液压技术的现状、发展动向

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,液压控制技术的现状及展望,山 东 大 学,机械工程学院,报告人,：,刘延俊 教授,一、国内,液,液压技术,现,现状,（1）整,个,个行业现,状,状,近年来，,虽,虽然液压,技,技术外于,与,与其他传,动,动和控制,技,技术的竞,争,争中，但,还,还是呈现,比,比较高的,发,发展速度,。,。我国液,压,压行业已,形,形成了门,类,类齐全、,有,有一定生,产,产能力和,技,技术水平,、,、初具规,模,模的生产,科,科研体系,。,。目前全,国,国约有近400,家,家企业，,有,有些大学,（,（浙大、,哈,哈工大、,华,华南理工,大,大）设有,流,流体传动,与,与控制专,业,业，每个,工,工科类高,校,校都将液,压,压控制技,术,术作为必,修,修课，还,有,有国家级,液,液压元件,质,质量监督,检,检测中心,以,以及国家,重,重点实验,室,室。我国,液,液压工业,已,已可为工,程,程机械、,农,农业机械,、,、塑机、,冶,冶金、矿,山,山、石油,化,化工、铁,路,路、船舶,、,、轻工机,械,械等提供,比,比较齐全,的,的产品，,目,目前，液,压,压元件产,品,品约有1000个,品,品种，近10000个规格,。,。液压产,品,品占GDP的比重,也,也逐渐增,加,加。,1、农业,机,机械2,、,、工程机,械,械3、,机,机床4,、,、塑机,5、汽车6、冶,金,金设备7、石油,化,化工8,、,、其他,图1,国,国产液压,产,产品销售,去,去向,通过科技,攻,攻关和技,术,术引进，,产,产品水平,有,有一定提,高,高，生产,出,出一些具,有,有世界水,平,平的产品,，,，另外，,在,在CAD,和,和CAT 技术,、,、污染控,制,制、故障,诊,诊断、机,电,电一体化,、,、海水及,高,高水基溶,液,液的应用,、,、现代控,制,制技术的,应,应用等方,面,面也取得,可,可喜成果,，,，不少已,应,应用于生,产,产。我国,液,液压工业,重,重视同国,外,外企业进,行,行有效的,经,经济和技,术,术合作，,近,近年来先,后,后从国外,引,引进了很,多,多液压元,件,件和液压,系,系统等制,造,造技术，,为,为提高产,品,品水平和,生,生产能力,起,起到了重,要,要作用。,目,目前已和,美,美国、日,本,本、德国,共,共同建立,了,了某些合,资,资企业，,这,这些企业,将,将推动我,国,国液压工,业,业的发展,。,。,（2）液压,产,产品构成,比,比分析,近年来，,由,由于主机,产,产品发展,的,的需要，,产,产品品种,构,构成有所,变,变化:,A、柱塞,泵,泵构成比,有,有增长趋,势,势，齿轮,泵,泵变化不,大,大，而叶,片,片泵则下,降,降了。,B、柱塞,马,马达构成,比,比有增长,趋,趋势。,C、阀门,、,、通用三,类,类阀门占,总,总产量的,比,比例有减,少,少趋势，,叠,叠加阀、,插,插装阀、,比,比例阀、,多,多路阀等,所,所占比例,将,将显著增,加,加，电磁,换,换向阀产,量,量和销售,额,额占的比,重,重最大。,D、由于,重,重视液压,系,系统污染,控,控制，过,滤,滤器销售,额,额有显著,增,增长。,二,、,液压控制,技,技术的历,史,史回顾,现代液压,控,控制技术,是,是在古老,的,的水压传,动,动技术的,基,基础上发,展,展和完善,起,起来的。,液,液压传动,的,的基本原,理,理Pascal,原,原理是Pascal 在17 世,纪,纪发现的,。,。第一个,将,将这一原,理,理用于手,工,工业生产,的,的英国人,Jeseph.Brama,(17491814),研,研制了水,压,压机。,19 世,纪,纪后半叶,，,，,W.G.Arm2strong,研制了以,水,水为介质,的,的液压机,械,械和元件,，,，主要用,于,于船舶锚,机,机和起重,机,机上。由,于,于纯水存,在,在粘度低,、,、润滑性,能,能差和易,造,造成元件,腐,腐蚀等缺,点,点，同时,也,也由于电,机,机和电驱,动,动的发展,，,，使液压,技,技术停滞,不,不前。,20 世,纪,纪初叶，,Janny,研制成功,以,以油液为,介,介质的轴,向,向柱塞机,械,械(1905年),。,。,HeleShaw,和,HansThoma,先后研制,成,成功以油,液,液为介质,的,的径向柱,塞,塞机械(1910,1922)，标,志,志着液压,技,技术发展,到,到油压技,术,术阶段。,第二次世,界,界大战期,间,间，尤其20世纪6070年代，,液,液压技术,得,得到了快,速,速发展并,日,日臻完善,，,，并进入,到,到稳定成,熟,熟的发展,时,时期。可,以,以预见，,除,除液压元,件,件大型化,、,、高压、,微,微型化及,计,计算机技,术,术、信息,技,技术、微,电,电子技术,与,与液压技,术,术融为一,体,体外，液,压,压技术难,以,以形成重,大,大突破。,伴随着液,压,压技术的,发,发展，液,压,压控制元,件,件发生了,革,革命性的,变,变化。最,初,初大都采,用,用直动式,机,机械机构,，,，直到20世纪30年代,Vickers,发明了先,导,导式压力,控,控制阀以,及,及,稍后电磁,阀,阀和电液,换,换向滑阀,问,问世，先,导,导控制形,式,式趋于多,样,样化。1950年,Moog,研制成功,采,采用微小,信,信号功率,的,的电液伺,服,服阀，1970年,前,前后信号,功,功率介于,开,开关控制,和,和伺服控,制,制之间的,比,比例阀问,世,世。此后,，,，伴随微,电,电子集成,和,和数字化,技,技术的快,速,速进步，,机,机电,液,液一体化,控,控制技术,得,得到长足,发,发展，特,别,别是以电,液,液先导控,制,制为技术,特,特征的液,压,压控制技,术,术趋于成,熟,熟。,在主级结,构,构上，早,期,期采用水,介,介质是液,压,压控制元,件,件大多选,择,择锥阀结,构,构。20,世,世纪油压,控,控制发展,后,后圆柱滑,阀,阀结构成,为,为主流。1970,年,年前后三,大,大类板式,连,连接液压,阀,阀分别统,一,一到标准,的,的安装连,接,接尺寸（,行,行走机械,中,中多路阀,为,为例外）,。,。与此同,时,时，基于,“,“液压,阻,阻力回路,系,系统学（,液,液阻理论,）,）”和,DIN24342,安装连接,尺,尺寸的二,通,通插装阀,以,以及用于,行,行走机械,的,的螺纹插,装,装阀问世,并,并得到,解决并快,速,速发展，,使,使得滑阀,结,结构和板,阀,阀结构受,到,到冲击和,挤,挤压。图2表达了,液,液压阀的,构,构成格局,，,，反映了,滑,滑阀式结,构,构趋于被,座,座阀式结,构,构挤压和,侵,侵入的状,况,况。,图2,液,液压控制,元,元件结构,和,和连接形,式,式的发展,历,历程,注：,21世纪,板,板式连接,将,将受到两,头,头挤压和,冲,冲击较大,规,规格一端,被,被二通插,装,装阀向下,挤,挤压，较,小,小规格一,端,端则被螺,纹,纹插装阀,向,向上挤压,三,三者重合,部,部分特别,是,是规格NG25以,下,下多种形,式,式将面临,优,优胜劣汰,，,，部分板,式,式阀将日,显,显产品寿,命,命告终，,而,而插装阀,的,的优势将,进,进一步彰,显,显。,先导式换,向,向阀的发,展,展,钻孔式阀,体,体,图3,先,先导式换,向,向阀的历,程,程,Rexroth,公司电液,换,换向阀40年发展,演,演变的情,况,况,图4,电,电液换向,阀,阀和二通,插,插装阀的,过,过流能力,在连接形,式,式上，从,管,管式连接,到,到板式“,安,安装面”,连,连接，发,展,展到叠加,式,式组合化,和,和插式“,安,安装孔”,集,集成化连,接,接。在功,能,能复合方,面,面，液压,阀,阀从单一,功,功能的单,立,立元件发,展,展到多功,能,能复合集,成,成，尤其,是,是行走机,械,械上负载,感,感应和功,率,率协调控,制,制做到了,高,高度的集,成,成化复合,控,控制。,三、液压,控,控制技术,的,的发展形,势,势,（一）节,能,能、环保,节能、环,保,保是为了,达,达到更好,地,地保护地,球,球环境，,有,有效地活,用,用能源和,低,低噪声的,目,目的。水,本,本身固有,的,的清洁性,和,和阻燃性,，,，满足现,代,代社会对,工,工程提出,的,的环境保,护,护和安全,要,要求，这,也,也是近几,年,年来水压,传,传动技术,重,重新被人,们,们青睐的,根,根本原因,液,液压传动,技,技术经历,了,了从水压,到,到油压的,发,发展阶段,，,，目前又,在,在向水压,传,传动方向,进,进展。加,之,之新材料,技,技术和精,密,密加工技,术,术的进步,，,，基本克,服,服了初始,水,水压传动,存,存在的易,腐,腐蚀、泄,露,露、效率,低,低等缺点,，,，使现代,液,液压进入,了,了现代水,压,压传动的,研,研究和应,用,用阶段。,现代水压,传,传动技术,的,的研究始,于,于美国。1967,年,年美国,的,的,Vickers,公司的,J.R.Ryan,发表了高,压,压海水泵,工,工程材料,的,的研究报,告,告。首开,现,现代水压,传,传动技术,研,研究之先,河,河。1991年，,美,美国研制,成,成功水压,冲,冲击钻和,圆,圆盘锯，,组,组成水下,作,作业工具,系,系统、交,付,付海军水,下,下工程队,使,使用。南,非,非也是从,事,事水压传,动,动研究较,早,早的国家,，,，70,年,年代后期,开,开始研制,水,水压凿岩,机,机，1990年研,制,制成乳化,液,液凿岩机,，,，稍后又,研,研制平持,式,式纯水凿,岩,岩机，性,能,能显著优,于,于气动凿,岩,岩机，且,成,成本低。80年代,初,初期，美,国,国、英国,、,、芬兰、,丹,丹麦、日,本,本、德国,等,等国家一,直,直投入巨,大,大人力、,物,物力和财,力,力，从事,纯,纯水液压,技,技术的研,究,究和开发,，,，并取得,重,重大进展,。,。,目前国,内,内纯水,液,液压元,件,件的压,力,力等级,已,已达到1421MPa中,高,高水平,，,，流量,规,规格从,几,几十升,到,到上千,升,升，并,有,有纯水,比,比例方,向,向阀和,伺,伺服阀,问,问世。,在,在西方,工,工业发,达,达的国,家,家，纯,水,水液压,传,传动已,在,在食品,加,加工业,、,、焊接,机,机器人,、,、轧钢,生,生产线,上,上等得,到,到应用,，,，并有,向,向工程,机,机械、,通,通用机,械,械扩展,的,的趋势,。,。国内,开,开展水,压,压传动,技,技术的,研,研究较,早,早的是,华,华中理,工,工大学,。,。自1983,年,年以来,，,，华中,理,理工大,学,学主要,从,从事高,水,水基液,压,压液及,元,元件和,系,系统的,研,研究工,作,作。1996,年,年完成,海,海水液,压,压泵实,验,验研究,。,。近来,，,，浙江,大,大学投,入,入大量,人,人力、,物,物力和,财,财力，,从,从事纯,水,水液压,技,技术的,研,研究工,作,作。总,之,之，这,方,方面的,研,研究工,作,作仍局,限,限于高,等,等学校,，,，缺乏,大,大型企,业,业的参,与,与。,评价一,个,个国家,的,的综合,国,国力强,弱,弱的标,志,志是对,外,外层空,间,间和海,洋,洋的利,用,用能力,。,。目前,和,和将来,，,，国家,实,实力的,较,较量不,仅,仅在天,上,上，而,且,且在海,洋,洋，,开,开发和,利,利用公,海,海海底,矿,矿产资,源,源日益,引,引起国,际,际社会,的,的广泛,关,关注。,目,目前，,美,美国、,俄,俄罗斯,、,、日本,、,、法国,和,和中国,都,都在进,行,行海底,资,资源的,调,调查和,开,开采研,究,究工作,大,大洋金,属,属结构,开,开采采,用,用液体,提,提升采,矿,矿法，,有,有自动,集,集矿机,，,，扬矿(提升) 子,系,系统、,监,监控子,系,系统、,采,采矿船,和,和运输,支,支持子,系,系统五,大,大部分,组,组成。,其,其中集,矿,矿机和,提,提升泵,等,等关键,设,设备都,涉,涉及到,液,液压传,动,动与控,制,制技术,。,。,“八五,”,”期间,，,，我国,在,在深海,采,采矿基,础,础理论,和,和原理,性,性实验,方,方面取,得,得重要,突,突破。,但,但要进,行,行工业,开,开采还,有,有许多,技,技术难,题,题需要,逐,逐一解,决,决。“,九,九五”,期,期间，,中,中国大,洋,洋协会,组,组织专,家,家对大,洋,洋开采,可,可能遇,到,到的难,题,题进行,了,了分析,，,，其中,深,深水液,压,压系统,和,和元件,是,是难题,之,之一。,“,“十五,”,”期间,，,，我国,在,在深海,探测方,面,面使用,液,液压控,制,制技术,取,取得了,突,突破性,进,进展。,今,今年是,郑,郑和下,西,西洋600周,年,年，环,球,球科考,。,。,可以预,见,见，最,适,适于大,洋,洋采矿,的,的液压,系,系统和,元,元件应,当,当以海,水,水为介,质,质。大,洋,洋采矿,设,设备要,求,求在70MPa压力,下,下工作,，,，如何,将,将水压,传,传动技,术,术用于,大,大洋采,矿,矿工程,，,，应当,作,作为液,压,压界的,重,重大课,题,题，进,行,行基础,理,理论和,实,实验研,究,究工作,。,。可以,预,预见，,这,这一课,题,题必将,是,是液压,技,技术的,前,前沿课,题,题，山,东,东大学,与,与山东,山,山大液,压,压气动,公,公司在,这,这一方,面,面取得,了,了一定,成,成果。,（二）,与,与电子,信,信息技,术,术相结,合,合，实现机电一,体,体化,液压传动与,电,电子技术相,结,结合的产品,电液伺服,早,早在20,世,世纪50年,代,代末就早已,出,出现，而今,天,天电液比例,阀,阀已在大部,分,分领域取代,了,了电液伺服,阀,阀，此外高,频,频响比例阀,控,控制泵变量,机,机构的电子,油,油泵、带总,线,线控制的电,磁,磁阀和带传,感,感器的伺服,油,油缸、油马,达,达以及由它,们,们组成的液,压,压系统应用,广,广泛。实现,机,机电一体化,可,可以提高工,作,作可靠性，,实,实现液压系,统,统柔性化、,智,智能化，改,变,变液压系统,效,效率低、漏,油,油、维修性,差,差等缺点，,充,充分发挥液,压,压传动出力,大,大、惯性小,、,、响应快等,优,优点，其主,要,要发展动向,如,如下 ：,(1) 电,液,液伺服比例,技,技术的应用,将,将不断扩大,。,。液压系统,由,由过去的电,气,气液压通断,系,系统和开环,比,比例控制系,统,统转向闭环,比,比例伺服系,统,统。为适应,上,上述发展，,压,压力、流量,、,、位置、温,度,度、速度、,加,加速度等传,感,感器应实现,标,标准化。计,算,算机接口也,应,应实现统一,和,和兼容。,(2) 发,展,展和计算机,直,直接接口的,电,电流为5,mA,以下的电磁,阀,阀，以及用,于,于脉宽调制,系,系统的高频,电,电磁阀(小,于,于3,ms,)等。,(3) 液,压,压系统的流,量,量、压力、,温,温度、油的,污,污染等数值,将,将实现自动,测,测量和诊断,。,。,(4) 计,算,算机仿真标,准,准化，特别,对,对高精度、,“,“高级”系,统,统更有此要,求,求。,(5) 由,电,电子直接控,制,制元件将得,到,到广泛采用,，,，如电子直,接,接控制液压,泵,泵，只要改,变,变电子控制,器,器的程序，,即,即可实现液,压,压泵的各种,调,调节方式，,实,实现合理分,配,配功率，自,动,动保持最佳,状,状态，实现,软,软起动等功,能,能。,(6) 提,高,高液压元件,性,性能，适应,机,机电一体化,需,需求。液压,元,元件应在性,能,能、可靠性,、,、智能化方,面,面做大量工,作,作。下一个,目,目标要发展,内,内藏式传感,器,器和带有计,算,算机、自我,管,管理机能(,故,故障诊断、,故,故障排除),性,性能的智,能,能化液压元,件,件。,(7) 借,助,助现场总线(,fieldbuses,)，实现高,水,水平的信息,系,系统，从而,简,简化液压系,统,统的使用、,调,调节、诊断,和,和维护。,（三）液压,系,系统的高压,和,和高速化,在传递功率,一,一定时，液,压,压系统的工,作,作压力越高,则,则所需流量,越,越小，相应,的,的元件体积,及,及管道通径,也,也减小。泵,和,和马达的转,速,速增高，同,样,样流量时，,泵,泵和马达的,排,排量就减小,，,，泵和马达,的,的体积重量,亦,亦减小。高,压,压高速化可,以,以增加能量,的,的传输密度,，,，降低传动,系,系统的重量,功,功率比，这,是,是液压技术,一,一直追求的,目,目标，液压,系,系统的压力,等,等级和泵、,马,马达的转速,，,，代表着液,压,压技术的发,展,展水平。以,泵,泵和马达为,例,例，在50,年,年代，压力,为,为8,MPa,，转速为1450,r/min,，重量功率,比,比为3,kg/kW,;60年代,，,，压力达到17.5,MPa,，转速为1450,r/min,，重量功率,比,比为1.3,kg/kW,，80年代,，,，压力提高,到,到35,MPa,，转速为25003000,r/min,，重量功率,比,比降为0.5k,g/kW,，,到90年代,，,，压力已呈,超,超过35,MPa,的趋势，一,些,些闭式系统,甚,甚至达到47MPa，,转,转速达到3150r/min，重,量,量功率比降,低,低到0.3,kg/kW,。,过去的40-50年中,，,，液压技术,在,在高压、高,速,速化上取得,巨,巨大成果，,使,使得液压技,术,术在与其它,传,传动和控制,技,技术的激烈,竞,竞争中显示,出,出强大的能,力,力。虽然，,为,为进一步提,高,高压力和转,速,速，缩小重,量,量功率比的,难,难度越来越,大,大，付出的,代,代价也越来,越,越大，但这,方,方面的努力,是,是不会停止,的,的。,（四）液压,控,控制方法的,发,发展,液压控制方,法,法从最初的,开,开关控制、,高,高速开关控,制,制发展到现,在,在的比例或,伺,伺服控制与,计,计算机、传,感,感器相结合,的,的综合控制,模,模式。,常用的控制,方,方法有：,PID控制,自适应控制,模糊控制,神经网络控,制,制,模糊神经元,网,网络控制,1、PID,控,控制,PID控制,是,是最早发展,起,起来的控制,策,策略之一，,它,它将系统误,差,差的比例（P）、积分,（,（I）和微,分,分（D）通,过,过线性组合,构,构成控制量,，,，对被控对,象,象进行控制,。,。由于它具,有,有算法简单,、,、鲁棒性好,和,和可靠性高,等,等优点，被,广,广泛应用于,工,工业过程控,制,制,2、 自适,应,应控制,在系统工作,过,过程中，系,统,统本身能不,断,断地检测系,统,统参数或运,行,行指标，根,据,据参数或运,行,行指标的变,化,化，改变控,制,制参数或控,制,制作用，使,系,系统运行于,最,最优或接近,最,最优工作状,态,态。它的出,现,现改变了控,制,制系统只能,在,在事先确定,的,的参数状态,下,下工作的局,限,限性，使被,控,控对象能自,动,动适应工作,环,环境及自身,参,参数在一定,范,范围内的变,化,化。,3、模糊控,制,制,模糊控制是,以,以模糊集合,论,论、模糊语,言,言变量及模,糊,糊逻辑推理,为,为基础的计,算,算机智能控,制,制，模糊控,制,制的最大特,征,征是，它能,将,将操作者或,专,专家的控制,经,经验和知识,表,表示成语言,变,变量描述的,控,控制规则，,然,然后用这些,规,规则去控制,系,系统。因此,，,，模糊控制,特,特别适用于,数,数学模型未,知,知的、复杂,的,的非线性系,统,统的控制。,从,从信息的观,点,点来看，模,糊,糊控制是一,类,类规则型的,专,专家系统，,从,从控制技术,的,的观点来看,，,，它是一类,非,非线性控制,器,器，对液压,控,控制技术特,别,别适用 。,4、神经网,络,络控制,神经网络控,制,制主要是为,了,了解决复杂,的,的非线性、,不,不确定性、,时,时变系统的,控,控制问题。,人,人工神经网,络,络是由许多,个,个神经元组,成,成的并行分,布,布式的信息,处,处理网络结,构,构，它是在,人,人们现有的,对,对人脑的思,维,维过程研究,和,和掌握的基,础,础上，用数,学,学方法对其,进,进行简化、,抽,抽象和模拟,，,，来反映人,脑,脑的功能和,基,基本特性，,因,因此具有较,高,高的智能。,5、模糊神,经,经元网络控,制,制,将模糊理论,与,与神经元网,络,络结合，使,神,神经元网络,借,借助其大规,模,模的并行分,布,布处理结构,来,来完成模糊,的,的推理过程,。,。,到目前为止,，,，液压控制,技,技术的发展,，,，主要表现,在,在：在提高,液,液压元件性,能,能的前提下,，,，通过控制,方,方法的优化,组,组合，来改,变,变系统的控,制,制效果。,谢谢各位！,