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2022年第一期行业简报(2021年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖综述)

发布时间:2022-01-06  阅读次数: 304


上海液气密行业简报

2022年第1期  (总第199期)

上海液压气动密封行业协会编      2022年01月05日


 编者按:

  2021年12月31日,辞旧迎新之际,国家主席习近平发表了2022年新年贺词,习主席在贺词中说道:“……回首这一年,意义非凡。我们亲历了党和国家历史上具有里程碑意义的大事。‘两个一百年’奋斗目标历史交汇,我们开启了全面建设社会主义现代化国家新征程,正昂首阔步行进在实现中华民族伟大复兴的道路上。从年头到年尾,农田、企业、社区、学校、医院、军营、科研院所……大家忙了一整年,付出了,奉献了,也收获了。在飞逝的时光里,我们看到的、感悟到的中国,是一个坚韧不拔、欣欣向荣的中国。这里有可亲可敬的人民,有日新月异的发展,有赓续传承的事业。……”

  是啊!对于我们的各会员单位来说,2021年又何尝不是“忙了一整年”啊!

  2021年,我们协会在市民政局社团处、市工经联党委的领导和指导下,在我们各会员单位的支持帮助下,顺利召开了第五届会员大会,完成了协会换届选举的工作。

  在新年到来之际,协会秘书处感谢大家在过去的一年里对协会工作的大力支持和帮助,也期待大家在新的一年里能一如既往的给予我们更有力的支持,我们也会尽最大努力为大家做好各项服务工作。让我们一起努力,在新的一年里把我们协会的各项工作推向新的高度!祝大家新年快乐!

  2021年“PTC”展如期在上海召开,本次展会推出全新主题——“突破边界,驱动未来”。展会上,突出展示了行业内一批新技术、新产品。在此,我们转载《液压气动与密封》杂志2021增刊的《2021年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖综述》一文,以飨我们的会员。

2021年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖综述

 

摘自《液压气动与密封》(刊号:CN11-4839/TH)2021增刊

0 前言

  2021年是中国共产觉成立100周年,是“十四五”规划开局之年,也是全面建成小康社会、开启全面建设社会主义现代化国家新征程的关键之年。中国液压液力气动密封行业企业坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,抓住世界新一轮科技革命和产业变革机遇,深人实施创新驱动战略,顺应“互联网+”时代潮流和产学研用一体化发展,成绩斐然,涌现出一批具有标志性意义的科技成果。本年度行业技术进步奖申报评审工作自1月启动至9月获奖项目揭晓,共收到企业、科研院所高等院校申报的项目44项,其中液压22项,液力5项,气动7项,密封10项,由中国工程院院士领军的14位中国液压气动密封件工业协会专家委员会委员为主组成的专家评审委员会参加了项目的评审工作。所有项目经过预审、专业评审组初评、评审委员会综评、网上公示、管理委员会审批等阶段,共评选出优秀获奖项目25项。其中,一等奖3项,二等奖8项,三等奖14项(见表1)。

  获奖比例为56.8%,获奖科技工作者232人次,另有1项申报项目因材料有待补充而列为缓评。本年度行业技术进步奖的突出特点是;申报项目整体技术水平再创新高;产学研用项目已实现产业化;行业企业重视核心自主知识产权,申报项目所拥有的专利总数达到228项,拥有专利的项目占申报项目总数的比例达到100%;产品升级换代、替代进口、产业化效果显著,应用前景十分广阔。按行业统计,液压行业获奖13项,液力行业获奖3项,气动行业获奖4项,密封行业获奖5项。按奖励类别统计,技术发明成果获奖项目4项,其中:一等奖1项,二等奖2项,三等奖1项;技术进步成果获奖项目20项,其中:一等奖2项,二等奖6项,三等奖12项;软科学标准类获奖1项,获得三等奖。

1高端液压件继续在重大技术装备上突破发展

  本年度,液压行业技术进步奖共评选出优秀获奖项目13项,其中:一等奖工项,二等奖5个,三等奖7项。

  1.1“海洋平台液压升降作业关键技术研究与示范应用”项目

  “海洋平台液压升降作业关键技术研究与示范应用”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖一等奖,由浙江海洋大学、山东建筑大学、中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司和金海智造有限公司组成产学研用联合创新团队共同完成。

  该项目针对海洋平台升降系统基本被国外大公司所垄断的局面,通过关键技术攻关研究研制出一套90水动力定位海洋工程平台液压升降系统。升降桩腿时,动力定位系统可与升降系统同时工作,避免平台接近漂浮状态时,发生不稳定状态,桩腿撞击海底或与周围平合碰撞,有效保护平台升降装置的结构安全,实现海洋工程平台安全可靠、平稳升降与插拔桩。

  海底地基的不稳定性与恶劣海洋环境影响,极易导致自升式平台桩腿刺穿,特别是浅层气对平台插桩造成的致命安全问题更为突出。不稳定海底条件下桩腿沉降及自升式平台就位作业的可靠性、安全性究竟如何,不仅是海洋油气开发部门、平台业主、海洋地质界关注的工程问题,也是海上作业与海事工程学科迫切希望解决的科学问题。如何突破地基穿刺的障碍,避免这些灾难,成为关系到大型海洋工程装备安全作业的“卡脖子”关键核心技术难题。

  该项目有以下主要科技创新:

  1)国内外首创了一座陆上大型自升式海洋模拟平台

  该项目创新发明了一座陆上大型自升式海洋模拟平台,突破了地基沉降引发载荷巨变、 升降结构破坏的安全保护技术,通过桩腿底部加装地基沉降模拟机构,将平台升降系统、桩腿和海底三者耦合一体,实时感知海底沉降引发的平台结构和升降系统性能变化影响,通过沉降机构的伸缩,模拟不同海底承载能力情況、不同的桩腿沉降速度与幅度,实现自升式平台穿刺事故诱因实时反演,保障平台海上安全作业。

  2)突破了升降安全控制、制动、平衡三重保护技术

  该项目针对平台升降止动、桩腿下放海底瞬间对关键结构冲击的突出难题,研制出了一种无冲击液压控制、平衡与制动三重保护回路。在平街阀开启前,制动器完成释放动作,平衡阀的缓冲调节功能,可将桩腿撞击海底的冲击力有效化解,消除系统油压突增突减现象,避免桩腿将遭受的突增外力传递到平台而产生巨大冲击破坏。

  3)开发了平台升降机构制造新工艺与驱动模块标准单元

  该项目针对升降系统回路多样性和诊断维护的复杂性,为提高可靠性,通过建模液压仿真优化研究,开发了升降驱动模块标准单元、柱腿焊接工艺柱腿吊装工艺、柱腿制作与安装工艺,安现了升降波压回路全部单元标准化,保障了平台升降同步控制和快速故障诊断能力。

  4)研发了一种可控喷冲系统,突破了高、中、低三种压力难以水气共用的关键技术

  即使在恶劣、浑浊的浅水海域,该项目也能快速实现桩靴全方位防堵与解堵喷冲,避免平台拔桩失败的重大事故。

  5)创建了互联网+海洋工程装备+陆地控制中心快速应急安全作业响应模式

  该项目采用多参数信息采集融合与转换技术,通过互联网与陆地控制中心对接,完成包括升降系统、海洋平合桩腿结构应变、海底地基承载能力关键技术数据的采集分析,不同时间的作业缓存数据文件存储、报警,科学地评价平台安全工作状态,实现恶劣海况下平台远程控制,即使现场人员落水,也能够远程分析控制,做出正确科学决策,避免灾难加剧发生。

  综上所述,该项目解决了如下关键科学问题:

  1)自升式海洋平台插桩动态模拟关键导向与海底超硬土层真实模拟技术

  为突破土工海底试验难以再现各种土层强度的技术瓶颈,实现平台插桩动态模拟,将海底真实情况复制到陆地,需要对桩腿施加足够的载荷,才能对海底地基产生足够的插桩压力,从而可以实现硬一软土层交替的真实模拟,目前自升式海洋平台遭遇硬土层时,插阻尼约在 10MPa以上,为此需要对已有陆地自升式模拟海洋平台进行下述技术攻关研究:

  (1)自升式海洋试验平台地基加固技术;

  (2)自升式海洋试验亚台桩腿导向技术;

  (3)海底插桩阻尼油缸与超硬士层真实模拟匹配技术;

  (4)自升式海洋平台压载与安全救助技术。

  2)灾难工况下自升式平台海底插桩阻尼模拟参数采集与处理技术

  为了将海底地基真实情况复制到陆地,需要进行地基土层参数的采集处理,特别是针对灾难工况下平台插桩模拟,需要选取有代表性的海域地基参数,并且需要合理处理转换为伺服控制信号,模拟结果才能更好的反映真实插桩情况。

  3)自升式海洋平台插桩动态仿真与数据采集与分析技术

  为了确立液压伺服控制策略,通过AMESim和MATLAB/Simulink建立联合仿真,再现实海况下自升式平台插桩工作状态,为液压伺服系统控制第略的建立提供参考。同时,为了在自升式海洋平台插桩动态情景模拟过程中,全面地识别平台插桩作业安全风险因子,需要进行测控数据采集分析技术开发,获得可靠有效实验数据,开发出科学、高效、快速救助平台的安全技术。

  该项目成果属国内外首创,己获授权发明专利8项:其中美国2项,中国6项;发表相关论文10余篇(SCI高被引1篇)。成果融合了机械液压、海工、测控等多学科技术,有效保障了自升式海洋平台安全作业,多座海洋平台接受培训并加装了可控喷冲,新增经济效益相当可观,为我国海工装备的安全及海洋油气开发做出了突出贡献。

  1.2“工程机械液压和传动系统节能与可靠性技术开发及应用”项目

  “工程机械液压和传动系统节能与可靠性技术开发及应用”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖二等奖,由广西柳工机械股份有限公司、柳工柳州传动件有限公司和柳州柳工液压件有限公司共同完成。

  该项目以装载机为切人点,抓住装载机的核心关键零部件液压系统和传动系统,展开节能与可靠性技术研究,通过产品创新技术和试验创新技术,完成预期创新成果。

  该项目有以下创新点:

  1)工程机械液压系统节能与可靠性技术提升

  (1)阀后补偿电液比例负载敏感技术,动臂浮动下降时能量回收技术。通过对阀后补偿电液比例负载敏感技术研究,对补偿阀芯复位弹簧刚度和相关阻尼孔进行优化,实现在流量饱和状态下多执行机构同时动作,流量按比例分配,执行机构协调动作,以实现装载机转斗与动臂复合动作,提升工作效率。

  通过对装载机工况研究,发现在浮动下降时铲斗的重力势能可以利用,故对装载机浮动下降时能量回收技术进行研究。通过对T口油道的研究,在中间增加背压阀的方式,使主控阀形成双T口结构,保证有背压的工口在动臂下降和转斗卸料工况下使动臂大腔和转斗大腔的油液循环回收到动臂小腔和转斗小腔,合理地利用整机铲斗下降的重力势能,减小泵的输出功率,实现能量回收以达到节能效果。

  (2)转向优先型负荷敏感流量放大阀技术,集成转向优先功能和先导高压技术。转向优先型负荷敏感流量放大阀应用负荷敏感技术,用在转向变量系统中,转向变量柱塞泵按转向缸的流量需求供给油液,与转向负载无关,不会产生多余流量,系统无溢流损失,节能性好,可降低整机油耗7%以上。

  (3)高压油缸可靠性提升技术。完成了高压油缸缸筒受力分析及筒壁厚强度计算方法研究、高压油缸降低活塞杆小头变截面及杆头过渡处残余应力有限元仿真分析及台架试验验证,现己批量推广应用;完成了高压油缸活塞与活寒杆连接螺纹防松、高压油缸对接焊焊缝批量强度技术研究及批量推广应用:完成高压油缸活塞杆动密封外泄漏失效机理研究;完成26MPa高压油缸20万次台架耐久性、可靠性试验,油缸可靠性高。

  (4)液压阀、油缸耐久性试验台。根据液压阀产品特点及使用工况,制定了液压阀各零部件的可靠性试验方法。根据部件试验方法,自主设计试验台原理,完成静态脉冲试验台原理设计、阀杆、阀芯动态换向试验台原理设计以及单向阀动态冲击试验台原理设计,其中单向阀动态冲击试验机理为行业首创,该试验台采用了能量回收技术,保证泵站在小流量供给的情况下实现单向阀的大开口开启,同时试验台设计了油液泄漏监控功能,通过油箱、操作台等安全液位设定控制试验台自动停机,从而实现了试验台24小时不间断运行。

  研究了油红的耐久性试验方法,通过研究整机工况及油缸整机上的受力情况,对油缸的各部件的载荷谱进行分析研究,制定针对活塞杆组件,缸筒组件的试验方法,根据试验方法设计并建造油缸耐久性试验台,实现35MPa以下油缸2倍拉力及2倍压力的耐久性试验。

  2)工程机械传动系统节能与可靠性技术提升

  (1)发动机与液力变矩器匹配技术。应用发动机与液力变矩器匹配技术,通过与发动机系统匹配,优化输出特性,确认变矩器与发动机的设计参数。利用该技术,完成了高可靠性节能低噪声型变速箱变矩器参数的选择确认。

  (2)驱动桥对流内循环式润滑散热技术。发明具有优良油液流动润滑效果的差速器和主传动结构,内置对流循环式润滑油道、通油孔、储油腔(槽)的巧妙设计,既易于制造和装配,又能使得润滑油在齿轮、轴承垫片、轴、油封等零件之间循环流动,增加了易磨损零件处的储油量,从而改善了对零件的润滑和降温效果,提高了零件的使用寿命。

  (3)带充油缓冲装置及无隔离环超越离合器。基于完全知识产权的无隔离环技术优化结构,降低凸轮加工难度,片弹簧与凸轮铆接。凸轮圆周上分布的槽隔离和放置滚柱,滚柱独立工作,互相不受影响,确保所有滚柱同时工作。没有隔离环,不存在隔离环损坏引起的所有故障。采用片弹簧,滚柱受力均匀,接触面积大,磨损少。滚柱长径比大(2.0),工作稳定性高。

  (4)变速箱性能及耐久性试验台。为了满足静液压装载机的市场推广要求,采集了静液压装载机载荷谱,基于当前的线性试验台进行改造,自主设计了一个静液压变速器试验台,解决了自主研发变速器的可靠性试验问题,并完成了变速箱可靠性试验。

  该项目在研制过程中,共获授权发明专利5项,实用新型专利5项,发表论文4篇。该项目的成功开发,实现了装载机液压系统和传动系统的节能、高效和高可靠性,满足了装载机对关键零部件的性能要求和可靠性要求,提升了柳工装载机产品技术含量及市场竞争力,带动了装载机行业液压系统的技术升级及技术进步。

  1.3“工程机械用宽电压智能芯片电磁铁”项目

  “工程机械用宽电压智能芯片电磁铁”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖二等奖,由安阳凯地电磁技术有限公司完成。

  该公司以市场应用为先导,以重点产品关键技术攻关为主线,统筹高端智能电磁铁技术研究、产品研发、产业化、市场开发与服务发展,推动我国高端装备产业化的发展。

  该项目电磁铁通过置人智能芯片,使电磁铁具备更宽的电压输人条件,配套应用于工程机械液压系统中,解决工程机械控制电压受到发电系统限制,电压波动范围大、使用不稳定的难题。

  该项目电磁铁配套于高端液压精准控制系统,是高端装备制造液压行业的基础件之一,具有以下技术创新点:

  (1)产品导磁部分采用导磁性能高、损耗低的材料,提升电磁铁推力;

  (2)电磁铁采用吸合大推力结构设计,为电磁铁吸合后采用低功率保持提供条件;

  (3)电磁铁线圈设计采用高电压启动,低电压保持设计,形成低功耗、低温升、大推力特点,节能环保,节能60%以上;

  (4)电磁铁通过内置智能芯片,自动采集电磁铁电压并自动调整输出,从而使电磁铁具备更宽的电压输入条件:15~32V;

  (5)产品内外磁路配合间隙小,外磁路多圆弧处理,减少外部磁力损耗,提升推力;

  (6)电磁铁内部隔磁带高温处理,滅少磁力损耗,提升电磁铁推力;

  (7)电磁铁采用了整体金属外壳封闭,内部绝缘材料填充结构,提高产品性能。

  该项目已获授权发明专利1项,授权实用新型专利2项。

  该项目的成功开发进一步改善和优化了产品结构,提高了市场竞争力和灵活性,其性能方面达到国际先进水平,在国内的市场占有率达30%以上,需求量以每年15%的比例递增,市场前景非常看好。

  1.4“高原输电多地质桩孔施工机械液压系统技术研究及产品开发”项目

  “高原输电多地质桩孔施工机械液压系统技术研究及产品开发”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖三等奖,由河南九域博大科技有限公司和华北水利水电大学共同完成。

  川藏联网输电工程因包含砂砾层、卵石层和强风化岩层,被誉为当前世界施工难度最大的输变电工程常规大型基坑施工装备无法运抵现场,人工掏挖效率低、劳动强度大、危险性高,迫切需要一种满足高原山地地形的基坑施工机械化作业机具。基于上述问题该项目组研究了岩石破碎机理、分层钻进施工方法、双驱同步控制技术等;设计丁分体式液压系统和模块化机械结构,开发了远程控制系统,实现钻进刨挖与渣士快速提升、渣斗回位脱钩同步进行的高效一体化基坑施工功能,植被破坏面积小,绿色环保,提高基坑施工机械化水平和安全性。

  该项目具有以下创新点:

  (1)提出了双驱同步掏挖技术,开发了掏挖、收渣同步施工工艺,研制了高原山地基坑开挖新型施工设备,保证了基坑精度和施工效率;

  (2)创新了钻、扩结合、分层钻进施工方法,优化了施工工艺参数,实现了“小扭矩钻大孔”,利用模块化技术,解决了高原山区输电线路基坑用掏挖设备运输困难;

  (3)设计了远程操控系统,通过力反馈结构实现了远程精准操控,避免了设备施工时过载损坏,降低了施工人员受伤几率,提高了施工安全性。

  该项目研究成果总体达到了国际先进水平,己获授权发明专利3项,实用新型专利1项,发表论文2篇。

  该项目产品己在河北省送变电有限公司的锡盟-奉州、昌吉-古泉输电线路工程、橘建省送变电工程有限公司的昌吉-古泉、锡盟-胜利、锡盟-泰州输电线路工程得到推广应用,累计新增销售额超亿元。

2液力产品向高功率集成化方向发展

  本年度,液力行业技术进步奖共评选出优秀获奖项目3项,其中:一等奖1项,二等奖1项,三等奖1项。

  2.1“大吨位装载机用液力变矩器配套技术研究与应用”项目

  “大吨位装载机用液力变矩器配套技术研究与应用”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖一等奖,由山推工程机械股份有限公司完成。

  该项目是基于对装载机工况及液力变矩器和发动机的匹配研究,开发了适用于大吨位装载机用液力变矩器的匹配软件和设计、试制流程。以装载机用液力变矩器为研究对象、以面向主机工况的液力变矩器关键结构及性能的定制化快速响应设计为产业目标,实现工程机械用液力变矩器产品设计的数字化、流程化、平台化,并将之应用于工程实践。

  该项目主要技术内容如下:

  1)大吨位装载机整机动态匹配技术研究

  (1)以6吨装载机为例,完成了液力变矩器和发动机的动态匹配技术研究,提出了整机具有较高作业生产率与良好的燃油经济牲的基本参数合理匹配的条件与原则,确定了整机性能及传动系统各部件主要参数间的匹配关系。

  (2)根据装载机重载工况特征,构建了基于速度、时间的动态匹配模型,通过模拟作业过程,建立不同油门、负载下的发动机全域动态特性和不同叶轮转速、加减速下的液力变矩器动态外特性之间的动态匹配,更准确地匹配出液力变矩器最佳性能,满足整机对动力特性、速度特性及经济性的需求。

  (3)应用液力变矩器和发动机的动态全域匹配,结合整机对动力特性、速度特性和燃油经济性的需求,匹配出最佳液力变矩器性能曲线,作为液力变矩器叶栅的优化设计目标。

  2)变矩器叶栅的设计方法研究

  (1)液力变矩器叶栅参数化设计,为了得到液力变矩器的最佳性能,要对叶栅进行参数化,将叶片入口角、进口角和摆放角作为没计参数,通过参数化三维模型的建立,可以实现不同叶片角的变矩器叶栅模型,形成具有一定参考花围的叶栅形状数据库,为后续的液力变矩器内部流场的优化仿真计算提供基础模型数据。

  (2)液力变矩器叶栅系列化设计,更改叶栅模型参数,获取不同的叶栅三维数据,建立相应的不同三维模型,通过对比使用不同叶栅的同一个液力变矩器所产生的性能,建立了快速有效的液力变矩器研制方法,降低了研发周期与研制成本。

  3)液力变矩器优化仿真技术研究

  (1)在液力变矩器叶栅的设计中,利用带有神经网络、遗传算法以及模拟退火算法的全新的智能优化方法,可以实现多目标、多参数优化,用户可以自行定义多个优化目标,同时可以保证几何及机械约束。采用CFD的方法对液力变矩器三元件进行分析计算,并通过对泵涡导三元件叶片进行统一优化,得到最优设计的叶片组合,进而实现不改变液力变矩器外部结构,以最低的设计成本达到获取液力变矩器最佳性能的目的。

  (2)以6吨装载机用液力变矩器为例,CFD仿真过程为:CFD数据的获取→叶栅网格划分→泵涡导组装→参数设定→计算→数据处理。对变矩器泵轮、涡轮、导轮构成的流道进行建模并进行网格划分,考虑到在叶栅和内外环近壁面位置流场流速较慢,及在不同工况下差异性较大,为提高计算精度,需要提高该边界区域的网格划分精度,在中部区域,在保证计算精度的前提下,为提高计算速度,可以采用均匀的稍大网格来进行后续计算。根据模型的实际物理特点对模型设定仿真计算的边界条件,并给子不同轮子不同工况下的转速。另外,流体的物理属性对仿真计算结果影响很大,需要准确测定,确保同等仿真条件下得到的数据可以和实际试验数据一一对应,为后续的数据处理和分析提供准确参考,以满足整机对性能的定制化设计目的。

  4)液力变矩器结构的模块化设计

  液力变矩器采用铸铝整体式变矩器结构,实现模块化装配,可整体安装到变速器内。为满足模块化装配对安装尺寸的要求,采用如下设计:

  (1)通过调节变矩器循环圆参数,仅利用循环圆有效直径D,最小直径d。和宽度极限W三个参数,将扁平比从原来的0.35压缩至0.31,提高了液力变矩器的功率密度,便于变矩器的结构布置;

  (2)变矩器导轮采用埋铸导轮毂的结构,满足连接尺寸和连接强度的同时,诚小了导轮轴向空间尺寸;

  (3)泵轮采用螺栓沉头油道孔设计,既满足了变矩器通油面积要求又满足了螺栓连接空间尺寸要求,有利于整体变矩器的结构布局;

  (4)导向器和罩轮采用分体式结构,便于调整推力轴承的轴向问隙;

  (5)导向器和罩轮、泵轮和罩轮、泵轮和齿轮之间采用O形圈密封型式,或预留O形圈槽,可同时满足主机干式或湿式要求。

  通过模块化设计,该变矩器可和冲焊式变矩器进行互换,解决了冲焊式变矩器故障率高、维修性差、市场供货能力不足的问题,提高了市场配套能力。同时该变矩器配套的双变总成,在整机布置上更加灵活,适配性更广,有利用中大吨位装载机的发展。

  5)液力变矩器叶栅试制工艺研究与应用

  (1)粘结剂喷墨打印(3DP)技术的应用。随着国内增材制造的快速发展,该项目进行了变矩器叶栅应用粘结剂喷墨打印(3DP)技术的工艺性研究,简化工艺设计,减少模具设计及制造时间。液力变矩器在样机试制过程中,直接打印铝轮砂芯,然后利用现有的铸造金属型进行铸造,实现了铝轮的快速制造,通过3DP技术的应用,样机的试制成本降低了77%,试制周期缩短了80%,提高了市场配套应变能力。

  (2)三维激光扫描的应用。在液力变矩器制造过程中,采用三维激光扫描检测技术,验证模具复杂曲面的加工精度,检测铝轮复杂曲面特征,修正铝轮叶片部分的加工车削参数,确保产品质量,保证了液力变矩器性能可靠性。

  在项日进行期问,取得了多项技术突破和核心自主知识产权,获授权发明专利4项,实用新型专利4项,发表论文3篇。

  通过该项目的实施,公司在大吨位工程机械用液力变矩器产品研发试制和样机试制质量控制等方面积累了重要经验。通过样机试制工作锻炼了研发人员的现场分析解决问题的能力和实际动手操作能力,积累了丰富的实践经验,培养了一批具有专业知识、掌握核心技术的专业人才,全面提升了公司的研发能力,对提高国产工程机械产品质量和国际竞争力具有重要意义。

  2.2“大型装载机用YB230液力变速器的关键技术研发及产业化”项目

  “大型装载机用YB230液力变速器的关键技术研发及产业化”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖二等奖,由杭州前进齿轮箱集团股份有限公司完成。

  杭齿集团公司根据市场需求,自主研发了全新一代产品YB230液力变速器,其额定输人功率230kw,挡位6前3倒,适用于大功率工程机械如装载机、叉装车、牵引车等。

  该项目通过变速器中的液力变矩器部件和机械变速机构,将柴油机的输人功率,通过改变扭矩和转速后输出,以适应整车工况需求。

  该项目带有变矩器、离合器、电控系统等,输出端位于输人端的正下方,依靠前、后法兰将动力输出。还带有2个PTO,采用电液控制进行换挡,可实现远程操作,也可升级成自动换挡。

  该项目的主要创新点如下:

  1)变速箱用整体式离合器轴齿轮该项目包括用于齿轮传动、两侧轴中心带有齿轮轴的齿轮,其两侧分别设置有圆形外壳,并在两侧圆形外壳内形成有用于安装离合器活塞的内孔;齿轮轴从内向外分别依次是位于内孔中用于安装离合器活塞的内圆轴、用于安装轴承以支撑浮动齿轮的中间圆轴和用于安装支撑轴承离合器轴齿轮支撑在箱体上的外圆轴;在齿轮轴的两侧根部开设有两条径向孔道,分别连通各自齿轮轴内用于控制油的轴向进油通道孔;另在齿轮轴内还设置有用作润滑油进油通道的横向深孔。

  该结构的应用,使变速箱具有结构简单,使用方便可靠,不需要使用工艺结合方法的简化结构,实现轴齿轮、离合器壳体的全部功能;同时离合器壳体又不需要加工内花键等特点。

  2)多挡位液力变速器的油路系统新型油路系统,将油泵、操纵网、精滤器布置在变速器后部,并通过在变速器后部布置液压过渡板、在过渡板上集成各种油道的方式实现进出油路、控制油路等多挡位液力变速器液压控制系统需要的各项功能。

  该油路系统结构合理,使用方便、可靠,降低了制造成本,大大改善了变速箱油路的可维修性等特点。

  3)装载机变速箱用液压过渡板一种装载机变速箱用液压过渡板,它的底面安装在变速箱箱体平面上,顶部设置有操纵阀安装面和滤油器座安装面,四周布置有螺栓安装孔;集成了主油压进油道、变矩器油进油道6路控制压力油油道、泄油油道。

  该液压过渡板结构紧凑,高效集成了操纵阀、滤油器及相关油道,为操纵阀、滤油器布置在变速箱背部提供了必须的解决方案,提高了变速箱的易维修性。

  4)中凹支撑式过渡罩

  中凹支撑式过渡罩,前端设置有符合SAE标准的连接止口,与柴油机飞轮壳相连接;后端设置有符合SAE标准的连接止口,与液力变速器中的罩壳连接;中部凹进设置轴承支撑孔,为液力变速器娈矩器前端轴承提供支撑。

  过渡罩配合液力变速器输入法兰及过渡轴、弹性板,为柴油机和液力变速器的连接提供了一种新的解决方式,该连接方式的优点在于既保留了液力变速器输入端轴承支撑,提高了支撑可靠性,又实现了车辆总体布置时,柴油机和液力变速器的中短距离布置。

  该项目产品主要用于大吨位装载机和牵引车等,采用了变矩器和多挡位动力变速箱一体化设计,并设计了整体式离合器轴齿轮,简化了结构,提高了刚性;操纵阀和精滤器集成在变速箱后部,提高可靠性和维修性。产品具有承载力大、结构紧凑、性能稳定、运行可靠等特点,己获发明专利2项,相关技术处于国际先进水平。

3气动产品向新型产业领域拓展

  本年度,气动行业技术进步奖共评选出优秀获奖项目4项,其中:二等奖1个,三等奖3项。

  3.1“陶瓷渗透汽化膜的关键技术联合研发”项目

  “陶瓷渗透汽化膜的关键技术联合研发”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖二等奖,由宁波信远工业集团有限公司和宁波信远膜工业股份有限公司共同完成。

渗透汽化膜分离技术是近几十年发展起来的新技术,与传统的蒸馏等分离技术相比,在分离有机溶剂提纯应用中表现出低能耗、排污少、不引入第三组分的突出特点。

  在渗透汽化膜脱水中,混合溶剂的温度一压力控制系统通过气动调节阀来实现,混合溶剂的温度是通过加热蒸汽的流量来控制,该过程控制中混合溶剂的温度和气动调节阀的开度是串级控制关系,利用PLC程序中的PID积分微分的调节使得温度和气动调节阀的开度经过正弦曲线的波动拟合直至气动调节阀开度稳定,加热蒸汽的流量保持稳定从而泥合溶剂的温度也保持稳定。该过程中气动调节闷的动作是由PLC系统的PID参数设置来实现的,混合溶剂压力的控制也是利用气动调节阀来实现。

  该项目的主要技术内容如下:

  (1)膜性能评价研究:通过建立一套间歇式的测试装置,进行常见溶剂适用性及工业化应用测试,推算出不同溶剂、不同脱水量所需要的膜面积计算公式,及温度、真空度的影响;

  (2)开发高性能低成本非对称结构陶瓷支撑管,避免陶瓷支撑管的脆化现象;

  (3)通过改性开发新膜层材料,提高通量、分离纯度、耐酸碱性;

  (4)改进制膜工艺,以陶瓷管作为支撑体,以Al2O3/ZrO3等为载体将改性后的杂化氧化硅材料涂覆在载体表面并沉积烧结形成孔径集中分布在0.3-0.5nm的微孔致密膜;采用浸渍法将膜涂覆在载体管外层,改进内壁涂膜的不足;

  (5)膜器密封结构创新,杜绝泄漏导致的脱水不尽效率下降;

  (6)设计和制造串联结构、并联结构的含不同膜面积系列工业化膜组件,提升堆填密度,大幅度降低设备空间和初期投资;

  (7)膜脱水装置方面根据市场需求,优化工艺流程及结构设计,设计不同类型的装置,如连续式、耦合式、自动化控制等。

  该项目获得国内授权专利8项,包括发明专利3项,实用新型5项。

  信远集团成功地将该技术工艺改进并已产业化,实现了膜、膜器、膜装置系列产品的开发设计,同时根据市场需求及实际应用问题采取相应的对策及研发,突破了很多技术瓶颈,形成了自主知识产权。

  3.2“总线控制阀岛”项目

  “总线控制阀岛”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖三等奖,由宁波素诺工业自控设备有限公司和浙江大学共同完成。

  总线控制阀岛和微型电磁网属于新一代气电一体化控制元件,已从最初的带多针接口的阀岛发展为带现场总线的阀岛,其大量在工业自动化生产领域广泛使用。现场总线阀岛是现场总线和阀岛技术的两者集成,阀岛的使用从气路上和电路上分别解决了生产现场繁杂的线路问题,使生产现场变的整洁,而且也大大地简化了复杂系统的调试,性能的检测和诊断及维护工作。

  该项目有如下创新点:

  (1)该阀岛是基于IO-Link总线的应用。IO-Link总线是一种开放式标准串行通信协议,允许从支持IO-Link的传感器和阀岛进行双向交换数据,并连接到主站。IO-Link主站可以通过各种网络,现场总线或背板总线传输此数据,使数据可通过工业信息系统(PLC,FMI等)进行即时操作或用于长期分析。IO-Link系统有许多优点,包括标准化和降低布线,增加数据可用性,远程配置和监控,简单的设备更换和高级诊断。这些功能结合在一起,降低了总体降低(原出处便如此),提高了流程效率,增强了产品的实用性。

  (2)电气一体化的气路汇流板结构。阀岛气路汇流板担负阀岛中气路分配的角色,是阀岛的重要组成元件。阀岛在应用过程中常常会碰到不同压力分区要求,而压力分区的实现必须简单和低成本。

  (3)阀岛有时还工作在低压甚至负压段,这需要汇流板提供外部先导气源的可能,这可以通过更换不同堵头的方式,实现阀岛汇流板内部先导和外部先导间的转换。

  (4)使用同一种阀体实现集成8种阀位机能:三位五通中泄、三位五通中压、三位五通中封、二位五通单电控、二位五通双电控、2个常闭二位三通、一常开一常闭二位三通和两个二位三通常通。

  (5)该产品创新地采用双线圈同一侧的放置形式,为阀岛集中布线提供了先期条件。

  该项目产品采用高低温、零泄漏的设计,己获发明专利2项,实用新型专利2项,性能达到国际先进水平,可以替代进口,起到了行业示范作用,也带动了行业的新技术发展。

4核心密封产品继续打破国外技术垄断

  本年度,密封行业技术进步奖共评选出优秀获奖项目5项,其中:一等奖1项,二等奖1个,三等奖了项。

  4.1“高性能机械密封新材料及装置的关键技术与应用”项目

  “高性能机械密封新材料及装置的关键技术与应用”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖一等奖,由宁波伏尔肯科技股份有限公司、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、清华大学和北京捷杰西石油设备有限公司组成产学研用联合创新团队共同完成。

  进人21世纪以来,我国对海洋的开发提高到了国家战略层次上来,建设了多个海洋经济示范区,大力发展海洋经济、科学开发海洋资源、培育海洋优势产业、打造蓝色经济区。在加快对海洋开发的同时,我国在高端海洋工程装备的需求增长十分迅猛,然而,由于我国在某些关键核心技术,特别是机械密封核心部件上存在短板,造成我国在很多海洋工程装备上需要高价进口国外设备,严重限制了我国的海洋经济发展,使得我国在海洋开发上受制于人。

  自2015年开始,该项目依托科技部国家国际科技合作专项开展了CVD超细纳米晶金刚石薄膜合成技术的研究,同时探索超细纳米晶金刚石材料在工业领域的应用。2016年,项目依托宁波市产业技术创新重大专项开展了超细纳米晶金刚石与碳化硅陶瓷材料在机械密封领域的应用研究。2017年,项目依托国家海洋局“十三五”创新发展示范项目开展了机械密封产业链创新研发,从关键装备研制、工艺路线研究、材料加工技术、机械密封装置设计、钻井平台应用和数据获取以及相关理论建立等方面开展了全链条式的研究。

  该项目具有以下创新点:

  1)碳纳米管碳化硅陶瓷增强增韧技术针对国产碳化硅陶瓷材料韧性和致密度不足的难题,发明了碳纳米管增强增韧陶瓷、高活性超细原料制备碳化硼烧结助剂等技术,研发出变温变压等烧结工艺,显著提高碳化硅等陶瓷材料的综合性能。

  (1)提升碳化硅陶瓷致密度和韧性的原料与烧结助剂设计技术。摈弃传统热压烧结工艺,选用高活性超细α-SiC为原料,并在原料体系中加人新型环保粘结剂和烧结助剂,使得颗粒表面存在更多的SiO2成分,热压烧结时热解产生的高活性碳与之反应,生成针状β-SiC晶须,提高材料的韧性和弯曲强度。

  (2)碳纳米管增强增韧技术。发明了碳纳米管增湿增韧陶瓷技术,通过原材料配比研究和分散剂甄选并综合超声分散工艺和球磨工艺,实现了碳纳米管在高含量条件下的均匀分散,并保证了烧结后碳纳米管位于碳化硅晶粒界面之问或者与晶粒界面结合,显著增强了陶瓷材料的强度和韧性。

  (3)提高致密度与增强韧性的变温变压烧结技术。采用变温变压烧结工艺,先快速升温到中温阶段,保温一段时间后卸去压力,促进针状β-SiC长晶粒生成;而后急速升温,缓慢线性增加压力,促进颗粒逐渐自适应滑移重排和抑制晶粒长大;当温度继续升高到烧结温度时,压力加到最大,促使坯体最终致密。

  2)超细纳米晶金刚石晶粒调控技术和碳化硅/金刚石配副

  针对碳化硅/碳化硅机械密封配副在干磨时摩擦系数高带来的能耗上升和服役性能下降的问题,创新性地提出了采用金刚石/碳化硅进行配副的方案,在碳化硅动环表面上沉积6~8μm厚的超细纳米晶金刚石薄膜,显著降低密封副之间的摩擦力,提高了服役性能。

  (1)超细纳米晶金刚石晶粒调控技术。通过自主创新开发了大功率直流辉光等离子体CVD沉积系统,稳定提高直流功率达75kW,通过在800℃附近调控甲烷和氮气比例,抑制金刚石晶粒生长,降低超细晶纳米金刚石的晶粒尺寸到5~10μm。

  (2)超细纳米晶金刚石表面精密研磨拋光技术。在获得的超细纳米晶金刚石/碳化硅密封环的加工中,采用多点内外同时夹持的方式降低环体形变,利用金刚石研磨盘进行旋转研磨,通过控制转速、垂直距离和加载力,掌握了超细纳米晶金刚石精密研磨抛光工艺,满足密封环垂直度、平行度、表面粗糙度、平面度等技术指标的超高加工精度要求。

  (3)低磨损高性能碳化硅/金刚石配副。深海钻井平台用机械密封对材料提出了摩擦系数低,PV值高的需求。通过对碳化硅/金刚石动环与碳化硅静环和碳化硅/金刚石静环与碳化硅动环的配副对比,确定了在动环上沉积超细纳米品金刚石的配副方案,获得了PV值为42.31MPa•m/s的机械密封装置。

  3)石油钻井用高性能机械密封冲管总成针对深海石油钻探和深地多厚岩层石油钻探中面对的高压、振动冲击、轴向颤震的恶劣工况,创新地开发了采用碳化硅/金刚石与碳化硅配副、高强度不锈钢套环、平衡式浮动结构设计的机械密封冲管总成,具有安装方便、便于维护、寿命更长、耐高压的特点,在中石油、中海油、中石化等海洋和陆地钻井平台上得到了广泛的应用,有效地替代了国外进口产品。

  (1)密封环与不锈钢套环的嵌套技术。陶瓷密封环需要紧密嵌套在高强不锈钢环体中以应对机械密封内部高压冲击。为了满足嵌套强度,该项目利用陶瓷材料与不锈钢材料的热膨账系数差异,在较高温度下将陶瓷密封环嵌套入不锈钢环后,在经过缓慢降温调控密封环接触面力变形和热变形引起的平面度变化,获得结构强度强,密封端面变形度小于0.5wm的密封副。

  (2)防高压冲击安全设计。在高压工作条件下,为防止密封失效可能带来的高压液体喷射事故,在密封装置内部设计液体防护层,对机械密封装置内部的流道结构进行优化,实现对高压液体的防护。

  (3)平街式浮动结构。冲管采用专利技术的机械街封平街式浮动结构设计,浮动总成通过螺栓固定地安裝在上螺母下,用于补偿主轴旋转时的主轴的轴向跳动和径向摆动,确保上下密封环的贴合。上法兰和下法兰之间配有压缩弹镇和带螺纹的弹簧导杆,通过弹簧导杆下端的螺母,可以升高或降低浮动法兰相对于上支撑法兰之间的位置,来快捷地更换密封环。

  该项目共授权发明专利6项,其中5项为中国专利,1项美国专利,授权实用新型专利1项。

  该项目首次研制出我国金刚石/碳化硅材料为配副的机械密封系统,满足了石油钻井行业对高性能基础装备和关键零部件的重大需求。承载项目研究成果的高性能机械密封冲管在多个海洋平台和陆地钻井现场得到了示范应用,并进人了中石油、中石化、中海油的采购目录,彻底打破了欧美石油设备企业在高性能钻井机械密封冲管系统领域的技术垄断,产生了良好的经济效益。

  4.2“先进机械密封结构设计、性能测试关键技术及工程应用”项目

  “先进机械密封结构设计、性能测试关键技术及工程应用”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖二等奖,由江苏华青流体科技有限公司和南京林业大学共同完成。

  能源和环境安全是人类生存与发展的重要基础,也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。作为过程工业装备防止泄漏的重要功能基础件,机械密封对节能减排和环境保护意义巨大。该项目围绕旋转机械的转轴密封,以研发先进密封结构和关键测试技术为突破口,遵循“理论→设计→试验→优化→工程应用”的研究思路,开展系统深人的研究,设计了自泵送、新型上游泵送和自紧型剖分式机械密封新型结构,攻克了密封端面温度和端面摩擦扭矩准确测量、磨损量在线测量等关键技术难题该项目的主要技术创新如下:

  1)先进机械密封结构设计发明了自泵送流体动压型机械密封技术和端面型槽独特结构,开发了具有自润滑、自冷却和自清洁功能的高端系列产品,突破了干气密封和上游泵送密封依拿辅助阻塞流体系统工作的技术瓶颈;设计了可实现零泄漏和零磨损的螺旋槽/圆弧槽组合型上游泵送密封结构;发明了自紧型剖分式机械密封结构,实现了大尺寸高压工况密封的便捷安装和低泄漏运行。

  2)密封性能关键测试技术提出了机械密封端面摩擦扭矩和轴向力测量方法;发明了拟合静环轴向孔深梯度下热电偶测量值的端面摩擦温度测量方法;开发了基于B超三线黑白位网技术的机械密封端面磨损量在线测量方法。

  该项目获授权中国发明专利13项、美国专利1项;获软件著作权了项,发表SCI、EI等论文32篇,培养硕士生22名,博士生8名,取得了良好的经济和社会效益。

  该项目提出了新型流体动压密封理论,有效提升了我国密封技术的国际地位;具有自冷却、零泄漏和自清洁能力的新型自泵送流体动压机械密封的成功研制与应用,摒弃了辅助的阻塞流体供应系统,大大降低了装置建设和运行成本;优异的密封性能,大大节省原材料、减低环境污染,有效保障了生产人员和居民的身心健康;该项目产品的推广应用,有利于提升了相关旋转设备的密封水平和可靠性。

  4.3“低逸散阀杆组合填料”项目

  “低逸散阀杆组合填料”项目荣获本年度中国液压液力气动密封行业技术进步奖三等奖,由浙江国泰萧星密封材料股份有限公司完成。

  该项目以采用低硫抗氧化柔性石墨带外编耐高温合金丝的端环为刮垢环,以若干带一定仰角仿碟簧形状设计的高纯柔性石墨环为中间环,经组合而成。产品用于高温高压阀门的阀杆密封,具有密封性好、压缩回弹性能高、耐高低温性能优异等特点,在材料选择和结构设计上有创新,密封性能达到国际同类产品先进水平。

  该项目的技术创新点如下:

  (1)该项目产品上下端刮垢环采用低硫抗氧化的柔性石墨带经同轴编织机外套茵苛镍丝,形成晶格式茵苛镍丝编织网格的股线,采用棱形穿插叠编工艺技术制得不添加任何增强纤维和复合用粘胶的石墨编织盘根,最后压制成该项目产品的上下端刮垢环。该上下端刮垢环具有热失重670°/h≤3%、硫含量≤5001g/g等优异的关键特性,保证了刮垢环的石墨纯度和在高温下的抗氧化性能。制备刮垢环的每根石墨股线的晶格式茵苛镍丝编织网格保护层结构,有效防止介质对刮垢环的冲刷破坏和及时刮垢阀杆表面粘上去的污垢,具有保护中间纯石墨环和阀杆的作用。

  (2)该项目产品中间若干柔性石墨填料环仰角采用仿弹性蝶簧形式,中间纯柔性石墨环的上下端内外表面设有的锥面和相邻中间环的上下端面之间设有的台阶,在低螺栓扭矩预紧下有选择性地压缩和控制填料的径向流动,使填料组间的压力传递效力成倍的增大,阀杆往复阻力大幅下降,就能达到阀杆同密封填料交接面的充分嵌合,同时借助蝶簧形态的S形拧变,给其形变储能有足够的变化空间,在介质压力作用下具有自锁密封的功能,其回弹率≥35%,能在高温、低温高真空、冲击振动等循环交变的各种苛刻条件下,保持其优良的密封可靠性能。

  (3)该项目产品通过材料和结构创新,按欧盟TA-LUFT即“清洁的空气”的试验标准要求,在500°高温下共计1000次往复试验,完全符合欧盟TA-LUFT即“清洁的空气”的低逸散控制要求。项目产品通过不同材料的组合结构型式的创新设计,具有良好压缩、回弹性、优异耐温和密封性能,可消除压力,温度变化和机械振动的影响,能在高温、低温、高真空、冲击振动等循环交变的各种苛刻条件下,保持其优良的密封可靠性能。

  该项目已获授权发明专利1项,实用新型专利3项。凭借优异的密封性能以及相对较高的性价比,产品推向市场后得到了用户的广泛认可,销量不断增长。产品广泛应用于石油、化工、船舶、治金、电力等行业各种高温高压阀门的阀杆密封,市场潜力巨大,具有较强的市场竞争力。低逸散阀杆组合填料己实现产业化生产,取得了显著的经济和社会效益。

5结语

  科技兴则国家兴,创新强则民族强。在党中央坚强领导下,我国科技实力正在从量的积累迈向质的飞跃、从点的突破迈向系统能力提升,科技创新取得新的历史性成就。今年是我国发展史上具有里程碑意义的一年,中国液压液力气动密封行业企业将更加紧密地团结在以习近平同志为核心的觉中央周围,以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,贯彻好新发展理念,瞄准制约我国产业升级的关键核心技术瓶颈开展攻关,加速科技成果转化,增强经济发展新的支撑力和新动能。我们相信,行业的广大科技工作者将继续肩负起时代赋子的重任,努力实现高水平科技自立自强,为实现中华民族伟大复兴的中国梦而不懈奋斗!


参考文献

[1]中国液压气动密封件工业协会专家委员会.2019年度中国液压液力气动密封件行业进步奖综述[J].液压气动与密封,2019(S1):126-137.

[2]中国液压气动密封件工业协会专家委员会.2017年度中国液压液力气动密封件行业进步奖综述[J].液压气动与密封,2017(S1):116-124.

[3]中国液压气动密封件工业协会专家委员会.2016年度中国液压液力气动密封件行业进步奖综述[J].液压气动与密封,2016(S1):66-74.

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