現(xiàn)代液壓技術(shù)在軍事工程機(jī)械與農(nóng)林機(jī)械上的應(yīng)用前景分析

羅占奎

摘要 ? ?本文梳理了數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)、液壓仿真技術(shù)等現(xiàn)代液壓理論與技術(shù)在軍事工程機(jī)械與農(nóng)林機(jī)械上的應(yīng)用，并進(jìn)行了特征分析。結(jié)果表明，多技術(shù)集成化、綠色環(huán)保、智能化、新材料應(yīng)用等將成為現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林機(jī)械及工程機(jī)械上的應(yīng)用趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 ? ?現(xiàn)代液壓技術(shù);農(nóng)林機(jī)械;工程機(jī)械;數(shù)字液壓技術(shù);智能液壓技術(shù)

中圖分類號(hào) ? ?S23 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）17-0136-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract ? ?This paper sorted out the application of modern hydraulic theory and technology such as digital hydraulic technology， intelligent hydraulic technology， new material application， environmental hydraulic technology， and hydraulic simulation technology in military engineering machinery and agricultural and forestry machinery， and carried out characteristic analysis. The results showed that multi-technology integration， green environmental protection， intelligence and application of new materials would become the application trend of modern hydraulic technology in agricultural and forestry machinery and engineering machinery.

Key words ? ?modern hydraulic technology; agricultural and forestry machinery; engineering machinery; digital hydraulic technology; intelligent hydraulic technology

液壓技術(shù)是我國(guó)機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的技術(shù)，其發(fā)展與更新的速度在不斷加快。為適應(yīng)快速發(fā)展的現(xiàn)代機(jī)械化水平，液壓機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)不斷地與新型智能化技術(shù)融合，不斷地在工程發(fā)展中改進(jìn)[1]?，F(xiàn)階段，應(yīng)用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)逐漸融合了機(jī)電一體化技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)、電子技術(shù)等，在技術(shù)水平和工作效率上有了質(zhì)的飛躍，逐漸形成了現(xiàn)代液壓技術(shù)。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展以及各項(xiàng)重大工程的開工建設(shè)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械與工程機(jī)械的性能要求越來越高?，F(xiàn)代液壓技術(shù)集成應(yīng)用到農(nóng)林機(jī)械、軍事工程機(jī)械，可使其破除發(fā)展瓶頸，實(shí)現(xiàn)更高程度的飛躍。本文對(duì)現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林、軍事工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行探究，以期為我國(guó)農(nóng)林機(jī)械轉(zhuǎn)型升級(jí)、工程機(jī)械“高精尖”發(fā)展提供參考。

1 ? ?現(xiàn)代液壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，液壓技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，遍及工業(yè)領(lǐng)域[2]。現(xiàn)代液壓技術(shù)主要的代表技術(shù)有數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料的應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)、液壓仿真技術(shù)等。

1.1 ? ?數(shù)字液壓技術(shù)

數(shù)字液壓技術(shù)是液壓元件具有流體流動(dòng)離散化或控制信號(hào)離散化特征的液壓系統(tǒng)，也被稱為數(shù)字液壓系統(tǒng)[3]。通過數(shù)字液壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械的智能化、高效率、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。計(jì)算機(jī)的日益發(fā)展和普及，對(duì)發(fā)展液壓組件產(chǎn)生了前所未有的促進(jìn)作用，各種功用的數(shù)字化液壓組件不斷出現(xiàn)，液壓系統(tǒng)的數(shù)字化和微機(jī)化已成為發(fā)展潮流。同樣，數(shù)字化液壓組件的良好使用性，一方面滿足了用戶的需要，另一方面也對(duì)液壓組件的研制提出了全新理念。數(shù)字液壓元件主要有數(shù)字液壓閥、數(shù)字液壓缸、數(shù)字液壓泵、數(shù)字液壓馬達(dá)等。在液壓馬達(dá)上裝載數(shù)字液壓閥，可以精確地控制轉(zhuǎn)速，吊車旋轉(zhuǎn)將更加均勻，速度平穩(wěn)，內(nèi)置油缸變成數(shù)字缸，可以精確地控制大臂的角度。數(shù)字液壓技術(shù)主要有直接數(shù)字液壓技術(shù)和間接數(shù)字液壓技術(shù)（圖1）。

1.2 ? ?智能液壓技術(shù)

液壓技術(shù)的高級(jí)形式已發(fā)展到把編程后的芯片和液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件、能源裝置、檢測(cè)反饋裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、集成電路等匯成一體，形成智能液壓技術(shù)體系。農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械液壓系統(tǒng)在使用過程中會(huì)出現(xiàn)問題或故障，需及時(shí)解決。液壓系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)較隱蔽，并且不能通過外部觀察發(fā)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)故障[4]。對(duì)智能液壓系統(tǒng)提出更好的解決方案，將有助于保障我國(guó)工業(yè)化發(fā)展。液壓智能元件具備3種基本功能：液壓元件主體功能、液壓元件性能的控制功能與對(duì)液壓元件性能服務(wù)的總線及其通訊功能[5]。液壓智能元件可替代人工干預(yù)來完成元件的性能調(diào)節(jié)、控制與故障處理功能。例如，在PVG比例多路閥中，可用二位二通先導(dǎo)電磁數(shù)字閥的橋式回路閥組實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的三位四通電磁閥功能（圖2）。

1.3 ? ?新材料在液壓技術(shù)中的應(yīng)用

工程塑料、工程陶瓷、聚合物或涂敷料等新型材料的使用，可提高液壓元件質(zhì)量、降低成本，促進(jìn)液壓技術(shù)發(fā)展。鑄造工藝的發(fā)展，有助于優(yōu)化液壓元件內(nèi)部流動(dòng)、減少壓力損失、降低噪聲、促進(jìn)元件小型化和模塊化。在液壓技術(shù)中應(yīng)用的新材料有工程陶瓷、銅鋅鋁雙向記憶合金片、磁流體/磁流變流體材料、工程塑料、電鍍Cr/CrN復(fù)合涂層、壓電材料（PZT）等，具體如表1所示。

1.4 ? ?環(huán)保液壓技術(shù)

液壓系統(tǒng)具有工作壓力和流量可調(diào)性好、功率大、熱量可被帶回油箱等優(yōu)點(diǎn)。但值得注意的是，液壓傳動(dòng)存在多次能量轉(zhuǎn)換，而且液壓油箱會(huì)造成潛在環(huán)境污染和油的損耗。因此，液壓技術(shù)必須不斷改進(jìn)這些存在的缺點(diǎn)，提高液壓傳動(dòng)與控制的性能。環(huán)保液壓技術(shù)包括能量回收、能量損失降低、容積調(diào)速方式、直驅(qū)式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、去管路可降解液壓油等。

1.5 ? ?液壓仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用可以為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作、優(yōu)化以及控制等，特別是為不可控的動(dòng)態(tài)工作性能提供了一種檢驗(yàn)的技術(shù)手段，已經(jīng)成為比較成熟的理論且具有較高的實(shí)用價(jià)值[10]。仿真計(jì)算流程主要有以下幾個(gè)方面。一是建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)被模擬或被仿真的研究對(duì)象的工作機(jī)理、動(dòng)力學(xué)特性以及工作條件等，給出被研究對(duì)象的數(shù)學(xué)描述;二是模型解算方法的選擇;三是解算程序的編制和運(yùn)行;四是仿真過程的后處理部分。液壓仿真方法有計(jì)算流體力學(xué)（離散化和代數(shù)化），可以進(jìn)一步細(xì)分為有限差分法、有限元法、邊界元法等3種;鍵合圖法;多物理場(chǎng)耦合法;三維實(shí)時(shí)仿真技術(shù);并行仿真計(jì)算;多媒體仿真技術(shù);半物理仿真技術(shù);物理仿真技術(shù)。通過液壓仿真技術(shù)的應(yīng)用可達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期的目的?？梢暬－h(huán)境的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 ? ?現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 ? ?數(shù)字液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

挖掘機(jī)工作臂液壓系統(tǒng)原理如圖4（a）所示，通過操縱控制閥實(shí)現(xiàn)鏟斗缸、斗桿缸和動(dòng)臂缸的配合動(dòng)作，使挖掘機(jī)獲得各種掘入路線和角度，形成不同的工作面。但是，這種操作難度較大。為此，把上述3個(gè)普通液壓缸換成數(shù)字液壓缸，通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字液壓缸實(shí)施控制。經(jīng)過數(shù)控化改造后的計(jì)算機(jī)控制挖掘機(jī)液壓工作臂如圖4（b）所示[11]。

挖掘機(jī)的研發(fā)進(jìn)展十分迅速。取代挖掘機(jī)多路閥的數(shù)字液壓閥及缸已研發(fā)試制成功，數(shù)字變量液壓泵及數(shù)字變量液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)也全部完成，正進(jìn)行試制。全程數(shù)字液壓挖掘機(jī)樣機(jī)即將試制成功，并且投入作業(yè)試驗(yàn)[12]。

2.2 ? ?智能液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

目前，智能液壓元件的發(fā)展主要存在2個(gè)方向。一是針對(duì)傳統(tǒng)液壓元件做一定的智能化改造;二是采用新結(jié)構(gòu)（雙閥芯）的智能液壓元件[13]。智能化挖掘機(jī)是利用人工智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和信息物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)挖掘機(jī)的升級(jí)改造，集智能自主作業(yè)、智能感知、遠(yuǎn)程遙控、智能診斷功能為一體[14-15]（圖5）。該方法利用安裝在駕駛室上的攝像頭采集機(jī)械臂圖像，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將姿態(tài)信息反饋至控制系統(tǒng)，從而控制機(jī)械手。結(jié)果表明，該方法具有穩(wěn)定的分級(jí)性能，但該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較難解決。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像時(shí)間較長(zhǎng)或圖像采集速度較低會(huì)給控制系統(tǒng)帶來明顯的時(shí)滯，因而圖像處理速度是影響視覺伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素之一。

近年來，液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)被應(yīng)用到精密播種機(jī)中[16]。作業(yè)模式的提高對(duì)耕作機(jī)械的精度要求越來越高。播種作業(yè)是整個(gè)作業(yè)過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。受季節(jié)性等因素的影響，適期播種非常重要，因而對(duì)種子和肥料的播施深度要求也高。通過旋轉(zhuǎn)壓力旋鈕來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)速，進(jìn)而有效控制種子和肥料的播施深度。全液壓底盤驅(qū)動(dòng)方案已在植保機(jī)械、收獲機(jī)械上得到應(yīng)用，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制和遠(yuǎn)程操縱，滿足人們的要求[17]。

2.3 ? ?環(huán)保液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

此技術(shù)可提升機(jī)械能量變換的速率，提高體系作業(yè)速率。農(nóng)業(yè)機(jī)械體系動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特點(diǎn)逐漸彰顯，隨著此技術(shù)信息搜集處理、故障問題監(jiān)控技術(shù)等技術(shù)的逐漸優(yōu)化，非常有利于農(nóng)業(yè)環(huán)保工作的正常進(jìn)行[1]。液壓挖掘機(jī)科學(xué)避免現(xiàn)代化液壓挖掘機(jī)施工產(chǎn)生的噪聲、粉塵等污染已成必然，因而環(huán)保化、節(jié)能化與智能化是液壓挖掘機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[18]。搭載能量可回收液壓系統(tǒng)的吊機(jī)臂如圖6所示。

該系統(tǒng)在液壓缸下落工況時(shí)，液壓油流經(jīng)交流電機(jī)形成電流，從而產(chǎn)生電能，電能儲(chǔ)存到蓄電池中，可以回收再利用。EMB液壓混合傳動(dòng)單元使用一個(gè)先進(jìn)的蓄能器儲(chǔ)存制動(dòng)過程中的能量，然后，儲(chǔ)存在蓄能器中的能量被用于車輛下一次啟動(dòng)時(shí)的加速。一旦能量耗盡，將會(huì)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。不同于在電池中儲(chǔ)存能量的電力混合動(dòng)力系統(tǒng)，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)可以回收和重復(fù)使用70%的制動(dòng)能量[19]。

2.4 ? ?新材料液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

農(nóng)林、工程車輛在行駛過程中其載荷、路況、車速等行駛狀態(tài)會(huì)有很大的變化。阻尼可調(diào)減振器的應(yīng)用，克服了被動(dòng)減振器的單一外特性不能滿足車輛在多種工況下的阻尼力需求的缺點(diǎn)。在現(xiàn)有的阻尼可調(diào)減振器中，磁流變減振器的性能最好，但成本高。有研究提出了一種基于磁流變液擠壓模式的磁流變壓力控制閥，通過控制電流調(diào)節(jié)磁流變壓力控制閥的流量—壓力特性，實(shí)現(xiàn)減振器的阻尼可調(diào)，改善車輛的平順性[9]。磁流變閥控減振器的意義在于：一是磁流變閥控減振器能夠有效地衰減車身振動(dòng)，改善車輛的平順性;二是磁流變壓力控制閥利用了磁流變液擠壓模式的原理，在小的閥芯運(yùn)動(dòng)范圍能夠?qū)崿F(xiàn)大的壓力調(diào)節(jié)范圍;三是磁流變閥控減振器具有大的阻尼力調(diào)節(jié)范圍，能適應(yīng)車輛在不同行駛工況對(duì)阻尼力的需求。宋佳星[7]設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)伺服閥并研究了其特性，得到質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益好、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)的新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)型伺服閥，為智能液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

2.5 ? ?液壓仿真技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

劉亮亮[20]運(yùn)用了AMESim-Simulink軟件對(duì)旋耕機(jī)耕深控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過分析旋耕機(jī)耕深控制系統(tǒng)及相關(guān)田間旋耕作業(yè)要求確定其液壓系統(tǒng)原理圖，根據(jù)相關(guān)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)確定了包括工作壓力、所需旋耕部件功率以及旋耕作業(yè)時(shí)所需最大工作載荷等工作參數(shù)，并且對(duì)系統(tǒng)主要元件展開設(shè)計(jì)和選用。履帶自走式旋耕機(jī)如圖7所示。

寧圓盛等[21]對(duì)PD控制的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，仿真結(jié)果表明，控制器增益系數(shù)的調(diào)整，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，3種性能相互影響、相互制約。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，加入微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，振蕩次數(shù)減少，但自身抗干擾能力下降。該方法可用來分析不同控制環(huán)節(jié)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

3 ? ?現(xiàn)代液壓技術(shù)的應(yīng)用前景

3.1 ? ?多技術(shù)集成應(yīng)用

現(xiàn)代液壓技術(shù)逐漸形成多學(xué)科交叉的體系，涉及諸多先進(jìn)技術(shù)。隨著農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械的高精尖化發(fā)展，現(xiàn)代液壓技術(shù)必將成體系地為其服務(wù)。液壓仿真技術(shù)融入研發(fā)、教學(xué)、生產(chǎn)等一系列過程中，將更好地為液壓技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供高效、低成本的研發(fā)平臺(tái)[22]。

3.2 ? ?更加注重綠色環(huán)保

綠色環(huán)保理念深入人心，現(xiàn)代液壓技術(shù)將向綠色節(jié)能、高效可靠方向發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品使用的液壓裝置正向高壓化、小型化、高速化、耐高溫等方向發(fā)展[17]。由于農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械絕大部分的作業(yè)與周圍環(huán)境密切相關(guān)，對(duì)環(huán)境造成的影響最大，因而運(yùn)用綠色環(huán)保的液壓技術(shù)有重要意義。

3.3 ? ?新材料將為液壓技術(shù)發(fā)展應(yīng)用助力

新材料的發(fā)展應(yīng)用，會(huì)解決液壓元件設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用等問題。液壓系統(tǒng)的失效問題主要有密封防泄漏、耐高溫高壓、造價(jià)成本等，新材料的研發(fā)和投入使用，可解決諸多問題。農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械的工作環(huán)境惡劣，對(duì)液壓系統(tǒng)的性能要求較高，應(yīng)用新材料的液壓技術(shù)是農(nóng)林、工程機(jī)械的首選。

3.4 ? ?智能液壓技術(shù)將深入發(fā)展應(yīng)用

《中國(guó)制造2025》將農(nóng)業(yè)裝備定義為融合生物和農(nóng)藝技術(shù)，集成機(jī)械、電子、液壓、信息等高新技術(shù)的自動(dòng)化、信息化、智能化先進(jìn)裝備[19]。工程機(jī)械的發(fā)展也將邁入智能化發(fā)展道路。智能液壓技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用對(duì)農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械智能化發(fā)展至關(guān)重要。

4 ? ?結(jié)語

數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料的應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)、液壓仿真技術(shù)是現(xiàn)代液壓技術(shù)的主流技術(shù)。數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)等先進(jìn)液壓技術(shù)已部分裝備應(yīng)用于農(nóng)林、工程機(jī)械，提高了各項(xiàng)作業(yè)性能;液壓仿真技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)林、工程機(jī)械的研發(fā)、在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中極大地提高了研發(fā)效率。多技術(shù)集成應(yīng)用、更注重綠色環(huán)保、新材料發(fā)展應(yīng)用、智能液壓技術(shù)深入發(fā)展應(yīng)用成為現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林、工程機(jī)械裝備中的應(yīng)用趨勢(shì)。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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