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

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)在軍事工程機械與農(nóng)林機械上的應用，并進行了特征分析。結(jié)果表明，多技術(shù)集成化、綠色環(huán)保、智能化、新材料應用等將成為現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林機械及工程機械上的應用趨勢。

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

中圖分類號 ? ?S23 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）17-0136-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（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)是我國機械傳動領(lǐng)域中應用較廣泛的技術(shù)，其發(fā)展與更新的速度在不斷加快。為適應快速發(fā)展的現(xiàn)代機械化水平，液壓機械傳動技術(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[1]。現(xiàn)階段，應用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志[2]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)逐漸融合了機電一體化技術(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)。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化的快速發(fā)展以及各項重大工程的開工建設(shè)，對農(nóng)業(yè)機械與工程機械的性能要求越來越高。現(xiàn)代液壓技術(shù)集成應用到農(nóng)林機械、軍事工程機械，可使其破除發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)更高程度的飛躍。本文對現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林、軍事工程領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀進行探究，以期為我國農(nóng)林機械轉(zhuǎn)型升級、工程機械“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離散化或控制信號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)可以實現(xiàn)農(nóng)林機械、工程機械的智能化、高效率、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。計算機的日益發(fā)展和普及，對發(fā)展液壓組件產(chǎn)生了前所未有的促進作用，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)字液壓馬達等。在液壓馬達上裝載數(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)林機械、工程機械液壓系統(tǒng)在使用過程中會出現(xiàn)問題或故障，需及時解決。液壓系統(tǒng)故障發(fā)生時較隱蔽，并且不能通過外部觀察發(fā)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)故障[4]。對智能液壓系統(tǒng)提出更好的解決方案，將有助于保障我國工業(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，可用二位二通先導電磁數(shù)字閥的橋式回路閥組實現(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、減少壓力損失、降低噪聲、促進元件小型化和模塊化。在液壓技術(shù)中應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。但值得注意的是，液壓傳動存在多次能量轉(zhuǎn)換，而且液壓油箱會造成潛在環(huán)境污染和油的損耗。因此，液壓技術(shù)必須不斷改進這些存在的缺點，提高液壓傳動與控制的性能。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)中的應用可以為液壓系統(tǒng)的設(shè)計、操作、優(yōu)化以及控制等，特別是為不可控的動態(tài)工作性能提供了一種檢驗的技術(shù)手段，已經(jīng)成為比較成熟的理論且具有較高的實用價值[10]。仿真計算流程主要有以下幾個方面。一是建立數(shù)學模型。根據(jù)被模擬或被仿真的研究對象的工作機理、動力學特性以及工作條件等，給出被研究對象的數(shù)學描述;二是模型解算方法的選擇;三是解算程序的編制和運行;四是仿真過程的后處理部分。液壓仿真方法有計算流體力學（離散化和代數(shù)化），可以進一步細分為有限差分法、有限元法、邊界元法等3種;鍵合圖法;多物理場耦合法;三維實時仿真技術(shù);并行仿真計算;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)的應用可達到優(yōu)化設(shè)計、縮短設(shè)計周期的目的。可視化建模環(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)林機械、工程機械中的應用現(xiàn)狀

2.1 ? ?數(shù)字液壓技術(shù)的實際應用

挖掘機工作臂液壓系統(tǒng)原理如圖4（a）所示，通過操縱控制閥實現(xiàn)鏟斗缸、斗桿缸和動臂缸的配合動作，使挖掘機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個普通液壓缸換成數(shù)字液壓缸，通過計算機對數(shù)字液壓缸實施控制。經(jīng)過數(shù)控化改造后的計算機控制挖掘機液壓工作臂如圖4（b）所示[11]。

挖掘機的研發(fā)進展十分迅速。取代挖掘機多路閥的數(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)字變量液壓馬達設(shè)計也全部完成，正進行試制。全程數(shù)字液壓挖掘機樣機即將試制成功，并且投入作業(yè)試驗[12]。

2.2 ? ?智能液壓技術(shù)的實際應用

目前，智能液壓元件的發(fā)展主要存在2個方向。一是針對傳統(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]。智能化挖掘機是利用人工智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、機器人技術(shù)和信息物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)挖掘機的升級改造，集智能自主作業(yè)、智能感知、遠程遙控、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)，從而控制機械手。結(jié)果表明，該方法具有穩(wěn)定的分級性能，但該系統(tǒng)的實時性較難解決。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像時間較長或圖像采集速度較低會給控制系統(tǒng)帶來明顯的時滯，因而圖像處理速度是影響視覺伺服控制系統(tǒng)實時性的主要因素之一。

近年來，液壓驅(qū)動技術(shù)被應用到精密播種機中[16]。作業(yè)模式的提高對耕作機械的精度要求越來越高。播種作業(yè)是整個作業(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)風機輸出風速，進而有效控制種子和肥料的播施深度。全液壓底盤驅(qū)動方案已在植保機械、收獲機械上得到應用，易于實現(xiàn)自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足人們的要求[17]。

2.3 ? ?環(huán)保液壓技術(shù)的實際應用

此技術(shù)可提升機械能量變換的速率，提高體系作業(yè)速率。農(nóng)業(yè)機械體系動力學特點、動態(tài)特點逐漸彰顯，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)保工作的正常進行[1]。液壓挖掘機科學避免現(xiàn)代化液壓挖掘機施工產(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的發(fā)展趨勢[18]。搭載能量可回收液壓系統(tǒng)的吊機臂如圖6所示。

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

2.4 ? ?新材料液壓技術(shù)的實際應用

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)會有很大的變化。阻尼可調(diào)減振器的應用，克服了被動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。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，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，在小的閥芯運動范圍能夠?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，能適應車輛在不同行駛工況對阻尼力的需求。宋佳星[7]設(shè)計了壓電陶瓷驅(qū)動伺服閥并研究了其特性，得到質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟效益好、動態(tài)性能優(yōu)的新型壓電陶瓷驅(qū)動型伺服閥，為智能液壓驅(qū)動技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

2.5 ? ?液壓仿真技術(shù)的實際應用

劉亮亮[20]運用了AMESim-Simulink軟件對旋耕機耕深控制系統(tǒng)進行研究。通過分析旋耕機耕深控制系統(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)計手冊確定了包括工作壓力、所需旋耕部件功率以及旋耕作業(yè)時所需最大工作載荷等工作參數(shù)，并且對系統(tǒng)主要元件展開設(shè)計和選用。履帶自走式旋耕機如圖7所示。

寧圓盛等[21]對PD控制的液壓系統(tǒng)進行了建模分析，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、準確性、快速性，3種性能相互影響、相互制約。當系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，加入微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的響應速度提高，穩(wěn)定性增強，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)對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

3 ? ?現(xiàn)代液壓技術(shù)的應用前景

3.1 ? ?多技術(shù)集成應用

現(xiàn)代液壓技術(shù)逐漸形成多學科交叉的體系，涉及諸多先進技術(shù)。隨著農(nóng)林機械、工程機械的高精尖化發(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、生產(chǎn)等一系列過程中，將更好地為液壓技術(shù)進一步發(fā)展提供高效、低成本的研發(fā)平臺[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)林機械、工程機械絕大部分的作業(yè)與周圍環(huán)境密切相關(guān)，對環(huán)境造成的影響最大，因而運用綠色環(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)展應用助力

新材料的發(fā)展應用，會解決液壓元件設(shè)計、制造、應用等問題。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)林機械、工程機械的工作環(huán)境惡劣，對液壓系統(tǒng)的性能要求較高，應用新材料的液壓技術(shù)是農(nóng)林、工程機械的首選。

3.4 ? ?智能液壓技術(shù)將深入發(fā)展應用

《中國制造2025》將農(nóng)業(yè)裝備定義為融合生物和農(nóng)藝技術(shù)，集成機械、電子、液壓、信息等高新技術(shù)的自動化、信息化、智能化先進裝備[19]。工程機械的發(fā)展也將邁入智能化發(fā)展道路。智能液壓技術(shù)的發(fā)展應用對農(nóng)林機械、工程機械智能化發(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)、新材料應用、環(huán)保液壓技術(shù)等先進液壓技術(shù)已部分裝備應用于農(nóng)林、工程機械，提高了各項作業(yè)性能;液壓仿真技術(shù)已應用于農(nóng)林、工程機械的研發(fā)、在優(yōu)化設(shè)計過程中極大地提高了研發(fā)效率。多技術(shù)集成應用、更注重綠色環(huán)保、新材料發(fā)展應用、智能液壓技術(shù)深入發(fā)展應用成為現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林、工程機械裝備中的應用趨勢。

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