对未来液压技术的探讨

图1-46  工业4.0时代液压技术

数字化网络化智能化的基础作用

作为工业4.0的液压技术发展观（图1-46），应该有四个大概念：

1）在液压工业4.0时代，AI人工智能软件、芯片在内的集成与物联网的的生态环境对于所有各类的液压技术与产品全覆盖。也就是像图1-46所示那样，在各类液压核心元件的基础上，一定有数字化基础配套，完成设计、仿真与试验环节；一定有网络化基础，产品可以实施通信，远程诊断，利用云技术与大数据，完成服务环节；也必然有智能化基础，实现元件与系统的自主控制与自主诊断。

2）液压本身应用领域必须向外拓展与延伸。

液压技术及其产品将从现在传统的自动化领域中拓展出去。研究方向的视野应该更开阔。可以利用液压低速直线等特性，简单廉价来收集清洁能源的能量，通过蓄能器的储能或水轮机等办法去转换成电能等，这包括风能、潮汐能、太阳能以及海水淡化后多余能量再利用，从而形成能动型液压分支。

还应该利用近年来静液压技术驱动技术有三项重大发展：静液压机械功率分流无极变速箱的批量制造成为工程机械传动技术制高点、串联型油液混合动力技术的静液压技术进入汽车产业大门、电控配流的静液压泵与马达研制成功使静液压进入电液一体化与信息化大门，从而形成传动型液压分支。这一分支包括静液压驱动、静液压机械功率分流驱动、静液压与液力传动结合、静液压与电力传动结合以及油液混合动力静液压驱动。微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）中的微液压/微液控（Microfluidics），作为“智能灰尘”的颠覆性技术已经可以纳入液压技术新领域。目前MEMS的最大市场是智能手机，微流控技术是它的派生分支，90年代喷墨打印头就是微液控的典型应用之一。“微”字概念是＜0.2-3mm尺寸的物体， 其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。其特点在于微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产，并具有通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统的广泛空间。微液压在生物、传感器等方面展示其应用新领域新方向。我国的MEMS厂商已经进入启动，尚需赶快发展。

3）液压元件电液融合下的分布式液压系统是大方向。未来液压系统与执行结构集成并分散布局，电控分散布局但管理集中，实施能源智能管理。这个特点的体现是EHA（Electro-HydrostaticActuator）,它是由“多电飞机”催生的液压系统高度集成的新形态，体现了液压元件与电机电控高度融合与集成的大方向，充分发挥液压高功重比与电力电控的控制优势，形成新一代电液智集成产品。首先稀土永磁无刷直流电机、变频电机、步进电机、伺服电机等新技术新产品的发展大大提高了电力驱动系统与电控的性能。从长远看由于电气材料的磁饱和强度的进一步提高与蓄电续航能力的进一步增强，加上电控与互联网的发展，电力驱动必将逐渐占主导地位。但是液压技术的功重比高、频响高、可带载频繁启动与换向等仍然有不可替代的优势，电力与液压传动将长期并存相互补充。目前应该发展功率型数字液压，功率不断增大；另一方面发展EHA，它是航空多电化的体现，也是市场新契机，不仅符合航空液压的新要求，也符合工程机器人的发展要求，即使用于小功率的固定设备，多电化液压也有其优点。

液电融合体现液压发展的新的理念：

 -- EHA将伺服等形式电机与液压元件高度融合，数字、互联与智能液压相互融合。通过液压元件与嵌入式传感器、嵌入式微处理器相结合，发展智能数字比例通用液压元件与系统（图1-51）。

-- EHA的高度集成与轻型化，加强了液压功重比优势，促使液压元件向更高压力（63MPa）与更小排量的液压元件方向发展，将油的体积与质量明显降低（图1-55）。

-- 少管化少线化，使维修护理简化到极致。EHA管路几乎难见；由于利用网络、总线与远程控制技术，布线少。

-- 电机的双向易于设法储能节能，利用再生功率。

-- 液压元件或系统的控制器协同主机控制器，可以实现协同、分担、分享、冗余等功能；

-- 易于实现智能化的自主控制与自我诊断功能。

  图1-51   EHA电静液作动器及其工作原理图 

图1-55 提高压力对“功重比”的影响

电静液作动器EHA将电机、液压泵、油缸集成，直接采用泵控制作动器（油缸）。它预示今后EHA的概念将会扩展到运动型液压系统的各个方面，如图1-64所示用于工程机器人。当然它的应用主要会受到功率以及体积的限制。目前研发样机的功率在10kw以下（中等功率）、压力35MPa、转速20000rpm以及功重比在0.2-0.25kw/kg。如采用高速高功重比电机的话则功重比可达5.4kw/kg，动态响应≥8-15Hz。今后EHA需要开发大功率＞10kw或者更大，要达到超大功率（＞20-30kw）还有很长的路要走。目前电动静液作动系统（EHA)在向其与总线驱动技术相结合。但是EHA的发展面临三大方面的挑战：首先是高压高速下的能量高效转换机理下的硬件架构；多种介质耦合的机理，这些介质是电磁、流体、热场、机械等的系统组合下的流态设计；最后是智能控制算法为基础的自主调控软件与自主健康管理与故障检测软件。

图1-64 液压布置分散电控管理集中的新型液压系统原理图

这一理念将催生液压泵的结构性变革与将能源管理纳入液压控制系统，达到节能的最佳效果。这时从控制单元发出的信号将激发整个系统的运动，与此同时将智能化液压泵的能源管理纳入，同时根据传感器的工况识别确立电机与泵的变量关系达到最佳的功率匹配。而这一切与今后发展的智能化是分不开的。

4）发挥静液压领域（HST）的优势，并植入互联智能控制成为系统主流

静液压技术的特点是在主系统中没有节流控制元件，将液压技术的能量损失尽可能减到最少。这种以泵控为主的方式减少了阀控必然产生的阀口节流损失，特别是在大功率的情况下。节能与功率回收是其特点。静液压目前应用还是以驱动轮边液压马达为多，也成功向传动型变速箱方向拓展。今后应推广到液压缸的驱动上，如图1-62所示的发明专利。但由于需要增加蓄能器以及闭式泵制造难度大等，市场接受度会受影响。但是功率回收方面的优点会被厂商与用户接受。

今后应在挖掘机、推土机以及各种机械上得到推广应用。图1-61是对未来工程机械液压系统功率回收的设想方案---二次调节回路所采用的静液压理念。在2016年的德国宝马展览会和美国拉斯维加斯矿业展览会上，利勃海尔公司展出了世界上最大的静液压驱动推土机PR776，功率高达565Kw，现在有六台PR776在我国西藏5000多米的高原矿山运转。另外，力士乐公司的静液压风扇驱动装置的推广与试验也证明静液压系统的优点有风扇转速与发动机转速解耦、风扇转速的无级（比例）控制等，达到节省燃油多达5%、降低噪音等级与灵活布置系统部件等，并且试验表明比之机械传动风扇与电离合器风扇性能要更好。         

图1-62    属于发明专利的静液压系统（2013年）

图1-61  液压系统二次调节回路功率回收设想方案     

静液压传动在拖拉机、牵引车等作业频繁、低速稳定性高、机械形态复杂、驱动多用户、电控要求高等的应用场合为宜，油液混合动力的要求给与静液压进入汽车领域可能性，能否向其他类似汽车领域的进一步发展也是一个方向。目前静液压无极变速箱（图1-75）已经达到10KW的功率水平，可以展现更大的作用。

图1-75  液压无极变速箱（KHS-23）

1.7.2 新原理的数字智能液压泵与数字智能控制阀

作为传统液压元件的泵阀已经基本定型，几十年来在原理方面基本没有大变化。但是液压数字智能化可能会为液压泵与液压控制阀带来从未想象过的改变。这一切已经在研发应用，但是还没有市场化。

1.  打破斜盘变量概念的液压数字变量泵/变量马达

传统的柱塞式液压变量泵的基本原理就是改变泵斜盘的角度或者改变斜轴的角度，从而改变了柱塞的行程达到改变排量的目的。而在数字泵与数字马达中，是利用高速开关阀控制柱塞行程中的工作距离而达到（图1-75），或者是利用改变所用的泵的数量叠加度达到（图1-76）。

图1-76  液压数字马达岛变量泵组

图1-75    液压数字高速开关阀变量泵  

图1-74   全液压风力发电机系统原理图 

图1-75   液压数字泵在不同工况下与传统泵性能的比较

图1-74展示了这种数字泵的应用场景，在电控的配合控制下才能将传感器测量到的工况需求与高速开关阀的启闭一致，并达到系统的高效率如图1-75所示。由于数字泵柱塞进油与排油完全由高速开关阀控制，可以完全与风机叶片旋转的工况一致，所以可以有这样高的效率与这样低的能量损失。但是这样的数字泵与马达的价格昂贵，达百万人民以上。实际上，我们还可以用分散的EHA的思路解决这个问题降低成本。

这种数字泵实际上与汽车燃油喷射系统的控制原理相像，根据工况需要进行供油。所不同的是燃油喷射系统的流量极小，而在这里所控制的高速开关阀的流量要大，因此阀的频响与阀的通流量是个矛盾。因此目前用于转速较低的液压泵于马达中。随着技术的发展，这种排量控制原理会发展到目前传统的液压变量泵上。

2. 打破压力、流量、换向分类控制概念的液压智能控制元件

图1-65展示了最基本的液压智能元件的原理。

图1-65 液压智能节流基本元件

根据许氏液压简易建模理论可以理解液压智能控制阀就是一个品种：液压智能节流阀。液压智能节流阀可以实现压力控制、流量控制与方向控制。因为只要传感器给定什么参数的信号，该阀就可以产生需要的节流功能，以实现不同的参数控制作用。

整个智能节流元件由6大部分组成：嵌入式压力（温度）传感器、控制运算微处理器（芯片）、总线或互联通信装置、数字放大驱动装置、阀功能执行部分、包括AI在内的性能控制与诊断软件程序的六大功能部分。

嵌入式压力传感器置于节流阀的进口与出口，可以测量此节流阀的进出口压力，也是感知整个节流阀在工作状态下的压差。此节流阀实际上是一个高速开关阀，它的流量输出与其电磁铁的开关时间比即占空比τ的大小有关，也就是与此高速开关阀的PWM信号下的占空比有关。液压智能节流阀流量可用下列公式表达：

（1-1）

式中      Cd --- 节流阀节流口流量系数；

             A --- 节流阀流量调节面积梯度（m）;

             ρ---液压油密度（kg/m³）;

            △P---节流阀进出油口压力差（Pa）;

液压智能节流阀的理论流量由公式（1-1）确定。从公式可知，通过节流阀的流量既与压差有关，也与占空比大小有关的当量面积即A(τ)有关。如果占空增大，A(τ)也就增大，高速开关阀输出的流量就大。如果此阀置于系统中，其如果希望节流阀流量加大，只要提高阀的此当量面积A(τ) 的占空比就可以了。作为节流阀的流量性能受负载的影响大，即受节流阀前后压差变化的影响大，无法达到流量不随负载的变化而变化。

作为智能控制阀，它的电磁铁受到微处理器的控制。微处理器的作用是在软件算法的编程下，按照编程算法的要求控制电磁铁的占空比，达到控制的目的。由于此阀具有嵌入式压力传感器，因此微处理可以感知元件系统中的负载变化。如果此时微处理器能够接受编程要求，在感受到压差（P1-P2）,有芯片运算后，使输出的占空比τ能够始终让Q(τ)为常数，就达到了让此节流阀获得了调速阀的功能。此时这个节流阀是在软件编程中算法的决策下，自主来适应工况的要求，达到自主控制的目的。这样的元件就是液压最基本的智能元件，即只要目标要求确定，节流阀能够根据识别的工况，智能性的调节所要求的流量输出。

从这个最基本的液压智能节流元件可以看出：此调速阀从硬件角度看不需要传统调速阀中的减压阀，而是用软件算法的控制功能替代了此硬件，并达到自主控制下恒流量的结果。因此液压元件智能化可以简化元件硬件结构使功能软件化，同时一个节流阀即可以作为节流控制也可以作为调速阀控制，减少了液压控制元件的品种。

 

其次我们在生产出此节流阀后，通过出厂检验就可以获得这种节流阀的流量-压差曲线（ΔP-Q曲线）。因此对于这个元件从故障诊断理论角度说，这个元件是一个“白箱”，它的性能参数特别是流量系数Cd是完全已知的，是透明的。因此在实际节流阀运行时，我们芯片可以通过对压差（P1-P2）的实际测量与所得到的占空比τ之间的联系判断出是否在正常数值上，通过历史数据的积累（大数据），通过人工智能的算法来判断此阀输出是否异常。由于这种故障诊断的办法是在白箱的基础上通过逆运算的办法，简单易行，而不是现在对于发动机之类故障诊断的“黑箱”办法，所以称之为“灰箱故障诊断”办法。

液压的节能主要考虑二种情况：尽可能按工况的需要提供能量；负负载的能量能够回收。由于液压智能元件而言，由于它可以通过传感器获知元件自身的工况，因此此工况信息不仅用于自身的自主控制，还可以提供到电控制器里与其他同类信号的信息相比参与到整个系统的控制达到节能的效果。由于液压智能元件是能够通过传感器来辨识工况，因此可以在最小的压力损失情况下进行调节，从而达到提高效率的目的。

 

人工智能是解决液压问题的一个新途径，用融合电控、融合AI软件的思维解决过去只能用硬件解决的问题，大大拓展了我们解决液压技术问题的手段。现在人工智能至少看到对解决液压问题有三大优点：1.减少液压控制阀的品种与种类，更便于智能生产；2. 是解决液压效率低的新的手段与新的思维；3. 可以为十分复杂困难的元件健康管理找到一个新途径，应该可以对液压元件或系统进行全生命周期的健康管理与远程调试找到一条简易之路。

 

1.7.3 液压智能元件的硬软件生态系统

1）液压高速开关阀或比例伺服阀是液压硬件基础

液压智能元件必须具有电液转换装置如比例电磁铁、高速开关电磁铁、步进电机、伺服电机等，将电的控制转换成用于控制液压执行结构的动力。智能功能一定是在元件的数字功能基础上形成，目的是在采用微处理器时，没有任何A/D或D/A转换是最节省时间的。因此液压智能元件最好是在液压数字元件的基础上发展。

目前液压数字比例元件还在发展过程中，市场接受度不及模拟式比例阀，数字式比例阀的最好的性能参数也不及模拟式比例阀。在目前模拟式比例元件市场的接受度非常高的情况下，液压智能比例阀的发展就可能是数字式比例阀也可能是模拟式的比例阀为基础。要发展到完全的数字式比例阀还需要一个过程与时日。

目前液压比例元件可以分为模拟式比例阀与数字式比例阀，为了适应数字技术的发展，目前的模拟式比例阀的输入也已经发展可以具有数字量的输入接口或用数字电路结构实现的总线接口，这二个技术措施都提高了模拟式比例阀与计算机的直接接口能力和信息交互能力（图1-66与图1-67）。

图1-66    模拟式比例阀的数字接口

图1-67     比例阀的CAN总线接口

2）高频响的轴控制器

高频响的轴控制器（图1-69）是液压智能控制元件的电控硬件基础。

图1-69    PC运动控制器的液压控制系统

从液压智能元件工作原理可以理解，智能元件的运算速度要求非常之高，要能够随着工况的瞬间变化而作出运算决策。因此已经不是一般通用PLC可编程逻辑控制器可以承担的了。这时由于首先需要传感器识别然后微处理器运算，再动作泵或阀的执行，因此整个控制过程要求很高的频响，所以控制器就应该有充分的响应速度实时处理才能达到效果。

这时电控硬件需要更专用的微程序控制器（数字轴控制器），它的应用将越来越得到重视。微程序控制器就是专门用于运动控制的PLC，是专制的更结合应用对象的控制器，设计、结构、修改或扩充都简单方便，不仅结构上模块化、易于实现控制系统集成化标准化，为液压运动控制系统提供一个统一的硬件平台，甚至可以将PC机系统嵌入到此运动控制卡中，形成PC运动控制器的液压系统（图1-69）。

目前力士乐数字轴控制器（如R901134618等）就是液压驱动控制方面的“全能型”的微程序控制器，有开放式接口和编程标准。按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运动控制支持任何常用的现场总线和以太网协议，与各种自动化环境无缝配合。在此液压控制器中运用液压与运动控制技术相互结合的专有知识，形成液压和混合驱动器可优化的控制策略，并以此软件编程实施（图1-70）。

 图1-70  轴控制器液压控制系统

3­）人工智能的功能转换与简易故障诊断灰箱方法

在液压智能元件中性能与功能的转换以及自主诊断中需要AI（人工智能）的帮助。

液压产品故障诊断与健康管理一直是液压技术最薄弱的环节之一。目前的故障诊断主要是针对装置硬件本身，这些硬件产生了机械性故障或破坏，比较容易诊断，也容易记录与报警。但是对于装置本身性能与功能的退化，故障诊断就比较困难，这种过程的监控难度很大。

传统上来看性能性故障预测一般采用基于模型、基于知识、基于数据的预测技术，都有比较成功的实用范例。对于液压系统如何以有限的传感器对系统的状况进行判断一直是一个困惑。其次是如何分析诊断，一般来说是将液压系统作为“黑箱”进行处理，牵涉的理论、算法以及经济性方面难度都大。

为了解决这个问题，在此提出故障诊断的“灰箱方法”。因为对于液压元件与系统一般都是“白箱”系统，也就是说液压系统或元件的数学模型及其所有的系数是可以已知，或者说通过出厂试验的办法采集更多的一些性能参数，也可以获得这些需要的系数而成为“白箱”。从许氏建模理论来看，可以将此“白箱”的数学模型逆求解，来获得这些系数的“退化”过程，这就是故障诊断。

当然这里具有数学模型方程逆运算会产生静不定的问题。为了解决对液压系统逆运算的问题，首先使故障诊断从理论上分析化简，处理好数据采集时的噪声与数据失真问题，问题也大大简化。如果再加入智能性的辨识，使液压系统与元件的故障诊断的实现更加容易。同时由于这种办法是原系统数学模型的逆运算，因此我们可以知道系统某些参数在运行后的变化，利用“大数据”更有针对性，比较容易进行辨识（图1-71），这就是“灰箱”辨识的处理办法，简化了液压系统与元件解决故障诊断的难度。

图1-71 智能参数法故障诊断

目前已经发展到“人工智能2.0”，人工智能也发展到大数据、跨媒体、群体智能与人机系统。基于互联网与移动网的普及、传感网的渗透、大数据的涌现等将有助于这个问题的解决。这个智能系统（模块）可以自学习，可以是机器学习、深度学习等以纠错方式开始而后可以达到要求。今后在大数据智能与自主智能系统方面，形成从数据到知识、从知识到智能的能力，使得液压故障诊断具有液压本身的特色简易办法。

4）物联网与芯片

液压智能元件的产生归功于计算机特别是芯片技术的进步，另一个是网络技术的发展。我们熟知的摩尔定律将我们带入了7μ芯片的水平，芯片是我们思考要素的硬件基础；网络技术已经在谈量子通讯与量子计算机，其速率是今天4G甚至5G都无法比拟的（图1-47）。目前计算机的运算的速度是人脑的1000万倍（人脑神经元运算速度是200Hz,计算机是2GHz；传递速度是120m/s,计算机可达到光速），因此人工智能在非情感方面可以超过人的智能。今天世界已经开始了量子计算机与量子通讯的的研发与市场应用，我们液压技术的发展是与其他工业技术发展一起要与这些新的技术应用融合的（图1-48）。

5G物联网将加速工业4.0的发展，2020年5G将进入商业化阶段（图1-47）将大大加速液压数字互联智能的进程。这将使我们意识到液压智能时代与传统情况不一样的是，液压智能元件的应用存在必须在物联网的客观环境下与软件语言的采用。

图1-47 5G网络将替代4G

图1-48 量子计算机的进展     

5）工程软件

液压元件智能化中，电控与控制软件是智能化的核心，极大地贡献了对产品的价值。对于智能元件的开发目前可以利用已有的成熟软件例如Matlab等加上工厂的实时开发系统，利用软件提供的精确的控制算法等全套功能，保证各单元协调优化与匹配。当今工程软件已经能够满足基本要求，如MATLAB/Simulink、FLUENT、AMESim、LabVIEW、ADAMS等等。

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文章来源：新液压