液壓技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)向

1、液壓控制技術(shù)的現(xiàn)狀及展望山 東 大 學(xué)報(bào)告人：劉延俊 教授1一、國(guó)內(nèi)液壓技術(shù)現(xiàn)狀 （1）整個(gè)行業(yè)現(xiàn)狀近年來(lái)，雖然液壓技術(shù)外于與其他傳動(dòng)和控制技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，但還是呈現(xiàn)比較高的發(fā)展速度。我國(guó)液壓行業(yè)已形成了門(mén)類(lèi)齊全、有一定生產(chǎn)能力和技術(shù)水平、初具規(guī)模的生產(chǎn)科研體系。目前全國(guó)約有近400 家企業(yè)，有些大學(xué)（浙大、哈工大、華南理工大）設(shè)有流體傳動(dòng)與控制專(zhuān)業(yè)，每個(gè)工科類(lèi)高校都將液壓控制技術(shù)作為必修課，還有國(guó)家級(jí)液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心以及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。我國(guó)液壓工業(yè)已可為工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、塑機(jī)、冶金、礦山、石油化工、鐵路、船舶、輕工機(jī)械等提供比較齊全的產(chǎn)品，目前，液壓元件產(chǎn)品約有1000個(gè)品種，近10

2、000個(gè)規(guī)格。液壓產(chǎn)品占GDP的比重也逐漸增加。21、農(nóng)業(yè)機(jī)械2、工程機(jī)械3、機(jī)床4、塑機(jī)5、汽車(chē)6、冶金設(shè)備7、石油化工8、其他圖1 國(guó)產(chǎn)液壓產(chǎn)品銷(xiāo)售去向3通過(guò)科技攻關(guān)和技術(shù)引進(jìn)，產(chǎn)品水平有一定提高，生產(chǎn)出一些具有世界水平的產(chǎn)品，另外，在CAD 和CAT 技術(shù)、污染控制、故障診斷、機(jī)電一體化、海水及高水基溶液的應(yīng)用、現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用等方面也取得可喜成果，不少已應(yīng)用于生產(chǎn)。我國(guó)液壓工業(yè)重視同國(guó)外企業(yè)進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)合作，近年來(lái)先后從國(guó)外引進(jìn)了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術(shù)，為提高產(chǎn)品水平和生產(chǎn)能力起到了重要作用。目前已和美國(guó)、日本、德國(guó)共同建立了某些合資企業(yè)，這些企業(yè)將推動(dòng)我國(guó)液壓工業(yè)

3、的發(fā)展。4（2）液壓產(chǎn)品構(gòu)成比分析近年來(lái)，由于主機(jī)產(chǎn)品發(fā)展的需要，產(chǎn)品品種構(gòu)成有所變化:A、柱塞泵構(gòu)成比有增長(zhǎng)趨勢(shì)，齒輪泵變化不大，而葉片泵則下降了。B、柱塞馬達(dá)構(gòu)成比有增長(zhǎng)趨勢(shì)。C、閥門(mén)、通用三類(lèi)閥門(mén)占總產(chǎn)量的比例有減少趨勢(shì)，疊加閥、插裝閥、比例閥、多路閥等所占比例將顯著增加，電磁換向閥產(chǎn)量和銷(xiāo)售額占的比重最大。D、由于重視液壓系統(tǒng)污染控制，過(guò)濾器銷(xiāo)售額有顯著增長(zhǎng)。5二、液壓控制技術(shù)的歷史回顧現(xiàn)代液壓控制技術(shù)是在古老的水壓傳動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展和完善起來(lái)的。液壓傳動(dòng)的基本原理Pascal 原理是Pascal 在17 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的。第一個(gè)將這一原理用于手工業(yè)生產(chǎn)的英國(guó)人Jeseph.Brama (

4、17491814) 研制了水壓機(jī)。19 世紀(jì)后半葉，W.G.Arm2strong 研制了以水為介質(zhì)的液壓機(jī)械和元件，主要用于船舶錨機(jī)和起重機(jī)上。由于純水存在粘度低、潤(rùn)滑性能差和易造成元件腐蝕等缺點(diǎn)，同時(shí)也由于電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，使液壓技術(shù)停滯不前。620 世紀(jì)初葉，Janny研制成功以油液為介質(zhì)的軸向柱塞機(jī)械(1905年)。Hele Shaw 和Hans Thoma 先后研制成功以油液為介質(zhì)的徑向柱塞機(jī)械(19101922)，標(biāo)志著液壓技術(shù)發(fā)展到油壓技術(shù)階段。第二次世界大戰(zhàn)期間，尤其20世紀(jì)6070年代，液壓技術(shù)得到了快速發(fā)展并日臻完善，并進(jìn)入到穩(wěn)定成熟的發(fā)展時(shí)期?？梢灶A(yù)見(jiàn)，除液壓元件大型化、

5、高壓、微型化及計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)與液壓技術(shù)融為一體外，液壓技術(shù)難以形成重大突破。7伴隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓控制元件發(fā)生了革命性的變化。最初大都采用直動(dòng)式機(jī)械機(jī)構(gòu)，直到20世紀(jì)30年代Vickers發(fā)明了先導(dǎo)式壓力控制閥以及稍后電磁閥和電液換向滑閥問(wèn)世，先導(dǎo)控制形式趨于多樣化。1950年Moog研制成功采用微小信號(hào)功率的電液伺服閥，1970年前后信號(hào)功率介于開(kāi)關(guān)控制和伺服控制之間的比例閥問(wèn)世。此后，伴隨微電子集成和數(shù)字化技術(shù)的快速進(jìn)步，機(jī)電液一體化控制技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，特別是以電液先導(dǎo)控制為技術(shù)特征的液壓控制技術(shù)趨于成熟。 8在主級(jí)結(jié)構(gòu)上，早期采用水介質(zhì)是液壓控制元件大多選擇錐閥

6、結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)油壓控制發(fā)展后圓柱滑閥結(jié)構(gòu)成為主流。1970年前后三大類(lèi)板式連接液壓閥分別統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)的安裝連接尺寸（行走機(jī)械中多路閥為例外）。與此同時(shí)，基于 “液壓阻力回路系統(tǒng)學(xué)（液阻理論）”和DIN24342安裝連接尺寸的二通插裝閥以及用于行走機(jī)械的螺紋插裝閥問(wèn)世并得到9解決并快速發(fā)展，使得滑閥結(jié)構(gòu)和板閥結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊和擠壓。圖2表達(dá)了液壓閥的構(gòu)成格局，反映了滑閥式結(jié)構(gòu)趨于被座閥式結(jié)構(gòu)擠壓和侵入的狀況。圖2 液壓控制元件結(jié)構(gòu)和連接形式的發(fā)展歷程10注：21世紀(jì)板式連接將受到兩頭擠壓和沖擊較大規(guī)格一端被二通插裝閥向下擠壓，較小規(guī)格一端則被螺紋插裝閥向上擠壓三者重合部分特別是規(guī)格NG25以下多種形式

7、將面臨優(yōu)勝劣汰，部分板式閥將日顯產(chǎn)品壽命告終，而插裝閥的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步彰顯。先導(dǎo)式換向閥的發(fā)展11鉆孔式閥體圖3 先導(dǎo)式換向閥的歷程Rexroth公司電液換向閥40年發(fā)展演變的情況12圖4 電液換向閥和二通插裝閥的過(guò)流能力13在連接形式上，從管式連接到板式“安裝面”連接，發(fā)展到疊加式組合化和插式“安裝孔”集成化連接。在功能復(fù)合方面，液壓閥從單一功能的單立元件發(fā)展到多功能復(fù)合集成，尤其是行走機(jī)械上負(fù)載感應(yīng)和功率協(xié)調(diào)控制做到了高度的集成化復(fù)合控制。14三、液壓控制技術(shù)的發(fā)展形勢(shì)（一）節(jié)能、環(huán)保節(jié)能、環(huán)保是為了達(dá)到更好地保護(hù)地球環(huán)境，有效地活用能源和低噪聲的目的。水本身固有的清潔性和阻燃性，滿足現(xiàn)代社

8、會(huì)對(duì)工程提出的環(huán)境保護(hù)和安全要求，這也是近幾年來(lái)水壓傳動(dòng)技術(shù)重新被人們青睞的根本原因液壓傳動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了從水壓到油壓的發(fā)展階段，目前又在向水壓傳動(dòng)方向進(jìn)展。加之新材料技術(shù)和精密加工技術(shù)的進(jìn)步，基本克服了初始水壓傳動(dòng)存在的易腐蝕、泄露、效率低等缺點(diǎn)，使現(xiàn)代液壓進(jìn)入了現(xiàn)代水壓傳動(dòng)的研究和應(yīng)用階段。15現(xiàn)代水壓傳動(dòng)技術(shù)的研究始于美國(guó)。1967 年美國(guó)的Vickers公司的J.R. Ryan發(fā)表了高壓海水泵工程材料的研究報(bào)告。首開(kāi)現(xiàn)代水壓傳動(dòng)技術(shù)研究之先河。1991年，美國(guó)研制成功水壓沖擊鉆和圓盤(pán)鋸，組成水下作業(yè)工具系統(tǒng)、交付海軍水下工程隊(duì)使用。南非也是從事水壓傳動(dòng)研究較早的國(guó)家，70 年代后期開(kāi)始研制

9、水壓鑿巖機(jī)，1990年研制成乳化液鑿巖機(jī)，稍后又研制平持式純水鑿巖機(jī)，性能顯著優(yōu)于氣動(dòng)鑿巖機(jī)，且成本低。80年代初期，美國(guó)、英國(guó)、芬蘭、丹麥、日本、德國(guó)等國(guó)家一直投入巨大人力、物力和財(cái)力，從事純水液壓技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，并取得重大進(jìn)展。16目前國(guó)內(nèi)純水液壓元件的壓力等級(jí)已達(dá)到1421MPa中高水平，流量規(guī)格從幾十升到上千升，并有純水比例方向閥和伺服閥問(wèn)世。在西方工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，純水液壓傳動(dòng)已在食品加工業(yè)、焊接機(jī)器人、軋鋼生產(chǎn)線上等得到應(yīng)用，并有向工程機(jī)械、通用機(jī)械擴(kuò)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)開(kāi)展水壓傳動(dòng)技術(shù)的研究較早的是華中理工大學(xué)。自1983年以來(lái)，華中理工大學(xué)主要從事高水基液壓液及元件和系統(tǒng)的研究工作。

10、1996年完成海水液壓泵實(shí)驗(yàn)研究。近來(lái)，浙江大學(xué)投入大量人力、物力和財(cái)力，從事純水液壓技術(shù)的研究工作?？傊?，這方面的研究工作仍局限于高等學(xué)校，缺乏大型企業(yè)的參與。17評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力強(qiáng)弱的標(biāo)志是對(duì)外層空間和海洋的利用能力。目前和將來(lái)，國(guó)家實(shí)力的較量不僅在天上，而且在海洋， 開(kāi)發(fā)和利用公海海底礦產(chǎn)資源日益引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。目前，美國(guó)、俄羅斯、日本、法國(guó)和中國(guó)都在進(jìn)行海底資源的調(diào)查和開(kāi)采研究工作大洋金屬結(jié)構(gòu)開(kāi)采采用液體提升采礦法，有自動(dòng)集礦機(jī)，揚(yáng)礦(提升) 子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、采礦船和運(yùn)輸支持子系統(tǒng)五大部分組成。其中集礦機(jī)和提升泵等關(guān)鍵設(shè)備都涉及到液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)。18“八五”期間，

11、我國(guó)在深海采礦基礎(chǔ)理論和原理性實(shí)驗(yàn)方面取得重要突破。但要進(jìn)行工業(yè)開(kāi)采還有許多技術(shù)難題需要逐一解決?！熬盼濉逼陂g，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)組織專(zhuān)家對(duì)大洋開(kāi)采可能遇到的難題進(jìn)行了分析，其中深水液壓系統(tǒng)和元件是難題之一?！笆濉逼陂g，我國(guó)在深海探測(cè)方面使用液壓控制技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。今年是鄭和下西洋600周年，環(huán)球科考。19可以預(yù)見(jiàn)，最適于大洋采礦的液壓系統(tǒng)和元件應(yīng)當(dāng)以海水為介質(zhì)。大洋采礦設(shè)備要求在70MPa壓力下工作，如何將水壓傳動(dòng)技術(shù)用于大洋采礦工程，應(yīng)當(dāng)作為液壓界的重大課題，進(jìn)行基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)，這一課題必將是液壓技術(shù)的前沿課題，山東大學(xué)與山東山大液壓氣動(dòng)公司在這一方面取得了一定成果。2

12、0（二）與電子信息技術(shù)相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化液壓傳動(dòng)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品電液伺服早在20 世紀(jì)50年代末就早已出現(xiàn)，而今天電液比例閥已在大部分領(lǐng)域取代了電液伺服閥，此外高頻響比例閥控制泵變量機(jī)構(gòu)的電子油泵、帶總線控制的電磁閥和帶傳感器的伺服油缸、油馬達(dá)以及由它們組成的液壓系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化可以提高工作可靠性，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，改變液壓系統(tǒng)效率低、漏油、維修性差等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)出力大、慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其主要發(fā)展動(dòng)向如下 ：21(1) 電液伺服比例技術(shù)的應(yīng)用將不斷擴(kuò)大。液壓系統(tǒng)由過(guò)去的電氣液壓通斷系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)比例控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)。為適應(yīng)上述發(fā)展，壓力

13、、流量、位置、溫度、速度、加速度等傳感器應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)接口也應(yīng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和兼容。(2) 發(fā)展和計(jì)算機(jī)直接接口的電流為5mA以下的電磁閥，以及用于脈寬調(diào)制系統(tǒng)的高頻電磁閥(小于3ms)等。(3) 液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油的污染等數(shù)值將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和診斷。(4) 計(jì)算機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)化，特別對(duì)高精度、“高級(jí)”系統(tǒng)更有此要求。22(5) 由電子直接控制元件將得到廣泛采用，如電子直接控制液壓泵，只要改變電子控制器的程序，即可實(shí)現(xiàn)液壓泵的各種調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)合理分配功率，自動(dòng)保持最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)等功能。(6) 提高液壓元件性能，適應(yīng)機(jī)電一體化需求。液壓元件應(yīng)在性能、可靠性、智能化方面做大量工作。下

14、一個(gè)目標(biāo)要發(fā)展內(nèi)藏式傳感器和帶有計(jì)算機(jī)、自我管理機(jī)能(故障診斷、故障排除) 性能的智能化液壓元件。(7) 借助現(xiàn)場(chǎng)總線(field buses)，實(shí)現(xiàn)高水平的信息系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的使用、調(diào)節(jié)、診斷和維護(hù)。23（三）液壓系統(tǒng)的高壓和高速化在傳遞功率一定時(shí)，液壓系統(tǒng)的工作壓力越高則所需流量越小，相應(yīng)的元件體積及管道通徑也減小。泵和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速增高，同樣流量時(shí)，泵和馬達(dá)的排量就減小，泵和馬達(dá)的體積重量亦減小。高壓高速化可以增加能量的傳輸密度，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的重量功率比，這是液壓技術(shù)一直追求的目標(biāo)，液壓系統(tǒng)的壓力等級(jí)和泵、馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，代表著液壓技術(shù)的發(fā)展水平。以泵和馬達(dá)為例，在50年代，壓力為8MP

15、a，轉(zhuǎn)速為1450r/min，重量功率比為3kg/kW;60年代，壓力達(dá)到17.5MPa，轉(zhuǎn)速為1450r/min，重量功率比為1.3kg/kW，80年代，壓力提高到35MPa，轉(zhuǎn)速為25003000r/min，重量功率比降為0.5kg/kW， 24到90年代，壓力已呈超過(guò)35MPa的趨勢(shì)，一些閉式系統(tǒng)甚至達(dá)到47MPa，轉(zhuǎn)速達(dá)到3150r/min，重量功率比降低到0.3kg/kW。過(guò)去的40-50年中，液壓技術(shù)在高壓、高速化上取得巨大成果，使得液壓技術(shù)在與其它傳動(dòng)和控制技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中顯示出強(qiáng)大的能力。雖然，為進(jìn)一步提高壓力和轉(zhuǎn)速，縮小重量功率比的難度越來(lái)越大，付出的代價(jià)也越來(lái)越大，但這方面

16、的努力是不會(huì)停止的。25（四）液壓控制方法的發(fā)展液壓控制方法從最初的開(kāi)關(guān)控制、高速開(kāi)關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的比例或伺服控制與計(jì)算機(jī)、傳感器相結(jié)合的綜合控制模式。常用的控制方法有： PID控制自適應(yīng)控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制261、PID控制PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，它將系統(tǒng)誤差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。由于它具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制 272、 自適應(yīng)控制在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)本身能不斷地檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，根據(jù)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或控制作用，使系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)或接近最優(yōu)工作狀態(tài)。它的出現(xiàn)改變了控制系統(tǒng)只能在事先確定的參數(shù)狀態(tài)下工作的局限性，使被控對(duì)象能自動(dòng)適應(yīng)工作環(huán)境及自身參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化。283、模糊控制模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，模糊控制的最大特征是，它能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。因此，模糊控制特別適用于數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制。從信息的觀點(diǎn)來(lái)看，模糊控制是一類(lèi)規(guī)則型的專(zhuān)家系統(tǒng)，從控制技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，它是一類(lèi)非線性控制器，對(duì)液壓控制技術(shù)特別適用 。294、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控