液压元件的研究现状与发展趋势

2022-11-24黄建安石东奎商雪

中国科技纵横 2022年18期

黄建安石东奎商雪

（河北华春液压汽配有限公司，河北邢台 054900）

0.引言

我国是工业大国，对于液压元件技术的相关研究起步较早，在20世纪50年代就已经开展，但是当时的液压技术应用有限，仅在锻压设备、机床运作等方面应用，没有自己的液压元件生产技术能力，无法形成完备的工业体系。到了60年代中叶，我国陆续开始引进液压元件的的生产技术，并且独立自主进行液压元件的研究和开啊。到了90年代，我国全面吸收国外的液压元件技术开发经验，结合自身的实际情况进行改进，成为真正的液压元件生产大国。不过新世纪以来，液压技术和液压元件研究都陷入了停滞，各国也在积极研究液压技术的新方向。本次研究集合当前智能技术趋势，梳理已有液压元件研究现状的同时，展望液压元件的未来发展方向，具体从集成化、环保化、节能化、便捷化等方面着手，希望能为相关研究提供相应的参考。

1.液压元件集成研究现状与趋势

1.1 液压元件集成化研究现状

当前液压元件的发展越来越有小型化和轻量化的趋势，进而带动整体液压系统的集成化发展。液压元件集成化可以概括为将原有液压元件布置在集成块表面，通过相应的螺纹或者法兰技术将集成块上的液压元件连接，这样既减少了整体液压系统的复杂性，又方便对各个液压元件进行维修、更换和升级。

基于集成化的需求，需要针对液压元件的集成块进行全新的布局设计，液压集成块的设计需要基于实际需求，针对不同的设备设计相应的液压元件集成块。当前，主流对于液压集成块的研究在于保证孔道的连通，进而降低整体集成块的复杂性，所设计的液压集成块除了要保证孔道中油路连接准确，还要保证孔道间有合适的壁厚，不能被油液击穿。孔道要尽可能以直角相交，避免打斜孔，同时保证液压集成块油口之间的间距，给工人留有足够的操作空间。所以，液压集成块的设计重点是对集成块内部孔径空间布局的研究[1]。

1.2 液压元件集成化发展趋势

随着计算机技术、虚拟技术的迅猛发展，液压集成块空间布局的设计受到更加广泛的关注。国内外学者、专家对液压集成块内部空间布局的问题进行了大量研究，显著提高了液压集成块设计效率和质量。神经网络、遗传算法、蚁群算法等智能优化算法对液压集成块空间布局的设计带来了很大的帮助。多种智能优化算法让复杂的液压集成块在布局结构和孔径分布上尽可能接近最优解。此外，液压集成块孔道设计的合理性检测，也是一个难点。液压集成块的孔道设计是否满足使用要求；孔道、液压元件之间的间隙是否合理，是否存在干涉。这些都需要检测验证，许多公司、高校都在孔道校核方面也做了大量研究工作[2]。

2.液压元件智能化研究现状与趋势

2.1 液压元件智能化研究现状

液压元件的智能化是基于上述液压元件集成化趋势进行研发，当前液压元件智能化研究可以概括为对液压元件进行开环控制与闭环控制。闭环控制与开环控制的区别在于闭环控制系统中存在反馈环节，开环控制的方式常用于对控制精度要求较低的系统，而闭环控制方式经常用于控制精度要求高和响应时间快的系统中。由于目前各个领域对液压控制系统的性能要求在不断地提高，目前国内外多采用闭环控制的方式来控制压力。

液压元件技术在20世纪末就已经陷入了瓶颈，而当前计算机技术的进步则将其代入了全新的发展模式。随着液压工业的发展，许多技术不断地应用到压力控制系统中，使得压力控制系统的应用变得十分广泛。其中电液比例伺服技术在液压系统中得到了广泛的应用，可以实现液压系统的闭环压力控制。电液比例伺服压力控制系统具有精度高、响应快、功率大、结构紧凑、使用方便等优点。长时间以来，国内外的专家学者们在电液压力控制系统方面做了大量的研究。一部分国外研究人员研究了阀控缸的电液压力随动控制系统，开发了一种基于相应智能平台的电液压力随动控制算法，并通过实验验证了控制算法的可行性。另一部分国外研究人员采用了广义预测控制对某电液力控制系统进行了控制，控制策略考虑了系统刚度变化和液压元件特性的变化带来的影响，并针对系统高度非线性进行补偿。实验证明，采用广义预测控制的系统，其性能指标和采用PID控制相比有了显著提高，鲁棒性更强[3]。

国内也有研究人员对液压元件智能化进行研究，浙江大学的徐东教授团队采用了基于电液比例控制技术的压力闭环控制系统对原系统进行了改进。并针对改进后的液压系统分析需求，分别对比例换向阀和比例溢流阀的结构和工作原理做了分析，并且设计了两种阀独立的压力单、双闭环控制系统，在此基础上设计了整个系统的电液比例压力闭环控制。

山东大学的杨可森团队设计了一台基于电液比例控制技术的千斤顶压力性能试验机，试验机的液压系统采用比例溢流阀进行闭环压力控制，能满足士1%的试验精度要求。

刘永团队等进行了液压系统流量、压力闭环控制实验研究，将流量和压力闭环PID控制策略应用到流量和压力控制系统，并进行了实验分析。实验结果表明流量和压力闭环PID控制策略的控制效果好，抗扰动能力强。

魏志毅团队在电液比例压力控制系统中应用了模糊神经网络技术，运用MATLAB/Simulink仿真工具分别搭建了采用PID控制器和模糊神经网络控制器的系统仿真模型，并进行了动态特性分析。结果表明，相比于采用PID控制的系统，模糊神经网络控制的鲁棒性好，超调量小，自适应能力强。

2.2 液压元件智能化研究趋势

从上述的研究内容可也看出，国内外液压元件的智能化的研究包括控制策略的研究和电液比例伺服技术实际应用的研究，其中控制策略的研究较多，有许多先进技术应用其中。在实际应用中是进行压力控制系统的改进比较多，改进后的系统实现了压力闭环控制，实现压力的精确控制。

3.液压元件环保与节能化研究

液压元件的温度控制能够有效降低能源损耗，随着工业技术的发展，国内外温度控制系统都在向着控制精度高、动态响应快和超调量小的方向发展。温度控制方法主要有定值开关温度控制法和PID温度控制法：定值开关控制方法是比较传统的控制方法，控制方法简单，容易实现；PID温度控制法采用温度传感器、加热器等就可以实现温度控制，首先设定好温度上下限，当温度达到上限时停止加热，当温度达到下限时开始加热，同时可以配合冷却器使用。但由于温度惯性大，此种控制方法精度低，有很强的滞后性。

PID温度控制法是在硬件中嵌入PID电路或是在控制算法中加入PID，加入的PID的环节考虑了系统中的误差，对滞后的系统进行了校正，温度控制效果好，控制精度较高，PID温度控制方法是目前国内外主要使用的温度控制方法。

Wagner Fontes Godoy团队设计了一种用于小型液压系统的温度控制方法，该方法使用模糊控制器为PID控制器提供参考信号，此种方法能够提高生产过程中的效率[4]。

Aekarin Sungthonga团队采用PID温度控制方法对大型液压系统的液压元件进行温度控制系统进行控制，用粒子群优化方法和遗传算法对PID控制器参数进行了优化，从而提高了闭环温度控制系统的性能[5]。

徐晓东团队对某型液压试验台的液压源温度控制系统进行了设计，采用参数自整定模糊PID控制方法对系统进行控制，使油温控制精度满足精度要求。

赵树忠团队为压铸机的液压系统设计了一套温度控制系统，采用模糊PID控制方法对油液温度进行控制，结果表明采用模糊PID控制方法的温度控制系统具有响应速度快，无超调等优点。

目前，国内外对液压系统节能方式的研究主要集中在如何提高液压系统能量利用率以及如何减小系统的压力和流量损失。液压系统中损失的能量大部分都会转化为热，从而使油液的温度升高。例如，油液通过溢流阀溢流时损失的能量都会转化为热量。国内外液压系统节能方式包括在系统中安装蓄能器、采用变量泵、采用定量泵与比例阀的压力匹配系统等。蓄能器能够用于贮存能量，可以作为系统的辅助动力源。在系统中采用蓄能器的同时能够适当地减少泵和电机的容量，从而减少系统的能量消耗，实现系统节能。在系统中采用变量泵，变量泵压力和流量会根据负载的压力和流量变化进行匹配，从而减少溢流阀的溢流损失，最终达到系统节能的效果。采用定量泵与比例阀压力匹配的系统，能使泵的供油压力随着负载压力的变化而变化，从而降低系统功率消耗。

4.液压元件辅助维修研究

美国ATI公司是生产机械手以及机器人附属配件全球数一数二的公司。1989年，ATI公司为了机器人可多场景多功能应用，提高机器人的生产效率，开始进行机器人末端工具快换装置的研制。机器人末端更换装置可以使机器人末端执行器与多种任务工具自动更换，满足工作任务的各种需求，是QC-20型号的机器人末端工具快换装置。此装置主要由主盘和工具盘组成，主盘为标准的圆形柱状结构，其内部设计了切换机构和锁紧机构，具有较强的抗力矩能力和高的重复精度。其主盘连接在机器人末端上，当需要进行末端工具更换时，机器人靠近工具盘进行对接。通过压缩空气产生作用力推动切换结构运动，切换机构运动推动锁紧钢珠球向外运动，当锁紧钢珠球进入工具盘的锁紧环内即可实现主盘与工具盘的锁紧；当需要进行解锁时，反向压缩空气，钢珠球在摩擦力的作用下反向缩回主盘，即可实现两盘的快速分离。

AGI公司研制的凸轮式锁紧快换装置采用凸轮式锁紧，凸轮通过活塞驱动与工具盘锁紧，保证在气压突然消失的时候，主盘与工具盘不会分离。该装置保证了机器人末端更换装置的柔顺性，具有安全、可靠、重复定位精度高等优点，减少了末端工具日常保养和维护更换的时间，提高了机器人的作业效率，保证生产正常有序进行。但AGI只提供了7种末端更换工具盘，限制了其应用场景。

5.我国液压元件研究发展趋势

从上述研究成果的时间顺序上看，自20世纪70年代以来，随着电子与计算机技术的发展与普及，带动了液压系统也发生了革新。各个前沿领域，诸如传感器技术、微电子技术、计算机控制技术等与液压元件的开发、液压设备的设计、液压系统的控制进行了结合，提高了生产效率的同时也带动人们的思维发生转变。尤其是90年代以来，液压系统的各个方面的发展相较之前有了质的飞跃。我国在90年代引入相关技术的同时，不断结合自身工业情况进行改进，液压技术的进步也进一步奠定了我国工业大国的地位，我国液压元件技术也想着精密化、智能化、自动化的方面发展。

我国当前液压元件的研究主要集中在液压元件的电子技术、电液控制和电液一体化等领域，这一方面是因为电子计算机技术与当前液压工业的紧密结合带来了明显的发展，提高了整体工作效率，另一方面也是因为自新世纪以来液压技术本身的发展已经遇到了瓶颈，但是计算机技术发展的进步越来越明显，并且有着多元化的趋势，在工业领域的计算机技术能够更好地辅助该领域，所以各国研究人员目前关于液压技术和液压元件的研究领域集中在电液控制方面。

从我国目前发展轨迹来看，当前液压元件整体趋势可以概括为以下3点：第一点是基于计算机技术的液压元件小型化和轻量化，带动整体液压系统的集成化；第二点是液压元件的质量设计优化和结构简单化，能够方便液压系统的检修和拆装，节省液压元件制造成本；第三点是基于当前环保趋势而形成的清洁化、环保化和节能化，减少液压系统运作所带来的环境污染与能源不必要损耗。