液壓元件的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

黃建安 石東奎 商雪

（河北華春液壓汽配有限公司，河北邢臺(tái) 054900）

0.引言

我國是工業(yè)大國，對于液壓元件技術(shù)的相關(guān)研究起步較早，在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)開展，但是當(dāng)時(shí)的液壓技術(shù)應(yīng)用有限，僅在鍛壓設(shè)備、機(jī)床運(yùn)作等方面應(yīng)用，沒有自己的液壓元件生產(chǎn)技術(shù)能力，無法形成完備的工業(yè)體系。到了60年代中葉，我國陸續(xù)開始引進(jìn)液壓元件的的生產(chǎn)技術(shù)，并且獨(dú)立自主進(jìn)行液壓元件的研究和開啊。到了90年代，我國全面吸收國外的液壓元件技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，成為真正的液壓元件生產(chǎn)大國。不過新世紀(jì)以來，液壓技術(shù)和液壓元件研究都陷入了停滯，各國也在積極研究液壓技術(shù)的新方向。本次研究集合當(dāng)前智能技術(shù)趨勢，梳理已有液壓元件研究現(xiàn)狀的同時(shí)，展望液壓元件的未來發(fā)展方向，具體從集成化、環(huán)?；⒐?jié)能化、便捷化等方面著手，希望能為相關(guān)研究提供相應(yīng)的參考。

1.液壓元件集成研究現(xiàn)狀與趨勢

1.1 液壓元件集成化研究現(xiàn)狀

當(dāng)前液壓元件的發(fā)展越來越有小型化和輕量化的趨勢，進(jìn)而帶動(dòng)整體液壓系統(tǒng)的集成化發(fā)展。液壓元件集成化可以概括為將原有液壓元件布置在集成塊表面，通過相應(yīng)的螺紋或者法蘭技術(shù)將集成塊上的液壓元件連接，這樣既減少了整體液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，又方便對各個(gè)液壓元件進(jìn)行維修、更換和升級(jí)。

基于集成化的需求，需要針對液壓元件的集成塊進(jìn)行全新的布局設(shè)計(jì)，液壓集成塊的設(shè)計(jì)需要基于實(shí)際需求，針對不同的設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)的液壓元件集成塊。當(dāng)前，主流對于液壓集成塊的研究在于保證孔道的連通，進(jìn)而降低整體集成塊的復(fù)雜性，所設(shè)計(jì)的液壓集成塊除了要保證孔道中油路連接準(zhǔn)確，還要保證孔道間有合適的壁厚，不能被油液擊穿。孔道要盡可能以直角相交，避免打斜孔，同時(shí)保證液壓集成塊油口之間的間距，給工人留有足夠的操作空間。所以，液壓集成塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對集成塊內(nèi)部孔徑空間布局的研究[1]。

1.2 液壓元件集成化發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，液壓集成塊空間布局的設(shè)計(jì)受到更加廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者、專家對液壓集成塊內(nèi)部空間布局的問題進(jìn)行了大量研究，顯著提高了液壓集成塊設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等智能優(yōu)化算法對液壓集成塊空間布局的設(shè)計(jì)帶來了很大的幫助。多種智能優(yōu)化算法讓復(fù)雜的液壓集成塊在布局結(jié)構(gòu)和孔徑分布上盡可能接近最優(yōu)解。此外，液壓集成塊孔道設(shè)計(jì)的合理性檢測，也是一個(gè)難點(diǎn)。液壓集成塊的孔道設(shè)計(jì)是否滿足使用要求；孔道、液壓元件之間的間隙是否合理，是否存在干涉。這些都需要檢測驗(yàn)證，許多公司、高校都在孔道校核方面也做了大量研究工作[2]。

2.液壓元件智能化研究現(xiàn)狀與趨勢

2.1 液壓元件智能化研究現(xiàn)狀

液壓元件的智能化是基于上述液壓元件集成化趨勢進(jìn)行研發(fā)，當(dāng)前液壓元件智能化研究可以概括為對液壓元件進(jìn)行開環(huán)控制與閉環(huán)控制。閉環(huán)控制與開環(huán)控制的區(qū)別在于閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在反饋環(huán)節(jié)，開環(huán)控制的方式常用于對控制精度要求較低的系統(tǒng)，而閉環(huán)控制方式經(jīng)常用于控制精度要求高和響應(yīng)時(shí)間快的系統(tǒng)中。由于目前各個(gè)領(lǐng)域?qū)σ簤嚎刂葡到y(tǒng)的性能要求在不斷地提高，目前國內(nèi)外多采用閉環(huán)控制的方式來控制壓力。

液壓元件技術(shù)在20世紀(jì)末就已經(jīng)陷入了瓶頸，而當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步則將其代入了全新的發(fā)展模式。隨著液壓工業(yè)的發(fā)展，許多技術(shù)不斷地應(yīng)用到壓力控制系統(tǒng)中，使得壓力控制系統(tǒng)的應(yīng)用變得十分廣泛。其中電液比例伺服技術(shù)在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的閉環(huán)壓力控制。電液比例伺服壓力控制系統(tǒng)具有精度高、響應(yīng)快、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。長時(shí)間以來，國內(nèi)外的專家學(xué)者們在電液壓力控制系統(tǒng)方面做了大量的研究。一部分國外研究人員研究了閥控缸的電液壓力隨動(dòng)控制系統(tǒng)，開發(fā)了一種基于相應(yīng)智能平臺(tái)的電液壓力隨動(dòng)控制算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的可行性。另一部分國外研究人員采用了廣義預(yù)測控制對某電液力控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制，控制策略考慮了系統(tǒng)剛度變化和液壓元件特性的變化帶來的影響，并針對系統(tǒng)高度非線性進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證明，采用廣義預(yù)測控制的系統(tǒng)，其性能指標(biāo)和采用PID控制相比有了顯著提高，魯棒性更強(qiáng)[3]。

國內(nèi)也有研究人員對液壓元件智能化進(jìn)行研究，浙江大學(xué)的徐東教授團(tuán)隊(duì)采用了基于電液比例控制技術(shù)的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)對原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。并針對改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)分析需求，分別對比例換向閥和比例溢流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理做了分析，并且設(shè)計(jì)了兩種閥獨(dú)立的壓力單、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的電液比例壓力閉環(huán)控制。

山東大學(xué)的楊可森團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于電液比例控制技術(shù)的千斤頂壓力性能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)采用比例溢流閥進(jìn)行閉環(huán)壓力控制，能滿足士1%的試驗(yàn)精度要求。

劉永團(tuán)隊(duì)等進(jìn)行了液壓系統(tǒng)流量、壓力閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)研究，將流量和壓力閉環(huán)PID控制策略應(yīng)用到流量和壓力控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流量和壓力閉環(huán)PID控制策略的控制效果好，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。

魏志毅團(tuán)隊(duì)在電液比例壓力控制系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真工具分別搭建了采用PID控制器和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。結(jié)果表明，相比于采用PID控制的系統(tǒng)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的魯棒性好，超調(diào)量小，自適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.2 液壓元件智能化研究趨勢

從上述的研究內(nèi)容可也看出，國內(nèi)外液壓元件的智能化的研究包括控制策略的研究和電液比例伺服技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的研究，其中控制策略的研究較多，有許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用其中。在實(shí)際應(yīng)用中是進(jìn)行壓力控制系統(tǒng)的改進(jìn)比較多，改進(jìn)后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)壓力的精確控制。

3.液壓元件環(huán)保與節(jié)能化研究

液壓元件的溫度控制能夠有效降低能源損耗，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)都在向著控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和超調(diào)量小的方向發(fā)展。溫度控制方法主要有定值開關(guān)溫度控制法和PID溫度控制法：定值開關(guān)控制方法是比較傳統(tǒng)的控制方法，控制方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)；PID溫度控制法采用溫度傳感器、加熱器等就可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，首先設(shè)定好溫度上下限，當(dāng)溫度達(dá)到上限時(shí)停止加熱，當(dāng)溫度達(dá)到下限時(shí)開始加熱，同時(shí)可以配合冷卻器使用。但由于溫度慣性大，此種控制方法精度低，有很強(qiáng)的滯后性。

PID溫度控制法是在硬件中嵌入PID電路或是在控制算法中加入PID，加入的PID的環(huán)節(jié)考慮了系統(tǒng)中的誤差，對滯后的系統(tǒng)進(jìn)行了校正，溫度控制效果好，控制精度較高，PID溫度控制方法是目前國內(nèi)外主要使用的溫度控制方法。

Wagner Fontes Godoy團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種用于小型液壓系統(tǒng)的溫度控制方法，該方法使用模糊控制器為PID控制器提供參考信號(hào)，此種方法能夠提高生產(chǎn)過程中的效率[4]。

Aekarin Sungthonga團(tuán)隊(duì)采用PID溫度控制方法對大型液壓系統(tǒng)的液壓元件進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，用粒子群優(yōu)化方法和遺傳算法對PID控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高了閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的性能[5]。

徐曉東團(tuán)隊(duì)對某型液壓試驗(yàn)臺(tái)的液壓源溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用參數(shù)自整定模糊PID控制方法對系統(tǒng)進(jìn)行控制，使油溫控制精度滿足精度要求。

趙樹忠團(tuán)隊(duì)為壓鑄機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套溫度控制系統(tǒng)，采用模糊PID控制方法對油液溫度進(jìn)行控制，結(jié)果表明采用模糊PID控制方法的溫度控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，無超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對液壓系統(tǒng)節(jié)能方式的研究主要集中在如何提高液壓系統(tǒng)能量利用率以及如何減小系統(tǒng)的壓力和流量損失。液壓系統(tǒng)中損失的能量大部分都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱，從而使油液的溫度升高。例如，油液通過溢流閥溢流時(shí)損失的能量都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。國內(nèi)外液壓系統(tǒng)節(jié)能方式包括在系統(tǒng)中安裝蓄能器、采用變量泵、采用定量泵與比例閥的壓力匹配系統(tǒng)等。蓄能器能夠用于貯存能量，可以作為系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源。在系統(tǒng)中采用蓄能器的同時(shí)能夠適當(dāng)?shù)販p少泵和電機(jī)的容量，從而減少系統(tǒng)的能量消耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。在系統(tǒng)中采用變量泵，變量泵壓力和流量會(huì)根據(jù)負(fù)載的壓力和流量變化進(jìn)行匹配，從而減少溢流閥的溢流損失，最終達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的效果。采用定量泵與比例閥壓力匹配的系統(tǒng)，能使泵的供油壓力隨著負(fù)載壓力的變化而變化，從而降低系統(tǒng)功率消耗。

4.液壓元件輔助維修研究

美國ATI公司是生產(chǎn)機(jī)械手以及機(jī)器人附屬配件全球數(shù)一數(shù)二的公司。1989年，ATI公司為了機(jī)器人可多場景多功能應(yīng)用，提高機(jī)器人的生產(chǎn)效率，開始進(jìn)行機(jī)器人末端工具快換裝置的研制。機(jī)器人末端更換裝置可以使機(jī)器人末端執(zhí)行器與多種任務(wù)工具自動(dòng)更換，滿足工作任務(wù)的各種需求，是QC-20型號(hào)的機(jī)器人末端工具快換裝置。此裝置主要由主盤和工具盤組成，主盤為標(biāo)準(zhǔn)的圓形柱狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了切換機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗力矩能力和高的重復(fù)精度。其主盤連接在機(jī)器人末端上，當(dāng)需要進(jìn)行末端工具更換時(shí)，機(jī)器人靠近工具盤進(jìn)行對接。通過壓縮空氣產(chǎn)生作用力推動(dòng)切換結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，切換機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)鎖緊鋼珠球向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鎖緊鋼珠球進(jìn)入工具盤的鎖緊環(huán)內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)主盤與工具盤的鎖緊；當(dāng)需要進(jìn)行解鎖時(shí)，反向壓縮空氣，鋼珠球在摩擦力的作用下反向縮回主盤，即可實(shí)現(xiàn)兩盤的快速分離。

AGI公司研制的凸輪式鎖緊快換裝置采用凸輪式鎖緊，凸輪通過活塞驅(qū)動(dòng)與工具盤鎖緊，保證在氣壓突然消失的時(shí)候，主盤與工具盤不會(huì)分離。該裝置保證了機(jī)器人末端更換裝置的柔順性，具有安全、可靠、重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，減少了末端工具日常保養(yǎng)和維護(hù)更換的時(shí)間，提高了機(jī)器人的作業(yè)效率，保證生產(chǎn)正常有序進(jìn)行。但AGI只提供了7種末端更換工具盤，限制了其應(yīng)用場景。

5.我國液壓元件研究發(fā)展趨勢

從上述研究成果的時(shí)間順序上看，自20世紀(jì)70年代以來，隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，帶動(dòng)了液壓系統(tǒng)也發(fā)生了革新。各個(gè)前沿領(lǐng)域，諸如傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等與液壓元件的開發(fā)、液壓設(shè)備的設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)的控制進(jìn)行了結(jié)合，提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)也帶動(dòng)人們的思維發(fā)生轉(zhuǎn)變。尤其是90年代以來，液壓系統(tǒng)的各個(gè)方面的發(fā)展相較之前有了質(zhì)的飛躍。我國在90年代引入相關(guān)技術(shù)的同時(shí)，不斷結(jié)合自身工業(yè)情況進(jìn)行改進(jìn)，液壓技術(shù)的進(jìn)步也進(jìn)一步奠定了我國工業(yè)大國的地位，我國液壓元件技術(shù)也想著精密化、智能化、自動(dòng)化的方面發(fā)展。

我國當(dāng)前液壓元件的研究主要集中在液壓元件的電子技術(shù)、電液控制和電液一體化等領(lǐng)域，這一方面是因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)技術(shù)與當(dāng)前液壓工業(yè)的緊密結(jié)合帶來了明顯的發(fā)展，提高了整體工作效率，另一方面也是因?yàn)樽孕率兰o(jì)以來液壓技術(shù)本身的發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸，但是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步越來越明顯，并且有著多元化的趨勢，在工業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠更好地輔助該領(lǐng)域，所以各國研究人員目前關(guān)于液壓技術(shù)和液壓元件的研究領(lǐng)域集中在電液控制方面。

從我國目前發(fā)展軌跡來看，當(dāng)前液壓元件整體趨勢可以概括為以下3點(diǎn)：第一點(diǎn)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的液壓元件小型化和輕量化，帶動(dòng)整體液壓系統(tǒng)的集成化；第二點(diǎn)是液壓元件的質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)簡單化，能夠方便液壓系統(tǒng)的檢修和拆裝，節(jié)省液壓元件制造成本；第三點(diǎn)是基于當(dāng)前環(huán)保趨勢而形成的清潔化、環(huán)?；凸?jié)能化，減少液壓系統(tǒng)運(yùn)作所帶來的環(huán)境污染與能源不必要損耗。

6.總結(jié)

當(dāng)前，液壓元件的發(fā)展趨勢仍是電子計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)帶動(dòng)液壓元件技術(shù)進(jìn)行升級(jí)進(jìn)步。本文總結(jié)了關(guān)于當(dāng)前液壓技術(shù)發(fā)展的各個(gè)方面，將液壓元件的整體趨勢概括為集成化、智能化、環(huán)?；?個(gè)方面。希望本文提出的觀點(diǎn)能為當(dāng)前液壓技術(shù)發(fā)展提供一些參考空間，也希望將來能夠?yàn)橐簤涸I(lǐng)域的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。