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 054900）

0.引言

我國是工業(yè)大國，對于液壓元件技術的相關研究起步較早，在20世紀50年代就已經(jīng)開展，但是當時的液壓技術應用有限，僅在鍛壓設備、機床運作等方面應用，沒有自己的液壓元件生產技術能力，無法形成完備的工業(yè)體系。到了60年代中葉，我國陸續(xù)開始引進液壓元件的的生產技術，并且獨立自主進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開發(fā)經(jīng)驗，結合自身的實際情況進行改進，成為真正的液壓元件生產大國。不過新世紀以來，液壓技術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的新方向。本次研究集合當前智能技術趨勢，梳理已有液壓元件研究現(xiàn)狀的同時，展望液壓元件的未來發(fā)展方向，具體從集成化、環(huán)保化、節(jié)能化、便捷化等方面著手，希望能為相關研究提供相應的參考。

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

當前液壓元件的發(fā)展越來越有小型化和輕量化的趨勢，進而帶動整體液壓系統(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，通過相應的螺紋或者法蘭技術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)的復雜性，又方便對各個液壓元件進行維修、更換和升級。

基于集成化的需求，需要針對液壓元件的集成塊進行全新的布局設計，液壓集成塊的設計需要基于實際需求，針對不同的設備設計相應的液壓元件集成塊。當前，主流對于液壓集成塊的研究在于保證孔道的連通，進而降低整體集成塊的復雜性，所設計的液壓集成塊除了要保證孔道中油路連接準確，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，液壓集成塊的設計重點是對集成塊內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

隨著計算機技術、虛擬技術的迅猛發(fā)展，液壓集成塊空間布局的設計受到更加廣泛的關注。國內外學者、專家對液壓集成塊內部空間布局的問題進行了大量研究，顯著提高了液壓集成塊設計效率和質量。神經(jīng)網(wǎng)絡、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計帶來了很大的幫助。多種智能優(yōu)化算法讓復雜的液壓集成塊在布局結構和孔徑分布上盡可能接近最優(yōu)解。此外，液壓集成塊孔道設計的合理性檢測，也是一個難點。液壓集成塊的孔道設計是否滿足使用要求；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行研發(fā)，當前液壓元件智能化研究可以概括為對液壓元件進行開環(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時間快的系統(tǒng)中。由于目前各個領域對液壓控制系統(tǒng)的性能要求在不斷地提高，目前國內外多采用閉環(huán)控制的方式來控制壓力。

液壓元件技術在20世紀末就已經(jīng)陷入了瓶頸，而當前計算機技術的進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，許多技術不斷地應用到壓力控制系統(tǒng)中，使得壓力控制系統(tǒng)的應用變得十分廣泛。其中電液比例伺服技術在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，可以實現(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、響應快、功率大、結構緊湊、使用方便等優(yōu)點。長時間以來，國內外的專家學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控制系統(tǒng)，開發(fā)了一種基于相應智能平臺的電液壓力隨動控制算法，并通過實驗驗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測控制對某電液力控制系統(tǒng)進行了控制，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)高度非線性進行補償。實驗證明，采用廣義預測控制的系統(tǒng)，其性能指標和采用PID控制相比有了顯著提高，魯棒性更強[3]。

國內也有研究人員對液壓元件智能化進行研究，浙江大學的徐東教授團隊采用了基于電液比例控制技術的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)對原系統(tǒng)進行了改進。并針對改進后的液壓系統(tǒng)分析需求，分別對比例換向閥和比例溢流閥的結構和工作原理做了分析，并且設計了兩種閥獨立的壓力單、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在此基礎上設計了整個系統(tǒng)的電液比例壓力閉環(huán)控制。

山東大學的楊可森團隊設計了一臺基于電液比例控制技術的千斤頂壓力性能試驗機，試驗機的液壓系統(tǒng)采用比例溢流閥進行閉環(huán)壓力控制，能滿足士1%的試驗精度要求。

劉永團隊等進行了液壓系統(tǒng)流量、壓力閉環(huán)控制實驗研究，將流量和壓力閉環(huán)PID控制策略應用到流量和壓力控制系統(tǒng)，并進行了實驗分析。實驗結果表明流量和壓力閉環(huán)PID控制策略的控制效果好，抗擾動能力強。

魏志毅團隊在電液比例壓力控制系統(tǒng)中應用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡技術，運用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)絡控制器的系統(tǒng)仿真模型，并進行了動態(tài)特性分析。結果表明，相比于采用PID控制的系統(tǒng)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制的魯棒性好，超調量小，自適應能力強。

2.2 液壓元件智能化研究趨勢

從上述的研究內容可也看出，國內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實際應用的研究，其中控制策略的研究較多，有許多先進技術應用其中。在實際應用中是進行壓力控制系統(tǒng)的改進比較多，改進后的系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力閉環(huán)控制，實現(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)技術的發(fā)展，國內外溫度控制系統(tǒng)都在向著控制精度高、動態(tài)響應快和超調量小的方向發(fā)展。溫度控制方法主要有定值開關溫度控制法和PID溫度控制法：定值開關控制方法是比較傳統(tǒng)的控制方法，控制方法簡單，容易實現(xiàn)；PID溫度控制法采用溫度傳感器、加熱器等就可以實現(xiàn)溫度控制，首先設定好溫度上下限，當溫度達到上限時停止加熱，當溫度達到下限時開始加熱，同時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外主要使用的溫度控制方法。

Wagner Fontes Godoy團隊設計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，此種方法能夠提高生產過程中的效率[4]。

Aekarin Sungthonga團隊采用PID溫度控制方法對大型液壓系統(tǒng)的液壓元件進行溫度控制系統(tǒng)進行控制，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]。

徐曉東團隊對某型液壓試驗臺的液壓源溫度控制系統(tǒng)進行了設計，采用參數(shù)自整定模糊PID控制方法對系統(tǒng)進行控制，使油溫控制精度滿足精度要求。

趙樹忠團隊為壓鑄機的液壓系統(tǒng)設計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行控制，結果表明采用模糊PID控制方法的溫度控制系統(tǒng)具有響應速度快，無超調等優(yōu)點。

目前，國內外對液壓系統(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轉化為熱，從而使油液的溫度升高。例如，油液通過溢流閥溢流時損失的能量都會轉化為熱量。國內外液壓系統(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)的輔助動力源。在系統(tǒng)中采用蓄能器的同時能夠適當?shù)販p少泵和電機的容量，從而減少系統(tǒng)的能量消耗，實現(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根據(jù)負載的壓力和流量變化進行匹配，從而減少溢流閥的溢流損失，最終達到系統(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公司是生產機械手以及機器人附屬配件全球數(shù)一數(shù)二的公司。1989年，ATI公司為了機器人可多場景多功能應用，提高機器人的生產效率，開始進行機器人末端工具快換裝置的研制。機器人末端更換裝置可以使機器人末端執(zhí)行器與多種任務工具自動更換，滿足工作任務的各種需求，是QC-20型號的機器人末端工具快換裝置。此裝置主要由主盤和工具盤組成，主盤為標準的圓形柱狀結構，其內部設計了切換機構和鎖緊機構，具有較強的抗力矩能力和高的重復精度。其主盤連接在機器人末端上，當需要進行末端工具更換時，機器人靠近工具盤進行對接。通過壓縮空氣產生作用力推動切換結構運動，切換機構運動推動鎖緊鋼珠球向外運動，當鎖緊鋼珠球進入工具盤的鎖緊環(huán)內即可實現(xiàn)主盤與工具盤的鎖緊；當需要進行解鎖時，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，凸輪通過活塞驅動與工具盤鎖緊，保證在氣壓突然消失的時候，主盤與工具盤不會分離。該裝置保證了機器人末端更換裝置的柔順性，具有安全、可靠、重復定位精度高等優(yōu)點，減少了末端工具日常保養(yǎng)和維護更換的時間，提高了機器人的作業(yè)效率，保證生產正常有序進行。但AGI只提供了7種末端更換工具盤，限制了其應用場景。

5.我國液壓元件研究發(fā)展趨勢

從上述研究成果的時間順序上看，自20世紀70年代以來，隨著電子與計算機技術的發(fā)展與普及，帶動了液壓系統(tǒng)也發(fā)生了革新。各個前沿領域，諸如傳感器技術、微電子技術、計算機控制技術等與液壓元件的開發(fā)、液壓設備的設計、液壓系統(tǒng)的控制進行了結合，提高了生產效率的同時也帶動人們的思維發(fā)生轉變。尤其是90年代以來，液壓系統(tǒng)的各個方面的發(fā)展相較之前有了質的飛躍。我國在90年代引入相關技術的同時，不斷結合自身工業(yè)情況進行改進，液壓技術的進步也進一步奠定了我國工業(yè)大國的地位，我國液壓元件技術也想著精密化、智能化、自動化的方面發(fā)展。

我國當前液壓元件的研究主要集中在液壓元件的電子技術、電液控制和電液一體化等領域，這一方面是因為電子計算機技術與當前液壓工業(yè)的緊密結合帶來了明顯的發(fā)展，提高了整體工作效率，另一方面也是因為自新世紀以來液壓技術本身的發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸，但是計算機技術發(fā)展的進步越來越明顯，并且有著多元化的趨勢，在工業(yè)領域的計算機技術能夠更好地輔助該領域，所以各國研究人員目前關于液壓技術和液壓元件的研究領域集中在電液控制方面。

從我國目前發(fā)展軌跡來看，當前液壓元件整體趨勢可以概括為以下3點：第一點是基于計算機技術的液壓元件小型化和輕量化，帶動整體液壓系統(tǒng)的集成化；第二點是液壓元件的質量設計優(yōu)化和結構簡單化，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；第三點是基于當前環(huán)保趨勢而形成的清潔化、環(huán)保化和節(jié)能化，減少液壓系統(tǒng)運作所帶來的環(huán)境污染與能源不必要損耗。

6.總結

當前，液壓元件的發(fā)展趨勢仍是電子計算機相關技術帶動液壓元件技術進行升級進步。本文總結了關于當前液壓技術發(fā)展的各個方面，將液壓元件的整體趨勢概括為集成化、智能化、環(huán)保化3個方面。希望本文提出的觀點能為當前液壓技術發(fā)展提供一些參考空間，也希望將來能夠為液壓元件領域的進步做出貢獻。