液壓技術的現(xiàn)狀發(fā)展動向

液壓控制技術的現(xiàn)狀

及展望山東大學機械工程學院報告人：劉延俊教授一、國內(nèi)液壓技術現(xiàn)狀

（1）整個行業(yè)現(xiàn)狀近年來，雖然液壓技術外于與其他傳動和控制技術的競爭中，但還是呈現(xiàn)比較高的發(fā)展速度。我國液壓行業(yè)已形成了門類齊全、有一定生產(chǎn)能力和技術水平、初具規(guī)模的生產(chǎn)科研體系。目前全國約有近400家企業(yè)，有些大學（浙大、哈工大、華南理工大）設有流體傳動與控制專業(yè)，每個工科類高校都將液壓控制技術作為必修課，還有國家級液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢測中心以及國家重點實驗室。我國液壓工業(yè)已可為工程機械、農(nóng)業(yè)機械、塑機、冶金、礦山、石油化工、鐵路、船舶、輕工機械等提供比較齊全的產(chǎn)品，目前，液壓元件產(chǎn)品約有1000個品種，近10000個規(guī)格。液壓產(chǎn)品占GDP的比重也逐漸增加。1、農(nóng)業(yè)機械2、工程機械3、機床4、塑機5、汽車6、冶金設備7、石油化工8、其他圖1國產(chǎn)液壓產(chǎn)品銷售去向通過科技攻關和技術引進，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、污染控制、故障診斷、機電一體化、海水及高水基溶液的應用、現(xiàn)代控制技術的應用等方面也取得可喜成果，不少已應用于生產(chǎn)。我國液壓工業(yè)重視同國外企業(yè)進行有效的經(jīng)濟和技術合作，近年來先后從國外引進了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術，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、日本、德國共同建立了某些合資企業(yè)，這些企業(yè)將推動我國液壓工業(yè)的發(fā)展。（2）液壓產(chǎn)品構成比分析近年來，由于主機產(chǎn)品發(fā)展的需要，產(chǎn)品品種構成有所變化:A、柱塞泵構成比有增長趨勢，齒輪泵變化不大，而葉片泵則下降了。B、柱塞馬達構成比有增長趨勢。C、閥門、通用三類閥門占總產(chǎn)量的比例有減少趨勢，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)量和銷售額占的比重最大。D、由于重視液壓系統(tǒng)污染控制，過濾器銷售額有顯著增長。二、液壓控制技術的歷史回顧現(xiàn)代液壓控制技術是在古老的水壓傳動技術的基礎上發(fā)展和完善起來的。液壓傳動的基本原理—Pascal原理是Pascal在17世紀發(fā)現(xiàn)的。第一個將這一原理用于手工業(yè)生產(chǎn)的英國人Jeseph.Brama(1749～1814)研制了水壓機。19世紀后半葉，W.G.Arm2strong研制了以水為介質(zhì)的液壓機械和元件，主要用于船舶錨機和起重機上。由于純水存在粘度低、潤滑性能差和易造成元件腐蝕等缺點，同時也由于電機和電驅(qū)動的發(fā)展，使液壓技術停滯不前。20世紀初葉，Janny研制成功以油液為介質(zhì)的軸向柱塞機械(1905年)。HeleShaw和HansThoma先后研制成功以油液為介質(zhì)的徑向柱塞機械(1910～1922)，標志著液壓技術發(fā)展到油壓技術階段。第二次世界大戰(zhàn)期間，尤其20世紀60～70年代，液壓技術得到了快速發(fā)展并日臻完善，并進入到穩(wěn)定成熟的發(fā)展時期。可以預見，除液壓元件大型化、高壓、微型化及計算機技術、信息技術、微電子技術與液壓技術融為一體外，液壓技術難以形成重大突破。伴隨著液壓技術的發(fā)展，液壓控制元件發(fā)生了革命性的變化。最初大都采用直動式機械機構，直到20世紀30年代Vickers發(fā)明了先導式壓力控制閥以及稍后電磁閥和電液換向滑閥問世，先導控制形式趨于多樣化。1950年Moog研制成功采用微小信號功率的電液伺服閥，1970年前后信號功率介于開關控制和伺服控制之間的比例閥問世。此后，伴隨微電子集成和數(shù)字化技術的快速進步，機－電－液一體化控制技術得到長足發(fā)展，特別是以電液先導控制為技術特征的液壓控制技術趨于成熟。

在主級結構上，早期采用水介質(zhì)是液壓控制元件大多選擇錐閥結構。20世紀油壓控制發(fā)展后圓柱滑閥結構成為主流。1970年前后三大類板式連接液壓閥分別統(tǒng)一到標準的安裝連接尺寸（行走機械中多路閥為例外）。與此同時，基于“液壓阻力回路系統(tǒng)學（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械的螺紋插裝閥問世并得到解決并快速發(fā)展，使得滑閥結構和板閥結構受到?jīng)_擊和擠壓。圖2表達了液壓閥的構成格局，反映了滑閥式結構趨于被座閥式結構擠壓和侵入的狀況。圖2液壓控制元件結構和連接形式的發(fā)展歷程注：21世世紀板板式連連接將將受到到兩頭頭擠壓壓和沖沖擊較較大規(guī)規(guī)格一一端被被二通通插裝裝閥向向下擠擠壓，，較小小規(guī)格格一端端則被被螺紋紋插裝裝閥向向上擠擠壓三三者重重合部部分特特別是是規(guī)格格NG25以下下多種種形式式將面面臨優(yōu)優(yōu)勝劣劣汰，，部分分板式式閥將將日顯顯產(chǎn)品品壽命命告終終，而而插裝裝閥的的優(yōu)勢勢將進進一步步彰顯顯。先導式式換向向閥的的發(fā)展展鉆孔式式閥體體圖3先先導式式換向向閥的的歷程程Rexroth公司電電液換換向閥閥40年發(fā)發(fā)展演演變的的情況況圖4電電液換換向閥閥和二二通插插裝閥閥的過過流能能力在連接接形式式上，，從管管式連連接到到板式式“安安裝面面”連連接，，發(fā)展展到疊疊加式式組合合化和和插式式“安安裝孔孔”集集成化化連接接。在在功能能復合合方面面，液液壓閥閥從單單一功功能的的單立立元件件發(fā)展展到多多功能能復合合集成成，尤尤其是是行走走機械械上負負載感感應和和功率率協(xié)調(diào)調(diào)控制制做到到了高高度的的集成成化復復合控控制。。三、液液壓控控制技技術的的發(fā)展展形勢勢（一））節(jié)能能、環(huán)環(huán)保節(jié)能、、環(huán)保保是為為了達達到更更好地地保護護地球球環(huán)境境，有有效地地活用用能源源和低低噪聲聲的目目的。。水本本身固固有的的清潔潔性和和阻燃燃性，，滿足足現(xiàn)代代社會會對工工程提提出的的環(huán)境境保護護和安安全要要求，，這也也是近近幾年年來水水壓傳傳動技技術重重新被被人們們青睞睞的根根本原原因液液壓傳傳動技技術經(jīng)經(jīng)歷了了從水水壓到到油壓壓的發(fā)發(fā)展階階段，，目前前又在在向水水壓傳傳動方方向進進展。。加之之新材材料技技術和和精密密加工工技術術的進進步，，基本本克服服了初初始水水壓傳傳動存存在的的易腐腐蝕、、泄露露、效效率低低等缺缺點，，使現(xiàn)現(xiàn)代液液壓進進入了了現(xiàn)代代水壓壓傳動動的研研究和和應用用階段段?，F(xiàn)代水水壓傳傳動技技術的的研究究始于于美國國。1967年年美美國的的Vickers公司的的J.R.Ryan發(fā)表了了高壓壓海水水泵工工程材材料的的研究究報告告。首首開現(xiàn)現(xiàn)代水水壓傳傳動技技術研研究之之先河河。1991年年，美美國研研制成成功水水壓沖沖擊鉆鉆和圓圓盤鋸鋸，組組成水水下作作業(yè)工工具系系統(tǒng)、、交付付海軍軍水下下工程程隊使使用。。南非非也是是從事事水壓壓傳動動研究究較早早的國國家，，70年年代后后期開開始研研制水水壓鑿鑿巖機機，1990年年研制制成乳乳化液液鑿巖巖機，，稍后后又研研制平平持式式純水水鑿巖巖機，，性能能顯著著優(yōu)于于氣動動鑿巖巖機，，且成成本低低。80年年代初初期，，美國國、英英國、、芬蘭蘭、丹丹麥、、日本本、德德國等等國家家一直直投入入巨大大人力力、物物力和和財力力，從從事純純水液液壓技技術的的研究究和開開發(fā)，，并取取得重重大進進展。。目前國國內(nèi)純純水液液壓元元件的的壓力力等級級已達達到14～～21MPa中中高水水平，，流量量規(guī)格格從幾幾十升升到上上千升升，并并有純純水比比例方方向閥閥和伺伺服閥閥問世世。在在西方方工業(yè)業(yè)發(fā)達達的國國家，，純水水液壓壓傳動動已在在食品品加工工業(yè)、、焊接接機器器人、、軋鋼鋼生產(chǎn)產(chǎn)線上上等得得到應應用，，并有有向工工程機機械、、通用用機械械擴展展的趨趨勢。。國內(nèi)內(nèi)開展展水壓壓傳動動技術術的研研究較較早的的是華華中理理工大大學。。自1983年年以來來，華華中理理工大大學主主要從從事高高水基基液壓壓液及及元件件和系系統(tǒng)的的研究究工作作。1996年年完成成海水水液壓壓泵實實驗研研究。。近來來，浙浙江大大學投投入大大量人人力、、物力力和財財力，，從事事純水水液壓壓技術術的研研究工工作。?？傊?，這這方面面的研研究工工作仍仍局限限于高高等學學校，，缺乏乏大型型企業(yè)業(yè)的參參與。。評價一一個國國家的的綜合合國力力強弱弱的標標志是是對外外層空空間和和海洋洋的利利用能能力。。目前前和將將來，，國家家實力力的較較量不不僅在在天上上，而而且在在海洋洋，開開發(fā)發(fā)和利利用公公海海海底礦礦產(chǎn)資資源日日益引引起國國際社社會的的廣泛泛關注注。目目前，，美國國、俄俄羅斯斯、日日本、、法國國和中中國都都在進進行海海底資資源的的調(diào)查查和開開采研研究工工作大大洋金金屬結結構開開采采采用液液體提提升采采礦法法，有有自動動集礦礦機，，揚礦礦(提提升)子子系統(tǒng)統(tǒng)、監(jiān)監(jiān)控子子系統(tǒng)統(tǒng)、采采礦船船和運運輸支支持子子系統(tǒng)統(tǒng)五大大部分分組成成。其其中集集礦機機和提提升泵泵等關關鍵設設備都都涉及及到液液壓傳傳動與與控制制技術術?！鞍宋逦濉逼谄陂g，，我國國在深深海采采礦基基礎理理論和和原理理性實實驗方方面取取得重重要突突破。。但要要進行行工業(yè)業(yè)開采采還有有許多多技術術難題題需要要逐一一解決決?！啊熬盼逦濉逼谄陂g，，中國國大洋洋協(xié)會會組織織專家家對大大洋開開采可可能遇遇到的的難題題進行行了分分析，，其中中深水水液壓壓系統(tǒng)統(tǒng)和元元件是是難題題之一一?！啊笆逦濉逼谄陂g，，我國國在深深海探測方方面使使用液液壓控控制技技術取取得了了突破破性進進展。。今年年是鄭鄭和下下西洋洋600周周年，，環(huán)球球科考考?？梢灶A預見，，最適適于大大洋采采礦的的液壓壓系統(tǒng)統(tǒng)和元元件應應當以以海水水為介介質(zhì)。。大洋洋采礦礦設備備要求求在70MPa壓力力下工工作，，如何何將水水壓傳傳動技技術用用于大大洋采采礦工工程，，應當當作為為液壓壓界的的重大大課題題，進進行基基礎理理論和和實驗驗研究究工作作?？煽梢灶A預見，，這一一課題題必將將是液液壓技技術的的前沿沿課題題，山山東大大學與與山東東山大大液壓壓氣動動公司司在這這一方方面取取得了了一定定成果果。（二））與電電子信信息技技術相相結合合，實現(xiàn)機機電一一體化化液壓傳傳動與與電子子技術術相結結合的的產(chǎn)品品—電電液伺伺服早早在20世世紀紀50年代代末就就早已已出現(xiàn)現(xiàn)，而而今天天電液液比例例閥已已在大大部分分領域域取代代了電電液伺伺服閥閥，此此外高高頻響響比例例閥控控制泵泵變量量機構構的電電子油油泵、、帶總總線控控制的的電磁磁閥和和帶傳傳感器器的伺伺服油油缸、、油馬馬達以以及由由它們們組成成的液液壓系系統(tǒng)應應用廣廣泛。。實現(xiàn)現(xiàn)機電電一體體化可可以提提高工工作可可靠性性，實實現(xiàn)液液壓系系統(tǒng)柔柔性化化、智智能化化，改改變液液壓系系統(tǒng)效效率低低、漏漏油、、維修修性差差等缺缺點，，充分分發(fā)揮揮液壓壓傳動動出力力大、、慣性性小、、響應應快等等優(yōu)點點，其其主要要發(fā)展展動向向如下下：：(1)電電液伺伺服比比例技技術的的應用用將不不斷擴擴大。。液壓壓系統(tǒng)統(tǒng)由過過去的的電氣氣液壓壓通斷斷系統(tǒng)統(tǒng)和開開環(huán)比比例控控制系系統(tǒng)轉轉向閉閉環(huán)比比例伺伺服系系統(tǒng)。。為適適應上上述發(fā)發(fā)展，，壓力力、流流量、、位置置、溫溫度、、速度度、加加速度度等傳傳感器器應實實現(xiàn)標標準化化。計計算機機接口口也應應實現(xiàn)現(xiàn)統(tǒng)一一和兼兼容。。(2)發(fā)發(fā)展和和計算算機直直接接接口的的電流流為5mA以下的的電磁磁閥，，以及及用于于脈寬寬調(diào)制制系統(tǒng)統(tǒng)的高高頻電電磁閥閥(小小于3ms)等。。(3)液液壓系系統(tǒng)的的流量量、壓壓力、、溫度度、油油的污污染等等數(shù)值值將實實現(xiàn)自自動測測量和和診斷斷。(4)計計算機機仿真真標準準化，，特別別對高高精度度、““高級級”系系統(tǒng)更更有此此要求求。(5)由由電子子直接接控制制元件件將得得到廣廣泛采采用，，如電電子直直接控控制液液壓泵泵，只只要改改變電電子控控制器器的程程序，，即可可實現(xiàn)現(xiàn)液壓壓泵的的各種種調(diào)節(jié)節(jié)方式式，實實現(xiàn)合合理分分配功功率，，自動動保持持最佳佳狀態(tài)態(tài)，實實現(xiàn)軟軟起動動等功功能。。(6)提提高液液壓元元件性性能，，適應應機電電一體體化需需求。。液壓壓元件件應在在性能能、可可靠性性、智智能化化方面面做大大量工工作。。下一一個目目標要要發(fā)展展內(nèi)藏藏式傳傳感器器和帶帶有計計算機機、自自我管管理機機能(故障障診斷斷、故故障排排除)性性能的的智能能化液液壓元元件。。(7)借借助現(xiàn)場總總線(fieldbuses)，實現(xiàn)高高水平的信信息系統(tǒng)，，從而簡化化液壓系統(tǒng)統(tǒng)的使用、、調(diào)節(jié)、診診斷和維護護。（三）液壓壓系統(tǒng)的高高壓和高速速化在傳遞功率率一定時，，液壓系統(tǒng)統(tǒng)的工作壓壓力越高則則所需流量量越小，相相應的元件件體積及管管道通徑也也減小。泵泵和馬達的的轉速增高高，同樣流流量時，泵泵和馬達的的排量就減減小，泵和和馬達的體體積重量亦亦減小。高高壓高速化化可以增加加能量的傳傳輸密度，，降低傳動動系統(tǒng)的重重量功率比比，這是液液壓技術一一直追求的的目標，液液壓系統(tǒng)的的壓力等級級和泵、馬馬達的轉速速，代表著著液壓技術術的發(fā)展水水平。以泵泵和馬達為為例，在50年代，，壓力為8MPa，轉速為1450r/min，重量功率率比為3kg/kW;60年代代，壓力達達到17.5MPa，轉速為1450r/min，重量功率率比為1.3kg/kW，80年代代，壓力提提高到35MPa，轉速為2500～～3000r/min，重量功率率比降為0.5kg/kW，到90年代代，壓力已已呈超過35MPa的趨勢，一一些閉式系系統(tǒng)甚至達達到47MPa，轉轉速達到3150r/min，重量功功率比降低低到0.3kg/kW。過去的40-50年年中，液壓壓技術在高高壓、高速速化上取得得巨大成果果，使得液液壓技術在在與其它傳傳動和控制制技術的激激烈競爭中中顯示出強強大的能力力。雖然，，為進一步步提高壓力力和轉速，，縮小重量量功率比的的難度越來來越大，付付出的代價價也越來越越大，但這這方面的努努力是不會會停止的。。（四）液壓壓控制方法法的發(fā)展液壓控制方方法從最初初的開關控控制、高速速開關控制制發(fā)展到現(xiàn)現(xiàn)在的比例例或伺服控控制與計算算機、傳感感器相結合合的綜合控控制模式。。常用的控制制方法有：：PID控制制自適應控制制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡控控制模糊神經(jīng)元元網(wǎng)絡控制制1、PID控制PID控制制是最早發(fā)發(fā)展起來的的控制策略略之一，它它將系統(tǒng)誤誤差的比例例（P）、、積分（I）和微分分（D）通通過線性組組合構成控控制量，對對被控對象象進行控制制。由于它它具有算法法簡單、魯魯棒性好和和可靠性高高等優(yōu)點，，被廣泛應應用于工業(yè)業(yè)過程控制制2、自適適應控制在系統(tǒng)工作作過程中，，系統(tǒng)本身身能不斷地地檢測系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)或運運行指標，，根據(jù)參數(shù)數(shù)或運行指指標的變化化，改變控控制參數(shù)或或控制作用用，使系統(tǒng)統(tǒng)運行于最最優(yōu)或接近近最優(yōu)工作作狀態(tài)。它它的出現(xiàn)改改變了控制制系統(tǒng)只能能在事先確確定的參數(shù)數(shù)狀態(tài)下工工作的局限限性，使被被控對象能能自動適應應工作環(huán)境境及自身參參數(shù)在一定定范圍內(nèi)的的變化。3、模糊控控制模糊控制是是以模糊集集合論、模模糊語言變變量及模糊糊邏輯推理理為基礎的的計算機智智能控制，，模糊控制制的最大特特征是，它它能將操作作者或?qū)＜壹业目刂平?jīng)經(jīng)驗和知識識表示成語語言變量描描述的控制制規(guī)則，然然后用這些些規(guī)則去控控制系統(tǒng)。。因此，模模糊控制特特別適用于于數(shù)學模型型未知的、、復雜的非非線性系統(tǒng)統(tǒng)的控制。。從信息的的觀點來看看，模糊控控制是一類類規(guī)則型的的專家系統(tǒng)統(tǒng)，從控制制技術的觀觀點來看，，它是一類類非線性控控制器，對對液壓控制制技術特別別適用。。4、神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)網(wǎng)絡控控制主要是是為了解決決復雜的非非線性、不不確定性、、時變系統(tǒng)統(tǒng)的控制問問題。人工工神經(jīng)網(wǎng)絡絡是由許多多個神經(jīng)元元組成的并并行分布式式的信息處處理網(wǎng)絡結結構，它是是在人們現(xiàn)現(xiàn)有的對人人腦的思維維過程研究究和掌握的的基礎上，，用數(shù)學方方法對其進進行簡化、、抽象和模模擬，來反反映人腦的的功能和基基本特性，，因此具有有較高的智智能。5、模糊神神經(jīng)元網(wǎng)絡絡控制將模糊理論論與神經(jīng)元元網(wǎng)絡結合合，使神經(jīng)經(jīng)元網(wǎng)絡借借助其大規(guī)規(guī)模的并行行分布處理理結構來完完成模糊的的推理過程程。到目前為止止，液壓控控制技術的的發(fā)展，主主要表現(xiàn)在在：在提高高液壓元件件性能的前前提下，通通過控制方方法的優(yōu)化化組合，來來改變系統(tǒng)統(tǒng)的控制效效果。謝謝各位??！9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。04:26:2704:26:2704:2612/25/20224:26:27AM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2204:26:2704:26Dec-2225-Dec-2212、故人江江海別，，幾度隔隔山川。。。04:26:2704:26:2704:26Sunday,December25,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2204:26:2704:26:27December25,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。25十十二二月20224:26:27上上午04:26:2712月月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月224:26上上午12月-2204:26December25,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/254:26:2704:26:2725December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時時，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點的的射線向前前。。4:26:27上上午4:26上上午04:26:2712月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Sunday,December25,202210、很多事事情努力力了未必必有結果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。04:26:2704:26:2704:2612/25/20224:26:27AM11、成功就就是日復復一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2204:26:2704:26Dec-2225-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。04:26:2704:26:2704:26Sunday,December25,202213、不知香積寺寺，數(shù)里入云云峰。。12月-2212月-2204:26:2704:26:27December25,202214、意志志堅強強的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥塊一一樣任任意揉揉捏。。25十十二二月20224:26:27上上午04:26:2712月月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月224:26上上午午12月月-2204:26December25,202216、少少年年十十五