)中。产品本身将按要求具有从简单的数字接口(如IO-Link)到实时传输能力的多以太网接口。从2023年开始,新的5G通信标准将导致更多的专用工业网络应用于工业环境中。通过这些基于边缘云的网络,可以实现不超过1 ms的感知和执行循环时间,从而能够满足塑料加工机械中典型的控制器要求。除当前流行的蓝牙和WLAN系统外,NB-IoT和LTE-M也将越来越多地用于共享信息。集成到产品中的传感器和5G通信模块将为状态监控提供信息,甚至为预防性维护提供数据支撑。因此,基于数据的商业模式预计会大量出现。

展望:电控液压产品尤其会受益于自动化和IT技术的影响。他们将使历史悠久的液压技术的形象现代化,提高其集成能力,从而提高其竞争力。IT和软件工具的重要性将显著增加,并使液压技术拥有一系列的新功能。与电气自动化领域相似,液压产品供应商正在建立自己的生态系统,在工程、人工智能和云解决方案方面与其他相关供应商合作。未来会需要越来越多的跨技术领域的合作伙伴关系,尤其是在尖端IT技术方面。任何单一的制造商将不再可能拥有所有必要的技能。当前关于合作伙伴关系的观念也将发生变化,在某些情况下,以前的一些合作伙伴可能会延续,而另外一些以前的合作伙伴可能会成为竞争对手,并且还会有新的合作伙伴出现。只有在数字化、接口和通信方面完成必要的结构性调整,并且培训员工具备必要的资质,传统的机械工程企业才会受益于IT世界更短的创新周期。

1.6 培训/人员情况

一段时间以来,无论是销售部门还是工程部门,公司的液压专业工程师数量正在明显下降。就专业基础和再培训而言,目前液压专业人员主要来自农业或建筑机械、工业机械或机电一体化等相关专业。事实上,没有特定或专门的培训可以获得液压及机电一体化专家的资格。

德国的大学一般没有设立液压技术专业,液压一般也不是当今工程类课程的基本模块,所以大学的情况并不令人满意。即使开设液压课程,内容大多也只限于标准液压,德国以外的情况也类似。

但是,液压工业要想达到“金独角兽”的目标,就需要现代化的最新教学、技术转移以及在学术和商业领域创建新的“流体及机电一体化专家”培训模式。这是教育政策制定者、行业和国家/国际流体技术协会面临的关键联合任务之一。

未来,我们需要两种不同类型的液压工程师。一种是具备机械工程技能的面向元件级的专家,负责开发和进一步优化产品;另一种是具备整体技术能力的面向液压及机电一体化系统的专家,他们拥有控制专业知识并精通液压和电传动的方案。

展望:尽管付出了努力,当前的教育状况近期不可能发生太大变化。在未来的岁月里,必须改进教育方式以获得深入的知识,因为如果缺乏控制技术、数字化和软件方面的知识,以及机械/运动学方面的知识,那么无论电控液压系统解决方案的技术多么出色,都不会在市场上取得成功,当前很多公司中都缺乏这样的专家。机器制造商将工程外包给供应商,并越来越多地采购完整的子系统作为“功能模块”。大型终端用户越来越多地聘请成熟的专业公司来开展设备维护工作。更重要的是,应该让用户尽可能轻松地使用液压技术,并且液压行业应该继续为年轻人提供一个有吸引力的面向未来的职业。

2 未来的可行性

肯定没有适用于所有应用的标准首选技术。液压和电传动两种驱动类型各有优势和劣势,只能根据其在特定应用中的适用性进行评估。为了能够就未来的可行性(以超过十年为期观察)做出可靠的结论,我们进行了一项调查,以确定十个主要领域中工业液压最重要的应用是否可以被替代,如表1所示。

表1 工业液压的重要行业应用概览

上述主要应用考虑了以下两种驱动类型:

1) 直线运动(超过80%的应用)

液压:通过阀控、泵控和紧凑型运动轴驱动液压缸;

电传动:滚珠丝杆或滚柱丝杠组件。

2) 旋转运动(小于20%的应用)

液压:泵控制或二次控制;

电传动:电机直接驱动或通过齿轮箱驱动。

对未来每个应用场景进行了调查,评估最合适的驱动类型,这些评估是基于以下四个主要类别共13项标准,如表2所示。

表2 驱动类型应用场景的评估

展望:总体上,对于500 kN或更大输出力的线性运动, 很明显不可能使用电传动系统, 如图3所示。

图3 线性驱动技术的性能限制范围

对于输出力100 kN以下的较小输出力等级,电传动技术在许多应用中具有替代液压解决方案的巨大潜力。对于电传动,其机械系统的技术潜力已基本耗尽,尽管通过材料、涂层和几何结构的进一步研发可略微提高功率和速度,但不太可能有革命性的飞跃。通过机械传动装置进一步增加功率和扭矩将受限于被加速的质量。

液压驱动的输出力与过去相比已经大了100倍。液压系统与电传动系统的物理性能极限没有明显的中断,预计在这两个领域都将进一步发展。此外,可以预见,液压系统在金属切削机械和旋转驱动中的应用可能会面临更激烈的竞争,但同时也存在机会,即通过泵控系统的节能和更加用户友好的产品和系统。在线性应用中,液压系统将保持其地位,甚至通过紧凑型运动轴领域的进一步创新发展得到改进。

如图4所示为一个由液压缸、阀块和电机-泵单元的标准组件组成的自主式紧凑型运动轴。这些运动轴几乎是免维护的,流体介质是为运动轴的服役寿命而设计的。其调试过程与电传动相同。与液压相关的参数已经包含在软件库中。因此,即使是复杂的行程曲线,例如用于成型和联接、注塑以及其他大功率机器的行程曲线,也可以轻松地进行参数化。由于驱动器中集成了“Safety on Board(板载安全)”功能,机器制造商可以实现安全完整性等级高达SIL 3的安全等级。

图4 自主式伺服液压轴

3 发展趋势

不同的市场、行业和应用领域对工业液压系统提出了截然不同的要求。近几十年来出现的发展领域主要集中在以下几个方面:

(1) 能效(减少流动阻力、减少压力损失、提高效率);

(2) 降噪;

(3) 减少油箱体积;

(4) 更高的压力等级和更小的安装空间;

(5) 改善材料和油液特性;

(6) 更高的可用性和预测性维护;

(7) 用户友好性(集成式电子设备、调试软件/向导);

(8) 安全。

虽然这些方面的发展在未来仍将发挥作用,但不仅限于此。3D金属打印制造工艺等工业发展趋势为液压技术提供了新的机会,例如通过优化核心设计(砂型打印程序)以改善流动特性或用于生产伺服阀,如图5所示。

图5 以伺服阀为例的3D打印

数字液压系统(1位或n位)、5.0 MPa以下的低压液压系统以及在阀控技术中使用的负载口独立控制方等创新潜力尚未得到充分的研究和评估。

如果将工业液压的典型应用分配给更大的产业集群,则会出现两个具有不同要求的关键应用领域,如图6所示。

1) 敏感环境中的应用

该细分市场的特点是环境条件特殊,而且过程通常也是连续的,包括海洋和近海、水利工程、冶金、铸造与采矿等行业,液压系统通常安装在室外或特殊环境中。

当涉及连续过程的生产系统时,重点是OEE(整体设备效率),即通过优化流程、提高质量和预测性维护来提高生产率。液压系统正在开发基于机器学习的高性能诊断系统,例如力士乐公司的CytroConnect,如图7所示,它已经能够可靠地预测元件何时会发生故障。

图7 使用CytroConnect(在线诊断网络)进行预测性维护

在许多情况下,液压产品需要符合环境保护等级(例如防爆、采矿标准等),需要具有冗余度的液压动力站和使用可生物降解的油液。鉴于上述市场环境,未来政府可能会实施进一步的环境法规。

避免风险的主要手段之一是减少液压系统中介质的使用量。近年来在这方面取得了良好的进展。其基础是智能油箱设计,借助三维CFD模拟实现自然被动脱气。使用包括传感器的主动脱气模块来监测油液中释放的空气比例,可以进一步显著减少油量,如图8所示。与传统设计相比,油液容量最多可减少70%,安装空间减小50%,并且显著降低换油成本。

图8 myCro+主动脱气模块的效果

展望:除了设计技术和油液性能的进一步发展以帮助提高环境兼容性外,这些行业还将经历数字化推动的转型过程,例如智能采矿、冶金4.0或自主船舶。

2) 生产应用

第二个细分市场受到“未来工厂”的发展和趋势的影响。它包括安装在现代工厂中的压力机、塑料加工机械、装配系统、机床、试验机等。

为了明确对工业液压的要求,先要描述未来的工厂。其主要目的是通过透明度提高工厂的生产力和效率。未来的工厂具有高度的灵活性。高度的灵活性和适应性是关键指标,而透明度将有助于避免计划外的、代价高昂的停机时间。除墙壁、地板和天花板外,工厂其他的一切都可移动。装配线将采用模块化设计,并且可以重组机器以创建用于新用途的新生产线。它们将通过5G无线通信,并由地板上的感应充电系统供电,如图9所示。

图9 未来工厂

在未来的工厂中,从现场级设备到基于云的IT系统都将实现互联。自动化和驱动方案只有采用开放标准才能适应这种环境。它们必须易于配置,特性和类存储在设备数据中,并由固件控制或管理。工业液压系统必须适应这个已采用多以太网和IO-Link等开放标准的世界,如图10所示。通过实时扩展,所有组件、模块和机器都可共享信息。为确保未来语言和标识的标准化,在工业4.0参考架构模型(RAMI4.0)的基础上为液压产品定义了跨制造商的语义及其特性描述。它们准备好集成到eCl@ss(机器与机器通讯的电子数据库)中,并符合国际ISO/IEC标准。设备指定的数据(如eCl@ss特性和类)存储在设备数据中,并由固件控制或管理。

图10 带IO-Link/蓝牙的压力阀(左)和带多以太网接口的高频响阀,用于位置、压力和力控制以及闭环控制(右)

展望:在所有未来的产品世代中实施使用这些数据,因为在未来的工厂中,价值流将被数字化。软件收集、传输和处理来自生产和物流的数据用于分析。在数字商业模式下,最终消费者将不再拥有自己的机器和系统——他们将按使用来付费。新模型基于来自所有执行器、模块、传感器和机器的操作数据-不仅包括新的,还包括已经安装的基础设施在内。

在通往“金独角兽”的道路上,首批里程碑产品之一是博世力士乐的CytroBox,这是最新一代的液压动力单元,如图11所示。CytroBox是一种分散式液压动力单元。它兼具可移动性和灵活性,具有即插即用的设计概念和分散式智能控制特点,为机器制造商提供具有多种内置功能的驱动控制器。关键安全功能和驱动控制算法已包含在控制器中,因此可轻松的集成和配置到特定的应用对象中。集成的接线传感器可提供当前过滤器、油液或驱动器状况的信息。收集到的传感器数据通过IO-Link接口传输,并由驱动控制器进行预处理,以便灵活地集成到现代机器的综合设计中。

图11 CytroBox,最新一代液压动力单元

新的自动化解决方案只有能够灵活地适应未来的互联环境的才具有可行性。机器及其模块采用无线连接,通过开放接口交换信息和指令,并持续监控自身。凭借多以太网接口和开放式核心工程组件,灵活模块化的CytroBox产品提供了这种未来的可行性。与现代电传动系统相同, 该动力单元支持物联网。对于用户来说,如何轻松解决智能维保等应用是个问题,这需要一个简单、 无风险的物联网解决方案。借助之前提到的力士乐在线诊断网络CytroConnect,CytroBox可提供如下物联网服务:方便获取有关设备的所有信息,包括元件和系统运行状态,即将进行的维护工作以及在线诊断网络(CytroConnect)的预测性维护分析。按客户要求,也可提供用于维护功能、故障检测和预测性维护的附加服务包。

4 结论

在未来的市场环境中,能效、生态友好和安全相关的问题仍然很重要。电传动技术的发展不会中断工业液压技术。然而,电传动可以替代低功率的液压线性应用和旋转驱动。传统液压技术将在未来十年内发生重大变化。

由金属制造的工业液压产品将越来越多地被用作传感器、电子产品、软件和智能的载体,并受到IT和自动化世界趋势的重大影响。用户将把工业液压作为一个现成的功能模块来体验,与他们在消费类IT领域中所习惯的用户友好程度水平相同。今天仍然被视为恐龙的“工业液压”正在逐渐转变为具有吸引力的独角兽——“明天的工业液压”。

电气自动化和IT技术的新发展将使工业液压系统的集成变得更加容易,并使其更具竞争力。工业液压系统在紧凑型运动轴、能源效率和用户友好性方面具有发展潜力。之前的液压开发重点将扩展到包括来自基于IT的新自动化世界的主题。数字化(软件、接口、专用通讯网络、应用程序等)以及数据使用(传感器、网络服务器、数据分析、物联网服务、云解决方案等)将越来越多地征服工业世界。