液压技术的现状、发展动向

液压控制技术的现状及展望山东大学机械工程学院报告人：刘延俊教授一、国内液压技术现状（1）整个行业现状近年来，虽然液压技术外于与其他传动和控制技术的竞争中，但还是呈现比较高的发展速度。我国液压行业已形成了门类齐全、有一定生产能力和技术水平、初具规模的生产科研体系。目前全国约有近400家企业，有些大学（浙大、哈工大、华南理工大）设有流体传动与控制专业，每个工科类高校都将液压控制技术作为必修课，还有国家级液压元件质量监督检测中心以及国家重点实验室。我国液压工业已可为工程机械、农业机械、塑机、冶金、矿山、石油化工、铁路、船舶、轻工机械等提供比较齐全的产品，目前，液压元件产品约有1000个品种，近10000个规格。液压产品占GDP的比重也逐渐增加。1、农业机械2、工程机械3、机床4、塑机5、汽车6、冶金设备7、石油化工8、其他图1国产液压产品销售去向通过科技攻关和技术引进，产品水平有一定提高，生产出一些具有世界水平的产品，另外，在CAD和CAT技术、污染控制、故障诊断、机电一体化、海水及高水基溶液的应用、现代控制技术的应用等方面也取得可喜成果，不少已应用于生产。我国液压工业重视同国外企业进行有效的经济和技术合作，近年来先后从国外引进了很多液压元件和液压系统等制造技术，为提高产品水平和生产能力起到了重要作用。目前已和美国、日本、德国共同建立了某些合资企业，这些企业将推动我国液压工业的发展。（2）液压产品构成比分析近年来，由于主机产品发展的需要，产品品种构成有所变化:A、柱塞泵构成比有增长趋势，齿轮泵变化不大，而叶片泵则下降了。B、柱塞马达构成比有增长趋势。C、阀门、通用三类阀门占总产量的比例有减少趋势，叠加阀、插装阀、比例阀、多路阀等所占比例将显著增加，电磁换向阀产量和销售额占的比重最大。D、由于重视液压系统污染控制，过滤器销售额有显著增长。二、液压控制技术的历史回顾现代液压控制技术是在古老的水压传动技术的基础上发展和完善起来的。液压传动的基本原理—Pascal原理是Pascal在17世纪发现的。第一个将这一原理用于手工业生产的英国人Jeseph.Brama(1749～1814)研制了水压机。19世纪后半叶，W.G.Arm2strong研制了以水为介质的液压机械和元件，主要用于船舶锚机和起重机上。由于纯水存在粘度低、润滑性能差和易造成元件腐蚀等缺点，同时也由于电机和电驱动的发展，使液压技术停滞不前。20世纪初叶，Janny研制成功以油液为介质的轴向柱塞机械(1905年)。HeleShaw和HansThoma先后研制成功以油液为介质的径向柱塞机械(1910～1922)，标志着液压技术发展到油压技术阶段。第二次世界大战期间，尤其20世纪60～70年代，液压技术得到了快速发展并日臻完善，并进入到稳定成熟的发展时期。可以预见，除液压元件大型化、高压、微型化及计算机技术、信息技术、微电子技术与液压技术融为一体外，液压技术难以形成重大突破。伴随着液压技术的发展，液压控制元件发生了革命性的变化。最初大都采用直动式机械机构，直到20世纪30年代Vickers发明了先导式压力控制阀以及稍后电磁阀和电液换向滑阀问世，先导控制形式趋于多样化。1950年Moog研制成功采用微小信号功率的电液伺服阀，1970年前后信号功率介于开关控制和伺服控制之间的比例阀问世。此后，伴随微电子集成和数字化技术的快速进步，机－电－液一体化控制技术得到长足发展，特别是以电液先导控制为技术特征的液压控制技术趋于成熟。在主级结构上，早期采用水介质是液压控制元件大多选择锥阀结构。20世纪油压控制发展后圆柱滑阀结构成为主流。1970年前后三大类板式连接液压阀分别统一到标准的安装连接尺寸（行走机械中多路阀为例外）。与此同时，基于“液压阻力回路系统学（液阻理论）”和DIN24342安装连接尺寸的二通插装阀以及用于行走机械的螺纹插装阀问世并得到解决并快速发展，使得滑阀结构和板阀结构受到冲击和挤压。图2表达了液压阀的构成格局，反映了滑阀式结构趋于被座阀式结构挤压和侵入的状况。图2液压控制元件结构和连接形式的发展历程注：21世纪板式连接将受到两头挤压和冲击较大规格一端被二通插装阀向下挤压，较小规格一端则被螺纹插装阀向上挤压三者重合部分特别是规格NG25以下多种形式将面临优胜劣汰，部分板式阀将日显产品寿命告终，而插装阀的优势将进一步彰显。先导式换向阀的发展钻孔式阀体图3先导式换向阀的历程Rexroth公司电液换向阀40年发展演变的情况图4电液换向阀和二通插装阀的过流能力在连接形式上，从管式连接到板式“安装面”连接，发展到叠加式组合化和插式“安装孔”集成化连接。在功能复合方面，液压阀从单一功能的单立元件发展到多功能复合集成，尤其是行走机械上负载感应和功率协调控制做到了高度的集成化复合控制。三、液压控制技术的发展形势（一）节能、环保节能、环保是为了达到更好地保护地球环境，有效地活用能源和低噪声的目的。水本身固有的清洁性和阻燃性，满足现代社会对工程提出的环境保护和安全要求，这也是近几年来水压传动技术重新被人们青睐的根本原因液压传动技术经历了从水压到油压的发展阶段，目前又在向水压传动方向进展。加之新材料技术和精密加工技术的进步，基本克服了初始水压传动存在的易腐蚀、泄露、效率低等缺点，使现代液压进入了现代水压传动的研究和应用阶段。现代水压传动技术的研究始于美国。1967年美国的Vickers公司的J.R.Ryan发表了高压海水泵工程材料的研究报告。首开现代水压传动技术研究之先河。1991年，美国研制成功水压冲击钻和圆盘锯，组成水下作业工具系统、交付海军水下工程队使用。南非也是从事水压传动研究较早的国家，70年代后期开始研制水压凿岩机，1990年研制成乳化液凿岩机，稍后又研制平持式纯水凿岩机，性能显著优于气动凿岩机，且成本低。80年代初期，美国、英国、芬兰、丹麦、日本、德国等国家一直投入巨大人力、物力和财力，从事纯水液压技术的研究和开发，并取得重大进展。目前国内纯水液压元件的压力等级已达到14～21MPa中高水平，流量规格从几十升到上千升，并有纯水比例方向阀和伺服阀问世。在西方工业发达的国家，纯水液压传动已在食品加工业、焊接机器人、轧钢生产线上等得到应用，并有向工程机械、通用机械扩展的趋势。国内开展水压传动技术的研究较早的是华中理工大学。自1983年以来，华中理工大学主要从事高水基液压液及元件和系统的研究工作。1996年完成海水液压泵实验研究。近来，浙江大学投入大量人力、物力和财力，从事纯水液压技术的研究工作。总之，这方面的研究工作仍局限于高等学校，缺乏大型企业的参与。评价一个国家的综合国力强弱的标志是对外层空间和海洋的利用能力。目前和将来，国家实力的较量不仅在天上，而且在海洋，开发和利用公海海底矿产资源日益引起国际社会的广泛关注。目前，美国、俄罗斯、日本、法国和中国都在进行海底资源的调查和开采研究工作大洋金属结构开采采用液体提升采矿法，有自动集矿机，扬矿(提升)子系统、监控子系统、采矿船和运输支持子系统五大部分组成。其中集矿机和提升泵等关键设备都涉及到液压传动与控制技术。“八五”期间，我国在深海采矿基础理论和原理性实验方面取得重要突破。但要进行工业开采还有许多技术难题需要逐一解决。“九五”期间，中国大洋协会组织专家对大洋开采可能遇到的难题进行了分析，其中深水液压系统和元件是难题之一。“十五”期间，我国在深海探测方面使用液压控制技术取得了突破性进展。今年是郑和下西洋600周年，环球科考。可以预见，最适于大洋采矿的液压系统和元件应当以海水为介质。大洋采矿设备要求在70MPa压力下工作，如何将水压传动技术用于大洋采矿工程，应当作为液压界的重大课题，进行基础理论和实验研究工作。可以预见，这一课题必将是液压技术的前沿课题，山东大学与山东山大液压气动公司在这一方面取得了一定成果。（二）与电子信息技术相结合，实现机电一体化液压传动与电子技术相结合的产品—电液伺服早在20世纪50年代末就早已出现，而今天电液比例阀已在大部分领域取代了电液伺服阀，此外高频响比例阀控制泵变量机构的电子油泵、带总线控制的电磁阀和带传感器的伺服油缸、油马达以及由它们组成的液压系统应用广泛。实现机电一体化可以提高工作可靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低、漏油、维修性差等缺点，充分发挥液压传动出力大、惯性小、响应快等优点，其主要发展动向如下：(1)电液伺服比例技术的应用将不断扩大。液压系统由过去的电气液压通断系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统。为适应上述发展，压力、流量、位置、温度、速度、加速度等传感器应实现标准化。计算机接口也应实现统一和兼容。(2)发展和计算机直接接口的电流为5mA以下的电磁阀，以及用于脉宽调制系统的高频电磁阀(小于3ms)等。(3)液压系统的流量、压力、温度、油的污染等数值将实现自动测量和诊断。(4)计算机仿真标准化，特别对高精度、“高级”系统更有此要求。(5)由电子直接控制元件将得到广泛采用，如电子直接控制液压泵，只要改变电子控制器的程序，即可实现液压泵的各种调节方式，实现合理分配功率，自动保持最佳状态，实现软起动等功能。(6)提高液压元件性能，适应机电一体化需求。液压元件应在性能、可靠性、智能化方面做大量工作。下一个目标要发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能(故障诊断、故障排除)性能的智能化液压元件。(7)借助现场总线(fieldbuses)，实现高水平的信息系统，从而简化液压系统的使用、调节、诊断和维护。（三）液压系统的高压和高速化在传递功率一定时，液压系统的工作压力越高则所需流量越小，相应的元件体积及管道通径也减小。泵和马达的转速增高，同样流量时，泵和马达的排量就减小，泵和马达的体积重量亦减小。高压高速化可以增加能量的传输密度，降低传动系统的重量功率比，这是液压技术一直追求的目标，液压系统的压力等级和泵、马达的转速，代表着液压技术的发展水平。以泵和马达为例，在50年代，压力为8MPa，转速为1450r/min，重量功率比为3kg/kW;60年代，压力达到17.5MPa，转速为1450r/min，重量功率比为1.3kg/kW，80年代，压力提高到35MPa，转速为2500～3000r/min，重量功率比降为0.5kg/kW，到90年代，压力已呈超过35MPa的趋势，一些闭式系统甚至达到47MPa，转速达到3150r/min，重量功率比降低到0.3kg/kW。过去的40-50年中，液压技术在高压、高速化上取得巨大成果，使得液压技术在与其它传动和控制技术的激烈竞争中显示出强大的能力。虽然，为进一步提高压力和转速，缩小重量功率比的难度越来越大，付出的代价也越来越大，但这方面的努力是不会停止的。（四）液压控制方法的发展液压控制方法从最初的开关控制、高速开关控制发展到现在的比例或伺服控制与计算机、传感器相结合的综合控制模式。常用的控制方法有：PID控制自适应控制模糊控制神经网络控制模糊神经元网络控制1、PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一，它将系统误差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。由于它具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制2、自适应控制在系统工作过程中，系统本身能不断地检测系统参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，使系统运行于最优或接近最优工作状态。它的出现改变了控制系统只能在事先确定的参数状态下工作的局限性，使被控对象能自动适应工作环境及自身参数在一定范围内的变化。3、模糊控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，模糊控制的最大特征是，它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。从信息的观点来看，模糊控制是一类规则型的