液压气动与密封:张海平博士谈中国液压工业技术与液压强国相比的差距与优势

行业动态     |     2020-05-20
摘要:如何振兴中国液压工业,我国的液压技术与液压强国相比差距在哪?优势又在哪呢?带着这些思考,我们编辑采访了长期在德国和中国液压工业领域工作的液压技术专家张海平博士。

  近年来,随着我国工程机械、冶金设备、矿山机械和农林机械等主机行业的高速发展,液压元件的市场规模正在逐渐扩大,中国液压工业从规模和数量方面已跻身大国行列;但同时必须看到,高端产品一直被国外公司所垄断,造成主机行业在重要基础部件方面受制于人,这成了中国液压工业领域的锥心之痛。如何振兴中国液压工业,我国的液压技术与液压强国相比差距在哪?优势又在哪呢?带着这些思考,我们编辑采访了长期在德国和中国液压工业领域工作的液压技术专家张海平博士。
 
  问:您可以介绍一下您在德国的工作经历吗?
 
  我是1988年在上海交通大学获得博士学位的,当时算是国内流体传动与控制专业第一届博士研究生,随后从1988年8月至1990年3月在德国亚琛工业大学液压气动研究所做博士后,师从巴克教授(Prof. W.Backé)。我是属于那个被特殊时代耽误了的一代,在上海郊区的农场里一呆十年,很迟才开始专业学习。虽然后来做了液压课教师,但因为硕士和博士课题都是搞仿真,所以当时除了仿真外,对液压技术所知甚少。到了亚琛工大液压气动研究所后,就是试探着改进他们已有的数字仿真软件包DSH。巴克教授最初也放手让我自己去搞,只是过了一段时间以后,才对我指出,也要研究一些实际问题。到了我的博士后后期,巴克教授就问我,结束以后,去向怎样?我告诉他,回去后肯定是到大学教书。他就对我说,在亚琛工大,工程专业的毕业生,不管是硕士、博士还是博士后,结束后都是不能直接留校的,必须到产业界去工作,至少干五年,才能再到大学来申请教授职位。他说,他已到过中国几次,虽然不懂中文,但中国的大学液压教科书还是能看懂一二的。他说,理论不少,但离实际远了些,中国大学液压的教学与产业界距离大了些。因此,他建议我,利用这次机会,博士后结束后,到德国工厂去实践一下。当时正好蔡勒公司到亚琛来找液压专业的人,他就建议我去,说,中型工厂较好,可以接触到企业的方方面面,如果到大型公司去,几千个工程师,你只能接触到其中很小一部分业务。这样,我就到了蔡勒公司研发部去实习。蔡勒公司(Zoeller-Kipper)麻雀虽小,五脏俱全,在法英奥捷克波兰等欧洲各国有分厂和子公司,建厂五十多年,专业制造废物集运车的上装-压缩机和提升机。我去了之后,就参与了其液压系统的改进和研发。从此,就完全地投入到实际液压工程中去了,关注那些我原先在做大学教师时觉得没有水平、毫不关心但对实际液压系统的性能和可靠性却不可忽视的技术问题。实习期满后,我就留在了蔡勒公司的研发部门,主管液压与电控系统研发,同时作为整个公司集团的液压负责人,为各个部门和子公司提供咨询和培训,负责解决他们自己解决不了的液压方面的问题,直到退休,现在还经常往返于中德两国之间。我铭记巴克教授对我的教诲:“要注重实际,到实际中去”,这教诲改变了我的专业学习的轨迹,让我终身受益,对此我一直怀着深深的谢意。
 
  问:国外在研发一个新产品时,它的步骤是怎样的?
 
  预先要强调两点,第一,这个问题太大,我只知道几个德国企业的情况。
 
  第二,我所了解的几个德国液压企业,大量的技术力量放在改进现有的产品即老产品上:根据实际应用中出现的问题,或者市场和顾客新的需要,改进现有产品。即使是搞新产品,也多是从改进、仿造开始的:改进自己的,或者仿造别人的,如果不侵权的话。他们不轻易搞全新的产品,因为周期长,风险大。
 
  我也参与过一些,完全脱开现有的解决方案,从头开始研发,寻找全新原理全新结构产品的项目。
 
  基本步骤,大致如下,其实国内也知道:
 
  − 广泛收集市场信息和顾客需要;
 
  − 设法了解竞争对手产品的水平和特点;
 
  − 详细分析现有产品的问题;
 
  − 确定新产品应该达到的性能水平和成本上限——比对手的性能好一些,价格低一些;
 
  − 仔细分析梳理,设想一切可能的解决方案;这时,也几乎只有在这时,才是发明创新能力大显身手的时候。这时,也是考验容忍“异想天开”“异端邪说”承受力的时候。这时,只准出主意,可以天马行空,不准说“不”。
 
  − 然后再开始详细比较各个方案的可行性、长处和短处,从技术角度和经济角度;
 
  − 确定方案,开始设计。这时也使用一些现代的手段,如有限元强度分析、流场分析(CFD)、动特性数字仿真等,但只是很少一部分,并以大量测试为基础,围绕实际目标,而非为发表论文。
 
  − 制造样机;
 
  − 作安全性评估;
 
  − 实验室条件下的测试:空载,满载,超载;
 
  − 改进;
 
  − 实地试验,各种气候条件下的测试;
 
  − 再改进;
 
  − 小批量试产;
 
  − 送到各地区各国给顾客试用,同时在自己这里开始高频率高强度寿命试验;
 
  − 再改进;
 
  − 批量生产,投放市场;
 
  − 一两年后,根据实际应用情况,再进行一次全面改进。像这样进行,时间长,投入也大,还有相当的风险。我参与过的两个这种从头开始的研发项目:一个,经过两年的研发试制和两三年的改进后,返修率投诉率降低到几乎为零,很受顾客欢迎,也给公司带来相当利润,成为公司的金毛羊;另一个,虽然经过几年改进,性能达到了市场的要求,但制造成本超过计划,基本上属于失败,已开始研发替代产品。
 
  我听过德国数学教授、IBM公司高级经理G.Dueck先生的报告。他提到,据统计,平均下来,每10个正确的主意(专利)中,只有一个能成为成功的产品。所以,要研发新产品,先要把可能的风险考虑进去。
 
  问:您的阅历决定了您有很广阔的视野,那么您觉得我国的液压工业与德国相比,差距主要表现在哪?
 
  我确实是在德国生活工作了20多年,但仅此而已。我不认为自己有很广阔的视野。
 
  液压工业需要其他工业部门的支撑。我个人感觉,我们在材料、铸造工艺、锻压工艺、热处理、精密加工、测量仪器、密封、工作介质、电子元器件、伺服放大器与电子控制器、阀用电磁铁、配套液压件等多方面都有很大的差距。不过,这些可以走逐步国产化的途径,有些材料或元件先从国外进口然后消化吸收再创新。
 
  关于我国液压工业的落后,液气密协会的特聘顾问王长江先生曾很精辟地归纳为
 
  20世纪80年代产品落后、生产手段落后;
 
  20世纪90年代体制落后、管理落后;
 
  21世纪00年代理念落后、市场能力落后。
 
  这才是真正有丰富阅历广阔视野的人能总结出来的,我不行。我完全接受他的看法。
 
  从我本人十分有限的经历出发,我只能补充两点。
 
  第一,员工对工作的认真态度。在我所了解的德国企业中,领导对员工的工作条件和福利都是自愿地或被迫地比较重视的,而员工也以做出好产品为乐为自豪,不敷衍混日子。他们工作时,大多不紧张,但认认真真,兢兢业业。一丝不苟,简直到了死板的地步。比方说,我所在公司的进货检验员,对采购来的电磁阀连接电线的长度都要测量,比图纸尺寸长哪怕几个毫米都不轻易放行,一定要我签单特批。机械制造不同于艺术创作,完美的质量就需要这种近乎死板的态度。
 
  他们不迷信理论,凡事都想要自己来验证一下。比方说,气蚀是液压元件中普遍存在的。多年来,我一直以能讲出一些道理,写出一些公式为满足。但在SUN德国子公司的实验室里,我才第一次亲眼看到了气蚀——从溢流阀的出口喷射出的米粒大小的蓝色火焰。
 
  第二,很可惜,我们一些大学的液压教材和实验设备也相当落后(参见本人在贵刊2009年第6期发表的拙文),这也是我国液压工业与德国相比的一个大差距。因为任何事情都是要靠人来做的。如果我们的大学培养出来的学生知识陈旧、不了解实际、研究素养差,我们的工业界靠谁来做出好产品呢?
 
  我们舍得每年花几十亿进口国外的液压产品,花几个亿进口生产设备。我不知道,我们肯花多少钱在提高我们员工的敬业精神和研究素养上?肯花多少力量来编写或翻译一些真正跟上时代的液压教材呢?
 
  说得微观一点,我们的企业要想缩小这些差距,主要要做哪些工作?
 
  我认为,企业如果只测绘仿造,不测试研发,那就永远落后。要想缩小差距,就得踏踏实实,锲而不舍,不断改进。这个改进不但包括提高性能、稳定质量、延长寿命,而且包括增加变型,以适应更多的应用领域。改进也属于研发,是研发不可缺少的一环,比设计新产品更重要。
 
  拿力士乐几乎任何一个产品的说明书来,只要看看它的修改日期与替代日期,以及改进代号,就可以知道,他们是如何不断改进的。好的液压产品都是千锤百炼改进出来的!
 
  把实际使用中遇到的问题、顾客提出的意见,当作改进的契机,而不是忽悠。这些,我所了解的德国的企业都是比较认真去做的。国内许多企业家也都明白并也努力认真去做。据说,国内已有企业,车间的干净程度达到了“馒头掉在地上,可以捡起来就吃”。但我也参观过国内一个企业的液压装配车间:人,必须通过前后隔离的更衣室,戴帽子穿隔离服套鞋套,但旁边有一个很大的门,一直敞开着,运输工件的铲车,轮子上沾满切屑,呼啸着进进出出。
 
  认真,是一种品德。忽悠别人的人,最终忽悠了他自己。
 
  问:从您的角度看,中国的液压企业有些什么样的优势?或者说有哪些长处是需要我们发扬光大的?
 
  与欧美企业来比,我觉得,中国的液压企业有两个优势。
框架式内高压成形液压机
 
  第一,还是人力成本方面的。在欧美,流体技术企业收入的大部分必须用来支付员工的工资福利。我知道,有些世界级的流体技术企业,尽管产品价格很高,但也没有利润,当然也就不缴所得税。他们的员工,不但工资福利好,而且工作时间也比中国的短得多。另外一方面,要看到,他们员工的技术素质和工作认真程度也要高些。而这一点,正是决定生产率和产品质量不可或缺的一个因素。因此,我觉得,我们中国企业不能长期滥用中国人力成本低这一点,也要关心员工的待遇,让他们也能分享企业发展的甜头,真正安心认真地工作。时代在变,中国的企业领导不能再拿自己当年当学徒工的待遇要求现在的员工。在这方面,一场竞赛已经悄悄地开始了。谁在改善员工待遇方面走在前面,谁就能获得员工的心,留住和获得有经验高素质的员工。以人为本,也是真理啊。谁用它来忽悠他的员工,最终会被他的员工忽悠——不能用手投票时,就会用脚投票。
 
  第二,地理(地利)优势。中国已经是或将要是世界最大的液压产品市场。中国的液压企业贴近市场,贴近用户,这也是一个大优势,我们要利用好:多跑用户,多做现场测试,根据实际使用情况,及时认真地改进。可不要小看了这个优势。只要设想一下,你的液压产品出口到国外去,会碰到多少障碍,就能理解了。一些国外公司固然有先发优势,但他们离中国顾客有一段距离,这也会带来问题。前几天,碰到一位世界级公司中国子公司的员工,他感叹道,为了说服各个相关部门,对出口到中国的产品做出一些改进,在母公司待了整整两个星期,好累啊,至于这些改动愿望什么时候能实现?不知道!
 
  问:在液压、气动领域,您觉得是否有这样一些新的产品、新的应用,它是国外刚刚起步,如果国内的企业现在介入,至少可以不输在起跑线上的?
 
  是有一些这样的新产品,但抱歉,本人所知十分有限,我没有特别关心过这个问题。我觉得,液压产业相对电子信息、生物技术等而言,是比较成熟的产业,新产品的出现远没有那么多和频繁。因此,当今液压产业的竞争,已不是百米跑,而是马拉松跑。起跑早点迟点,并不重要。关键是谁能持续改进,坚持到最后。贵刊2010年第5期刊登的CY泵领军人徐绳武高工的体会——十年不改进,落后二十年——真是切中时弊,真理啊!
 
  举个例,我所在的蔡勒公司在1997年开发废物压缩机时,由于还没有经验,就先学别家的样,使用了一个世界级公司的液压阀。但我一直在琢磨,思索压缩机的工作原理和性能要求。到2004年,机会终于来了,我提出了新的回路,采用了其他公司的阀。经过一年的试验改进,在2005年开始在系列产品上应用了,不再使用那个世界级公司的产品了。他们派了四个销售和技术人员及部门领导来谈判,蔡勒公司的领导很简短地回答他们,对不起,你们来得太迟了,我们的新液压系统性能更优良价格更便宜,不可能再用你们的产品了。起跑晚了至少7年,但最后还是赶上了。
 
  再举一个例。我认识的博士工程师J先生,在亚琛工大液压气动研究所攻读博士时就在研究柱塞泵,1992年取得博士学位后,先是留在所里当主任工程师直到1996年,之后去了力士乐公司在乌尔姆的泵厂Brueninghaus Hydromatik,在那里当到了总工程师。在他攻读博士时,所里提出了一个专利——在柱塞泵的低压腔到高压腔的过渡区设立一个中压的缓冲腔,以改善泵的性能。2005年聚会时,他说,现在我可以高兴地向诸位报告了,这个想法终于在系列产品上应用了。花了近十年的时间,来改进一个泵,这是马拉松还是百米赛跑?
 
  搞新产品,投入大,风险大,即使技术上无懈可击的产品,能否变成商品,还有个市场接受和成本可接受的问题。因此我觉得,还不如认认真真地把现有的产品做精做好。现在,中国液压器件国内市场上,进口件约占三分之一,上百亿元(液气密行业协会);国际市场上,中国大陆的流体技术产品仅占3.2%,台湾1.0%(2007年,德国VDMA)。如果中国企业能把自己的产品做好,在若干年内,把进口份额降低一些,出口份额增加一些,那就是一个了不起的成就了。我不反对搞新产品,只是认为,不一定要追求新产品。现有的产品搞不好,
 
  凭什么就能搞好新产品呢?
 
  问:您认为,作为一个技术人员,应该怎样快速提高自己的技术水平?
 
  就我个人感觉,国内大学机械专业毕业生的动手能力,对实际的了解,比德国的机械专业毕业生,从整体上来说,是差一些。所以,我对进入液压行业的国内大学毕业生的建议是,
 
  (1) 多下车间,多到现场,多做测试,注重解决实际问题,少搞自欺欺人的东西。
 
  (2) 多学习,多思考,不要迷信。国际标准都会有错(见拙文“测试是液压的灵魂”,贵刊2010年第六期),更何况其他什么标准、手册、教材?最近,在一个偶然的机会看到一份对现有的某种液压阀试验方法行业标准的修订草案。其中错误甚多,有些错是因为抄1998年的老版本时沿袭下来的。这说明修改者不愿或不能花力量在上面,没有仔细审视。如果最终稿不能把这些错误改掉,那这些谬误又要继续流传5年到10年了。
 
  但是,我们绝不应该,因为某个资料可能有错就丢开,而是要带着审视的眼光去学。通过思考,加深理解。发现可能的错误,也是一个提高。
 
  (3) 可能的话,多去参加一些与工作有关的短期进修、技术讲座和讨论会。
 
  巴克教授在他的“流体技术的过去和将来”(您编译的,本刊2010年第5期)中提到,盖板式二通插装阀在大流量领域显著地降低了系统的造价,那么螺纹插装
 
  阀是否可以在小流量领域发挥巨大的作用呢?
 
  其实,螺纹插装阀不仅可以,而且已经在小流量领域发挥了巨大的作用。
 
  (1) 与其他组装形式的阀相比,插装阀可以说是一种不穿外套的阀,单独无法工作,只有装在阀块或集成块里才能工作。但正是由于这一点,它特别适合与其他插装阀合穿一件衣服——集成块,特别紧凑。由于减少了连接管道,降低了压力损失,减少了可能泄漏的部位,提高了工作可靠性,这样就降低了造价和运营费用。
 
  (2) 三维设计软件和数控机床的普及突破了集成块设计制造技术的瓶颈,缩短了交货期,降低了造价。集成块供货商,从接到系统回路图开始,包揽了集成块的设计、制造、组装、调试的全部过程——交钥匙,这样就大大减少了主机厂的设计费用。因此,使用插装阀集成块的组装方式已成为液压系统设计师的首选。管式阀、板式阀和叠加阀的应用受到了很大的排挤,特别是管式阀和叠加阀。
 
  (3) 螺纹插装阀更多的是用在行走机械中,而行走液压在整个液压行业中所占的比重越来越大。根据2009年的统计报告,在欧洲,行走液压已占到液压总产值的三分之二,在全世界,更占到四分之三。螺纹插装阀的应用也随之大大增加。
 
  (4) 伊顿公司在它的2003年的产品样本中就提到,插装阀集成块业务的增长速度是其他液压产业的2至3倍。据美国Sun Hydraulics公司的报告,目前全球液压阀市场约35亿美元,而螺纹插装阀及其集成块已经达到13亿美元。据说,专业制造螺纹插装阀及其集成块的美国HydraForce公司的产值在最近五、六年中增加了1.5倍,从9千万美元增加到2.4亿美元。
 
  (5) 由于螺纹插装阀的发展形势看好,各液压巨头在近几年纷纷并购螺纹插装阀生产厂,例如Bucher Hydraulics集团并购了瑞士的Furtigen公司,Parker集团并购了英国的Sterling Hydraulics公司,EATON集团并购了英国的Integrated Hydraulics公司,Bosch-Rexroth集团并购了意大利的Oil-Control公司,Sauer-Danfoss集团并购了意大利的Comatrol公司,等等。现在,世界级的螺纹插装阀专业生产厂,除了HydraForce和SunHydraulics以外,已经全都被并购了。
 
  问:我拜读了您的“测试是液压的灵魂”,感受很深,我国的企业普遍对测试缺乏重视,当然也可能是缺少条件。希望您以后能多介绍一些液压试验台的建立方法、测试的方法、测试结果的分析等。
 
  关于液压试验台的建立,我想说的是:针对目的,少搞花俏。祖训“外行看热闹,内行看门道”。亚琛工大流体技术研究所的那些试验台,粗看上去,拼拼凑凑,乱七八糟,很不亮丽。但正是在这里,进行着世界最前沿的研究,超前当前应用至少5年到10年。
 
  测试方法嘛,不要迷信标准,只要能测出差异就可。我目前正在编著一本《液压螺纹插装阀》(机械工业出版社,计划2011年上半年出版),我计划在该书中,试着对各类阀的稳态性能和动态性能的测试回路和测试过程梳理一下,希望能给读者一些帮助。
 
  测试结果的分析,特别是测试曲线的分析,这可是大有学问的事,我也还在不断的学习之中。有些曲线我能看懂七八分,有些只能三四分。不过我觉得,这比玩脱离实际的理论公式来得有趣,要实在,更能解决实际问题,见到实际效益。
 
  话说回来,我个人的力量是十分有限的,而国内也还是人才济济的。巴克教授所提,“工程专业的毕业生,必须先到产业界去,至少干五年,才能回来申请教授职位”,在中国目前做起来可能还有困难。但许多大学液压教师,积极参与实际科研或工程项目,做出了成果,获得了实际经验,从而丰富了他们的教学内容,提高了教学质量,这也是符合中国当前国情,方向正确,大有希望的路。我是很钦佩和尊重他们的。他们肯定能带出许多优秀的学生,推动中国液压工业发展。
 
  问:您对流体技术的未来是怎么看的?
 
  我觉得,机械工业液压行业是国民经济的骨干。若把机器比作人,那么,钢构件就相当机器的骨骼,液压系统就相当于机器的肌肉,电控就相当于机器的神经。这么一个模式会越来越普及,越来越协调,一时不会有大的改变。因为,液压技术赖以生存的两个基本点——比电气传动能量密度高,比机械传动灵活——是不那么容易被突破的。
 
  固定设备的液压现在开始部分地受到电气传动——伺服电机等的排挤,那是因为电能一般都可直接获得,而使用液压能,还多一次能量转换,多一次能量损失。但那仅是发生在小功率的固定设备上,在那些几千到几万吨的液压机上,再过二十年液压也不会有对手。
 
  行走设备的动力目前基本还都是来自于内燃机,因此,不管是用电驱动还是液压驱动,都需要经过一次能量转换,所以,使用电驱动在这方面并没有优势。我知道,欧洲一个废物集运车公司接到一个城市的订单,因为环保党进入市议会了,废物集运车一定要用电动的,不能用液压。费尽九牛二虎之力搞出来了,不谈研发成本和装配人工,单是采购成本,电驱动控制元件就超过了普通原理液压元件的十几倍,性能上还做了大大的牺牲。是否有前途,各方都持怀疑态度。
 
  燃料电池和常温超导体曾一度被寄予厚望,因为,燃料电池可以直接把燃料的化学能转化为电能,常温超导体材料允许大大提高电流强度,从而大大提高磁场能量密度,大大减小电磁驱动器的体积。但,好像在热了一阵子后,又冷下来了。
 
  即使有朝一日,燃料电池和常温超导体技术能够进入实用阶段,能被应用到行走设备中,液压技术在行走设备中的应用受到了有力的挑战,到那时,液压技术至少还有10年的生存期。因为任何新技术的普及,都需要一个由点到面的逐步扩大过程,像液压这么一个广泛应用的技术是不那么容易被取代的。而在此之前,液压的研发还会出现多少新成果?
 
  结束语:一些国外公司确实有先发优势,但我们更贴近市场、贴近用户,我们要学会充分利用我们的优势。液压产业是一个相对成熟的产业,它的竞争不是百米跑,而是马拉松,现在所有的困难都是暂时的,只要我们认真、务实、坚持,就一定可以在竞争中取得胜利。
 
  【兴迪源机械液压技术优势】
 
  兴迪源机械严格按照ISO国际标准质量管理体系和5S管理标准进行质量监控和内部管理。建立有 “河南省流体压力成形智能装备工程技术研究中心”,核心团队由数十名博士、硕士和各高等院校金属成形专家教授组成,专注于液压成形核心技术和产品工艺研发。
金属管材内高压成型液压机
 
  兴迪源机械与中国科学院金属研究所、南京航空航天大学等院校开展长期的产、学、研合作,并共同设立了“液压成形技术产业化示范基地”,时刻跟踪国内外领先技术,不断提升“兴迪源”液压设备品牌价值。
 

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