液压技术的新突破

@液压技术的新突破——数字液压

杨世祥 杨涛

(北京亿美博科技有限公司，北京100054，电话63331966)

摘要：简要介绍了液压技术的基本组成，我国液压的发展历程和现状;中国液压落后世界，已经制约了中国的发展。介绍了我国研发数字液压的历程，数字液压的工作原理以及在各个领域进行了试用和取得的进展，最后展望了数字液压的应用前景和未来。

关键词：液压、自动化、数字液压、计算机、数字信号、脉冲信号。

一. 液压——制造业的基础器件

液压是利用液体不可压缩的特性，利用巴斯卡定律和能量守恒的原理建立起来的一门科学。因为高压液体携带了巨大的能量，所以在工业中获得十分广泛的应用。

液压件是制造业的核心部件，它具有重量轻、输出力量大、使用方便、运行平稳、便于控制等众多优点，广泛应用于冶金、机械、石油、航空、航天、航海、军事等各个领域，已经形成了极为庞大的液压产业。液压元件的规格和种类繁多，产品有成百上千种。

1. 液压的基础元件为液压泵。它是将电动机、发动机的能量转换为液压能，分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。

2. 液压的执行元件为液压缸和液压马达。液压缸完成直线运动，分为柱塞缸、活塞缸、单作用缸、多级缸等。液压马达完成旋转运动，分为齿轮马达、叶片马达、柱塞马达等。

3.液压的功能元件是各种液压阀。它主要是控制油流的方向和大小，用来控制油缸或油马达的方向、速度和位置，分为方向阀、压力阀、单向阀、节流阀、调速阀、比例阀、伺服阀、插装阀等。

液压技术已经有近200年的历史，它是随着社会和技术的进步逐渐发展和完善起来的，尤其是高端军事领域和高端装备制造以及各种自动化设备的需要，促进了高端伺服液压的快速发展。

二. 我国液压工业的现状

液压技术是国家的基础技术，广泛应用于国民经济的各个领域，直接影响到装备制造业的强弱，是衡量一个国家工业化水平的重要标志之一。世界上所有制造强国都是液压强国，如美国、德国、日本、法国等。我国的液压产业现状却不容乐观。

上世纪60年代初，我国开始引进液压技术，首先引进日本系列的液压产品，在山西榆次建立了第一个液压产业基地，随着液压在中国获得应用的领域不断扩展，大量的民营企业开始仿制国外的低端产品，目前已形成1000多家液压件厂的庞大产业，大量生产低端液压元件。

改革开放后，我国80年代引进了德国系列的产品，建立了北京华德液压，但产品还是属于中低端技术水平。德国液压产品随着德国成套设备大规模引进，开始占领中国的主要市场，这就是目前德国“博士—力士乐”系列。在德国大规模占领中国市场后，美国技术逐渐进入中国市场，这就是美国的”依顿—威格士”系列。后期还有意大利的“阿托斯系列”等进入中国市场。

目前，中国的高端液压市场都是国外产品占据主导地位，比如冶金、军事、石油、电力、海洋、重型机械等领域，尤其是工程机械领域，中国20吨以上挖掘机所用的液压件基本控制在日本川崎和德国力士乐手中。中国工程机械受制于国外液压企业，近5000亿元产值的大部分利润被外企拿走，成了中国的“锁喉之痛”。其原因在于，我国的制造业发展战略长期以来重主机、轻配件，对液压产业的重视程度不足，缺乏基础研发投入。加上高端液压产品研发投入巨大(几千万到数亿元)，涉及的领域又多(机、电、液、传感技术、控制技术、加工技术、热处理技术、表面处理技术、基础材料、基础工艺等)，致使许多企业没有勇气和能力去研发高端液压产品。

随着国民经济各领域都获得了巨大发展。中国已成为世界制造大国，但液压技术落后世界(据行业协会估计落后10-15年)，已经严重制约了中国制造业的发展，更制约了中国从制造大国向制造强国的转变。在行业协会和许多有识之士的积极推动下，国家已经将液压产业纳入“十二五”发展规划，明确提出发展目标，制定了多项攻关计划，并第一次将“数字液压”也列入其中。

从2009年起，全国各地，如辽宁阜新、山西榆次、四川泸州、山东常林、江苏常州等地，以及徐工、三一等企业，争相投入数十亿到上百亿元资金发展液压产业，总投入超过300亿元。与此同时，各大主机厂也掀起了并购世界液压公司的高潮，如三一重工收购德国大象、普茨迈斯特;山东潍柴收购德国林德;徐州重工收购德国FT(Fluitronics)公司、荷兰AMCA公司等，资金总数也超过百亿，目的都是希望快速缩短液压产业与国外的差距。

2012年，行业协会集中全国的液压专家，编制了国家液压传动与控制20年发展路线图，希望按照跟踪、仿制、创新、超越四步走的路线，到2030年达到世界先进水平。2013年1月，工信部牵头，三个行业协会联手，42个主机厂和液压企业、全国的资深专家等参与，在天津工程机械研究院成立了工程机械的攻关平台，希望用3-5年的时间，以举国之力攻克制约工程机械发展的高端液压技术难题，扭转高端液压元件长期依赖进口的局面。

据报道，中国目前液压行业的总产值还不如德国力士乐公司一家在全球的液压件销售额，液气密行业协会对中国液压等机械基础件行业现状的说法是“我们还没有掌握核心技术，我们还受控于人”。

三. 数字液压— 一种新的液压

21世纪是计算机技术、数字技术、信息技术的时代，液压技术必然要与计算机技术相结合，这是发展方向。数十年来，德国、日本、法国、美国等对数字液压都进行了研究，但一直没有突破性进展。其原因在于，国外走了一条元件数字化的道路。元件数字化不能充分发挥数字技术的优越性，其控制思想和控制方法没有任何改变，只是将液压传动链条中的一个环节进行了数字化，这种数字化液压元件融入传统的模拟液压链条中，不能充分发挥数字技术的优越性，无法与传统技术的比例阀和伺服阀竞争。

我们数字液压走的是一条全程数字化道路，30年前研制成功了第一代数字缸，并完成了理论研究，建立了数学模型(1)，第一代数字缸是机械位移传感器与数字伺服阀构成直接速度和位移反馈，并于1990年用于航天部的装弹机构上。一直生产使用至今。

第一代数字缸的工作原理和信号流如下图：

第一代数字缸精度非常高，定位精度可以达到微米级，但它也有一个缺点，就是行程做不长，速度太慢，不适宜广泛的工业应用。为了克服这个缺点，于1990年推出了外反馈的第二代数字缸，克服了速度慢，行程短的不足，2000年用于海军六自由度训练平台模拟试验台。但第二代数字缸外反馈结构复杂，可靠性差，不适宜大批生产。又于2003年发明了第三代数字缸，即双内反馈数字缸，将反馈机构装进缸内。这一代数字缸综合了前两代数字缸的优点，克服了缺点，可以将高速度、长行程、可靠性统一起来。第三代数字缸已用于某军事装备上。至此，前后共花费了近20年的时间，才完成了数字液压缸的工业性应用准备。

此后，我们对第三代数字缸不断进行改进和完善，终于获得用户的认可，将其用于冶金、机械、石油、海洋、军事等诸多领域中，均取得成功。

第三代数字液压缸是将伺服阀、机械位置传感器与油缸做成一个整体，油缸在移动过程中，机械位置传感器与数字伺服阀构成自动闭环控制，计算机或控制器发出的脉冲信号与油缸的速度和位置构成一一对应的关系，脉冲的频率就是油缸的速度，脉冲的总数就是油缸的行程，精确对应。从而将传统液压复杂的、通过电传感器而实现的闭环控制变成了简单的开环控制。

第三代数字缸的成功应用，支撑了数字技术的深入研究和发展。但中国还有大量已在使用的各种传统液压驱动的主机，能否不做大的改动，就将这些落后的液压主机变成先进的数字液压主机?这一想法使我们确立了新的研究方向，在“数字液压”全程数字化方向的指引下，又进而研制成功分散的数字液压系统，发明了油缸内置数字传感器、数字伺服阀、数字专用的数字控制器等等。

利用这一套数字液压系统，原有的液压主机无需任何改动就能变成先进的数字液压主机。这种数字液压系统由普通液压缸+数字传感器+数字伺服阀+数字控制器等构成。它的控制原理与控制一体化数字缸一样，仍然采用开环控制，没有任何复杂的参数调节。如此一来，就进一步扩大了数字液压的应用领域。

目前我们已经开发出了多种精度、多种行程、多种规格的整体式数字液压缸，也相继发明了油缸内置数字传感器、双驱动数字伺服阀、单驱动数字伺服阀、大流量插装数字伺服阀、数字油马达、数字摆动马达、数字变量泵、数字敏感伺服阀、数字敏感伺服缸、数字振动缸、数字超高频振动缸、数字超长行程多级缸等10多种核心液压元件，基本覆盖了传统液压的所有领域。由于这些元件加工简单、制造容易、性能优良、使用可靠、维护方便、价格便宜、通用性强等众多优势，获得用户的认可。以下是已经发明成功的部分数字液压系列元件：

数字液压的应用实例

一项发明是否先进，必须经过市场的严格检验。实践是检验真理的唯一标准，数字液压也必须经受应用实践的严格考核，才能证明它的先进性和适用性。以下是一个典型的应用实例：

(1)水电领域的筒形阀

在水电领域的水轮机发电装置中，有一个关断水流的设备叫筒形阀。这是一个8-10米直径的圆筒，重达数十吨。圆筒中间是水轮机，外端是强大的水流，筒形阀升降要求响应速度快，受控性好，是用来开关水流，实现水轮发电机起、停的关键设备。筒形阀靠6只液压缸高精度上下同步升降，升降高度一般是1米到2.6米，每缸之间的同步升降误差要求很高。如果升降不同步，筒形阀就会卡在缝隙内造成故障。筒形阀有很多优点，但解决多油缸高精度同步是一大难题。水电行业长期不能解决，只好引进国外机械同步专利，但效果不好，只好成套购买国外液压产品，但由于价钱昂贵、系统复杂、调试麻烦，更主要的是效果也不好。

用户只好寻找新的出路，与我们合作开展了数字液压在水轮机上的应用。2009年7月在30万千瓦机组上一次投运成功，所有指标均处于先进水平，且设备重量轻、调试时间短，价格便宜，精度高，控制简单，无故障运行2年多后，2011年被鉴定为“全球首创”。目前已推广应用了17套，为用户节省了约5000万元的费用。

除上面的典型应用实例外，还用于航天系统的导弹发射装置中的多自由度装弹机构、海军六自由度运动平台、石油深井测量、海底地质测量、冶金高炉控制、连铸液压振动、芜湖铸管设备等等数十个项目均取得成功，解决了用户的难题，得到用户好评。尤其值得一提的是2014年1月16日媒体报道：“国产数控减摇鳍助力中国钓鱼岛亮剑”， 作为维权主力船之一的“中国海警2337”号首次用上了国产新型数控减摇鳍。该技术实际就是5年前我们提供给有关大学的机械反馈数字伺服阀的应用实例。目前，有关方面又引进了我们的一体化数字缸正拟用到舰船舵机的控制中，说明数字液压技术已经引起了包括海军等多方面的重视。

四. 数字液压的意义

液压是工业自动化的基础，是制造强国的必需。近20年来，世界传统液压技术没有突破性的进步，其发展几乎走到了尽头。

传统液压有个天生的缺陷，即不能与计算机技术、数字技术和信息技术很好地结合，尤其是伺服元件结构过于复杂，牵连领域太多，制造材料要求苛刻，制造难度太大，调试使用维护麻烦，售价之高让用户难以接受，大规模推广困难。

而数字液压与计算机技术、数字技术和信息技术组网特别方便，又没有特别需要高强度铸件的要求，它结构简单，用料一般，制造容易，抗污染能力强，成本低廉，调试方便，操控智能化，故障率低，维护容易，寿命较长，控制精度、响应速度及节能降耗等性能良好。突破了传统高端液压元件的设计障碍、材料障碍、工艺障碍、制造障碍。现有的数字液压元件包括缸、泵、阀、油马达、传感器、控制器，几乎覆盖了传统液压的所有应用领域，不但浓缩了液压产业，而且扩展了液压的应用领域。

数字液压技术若能得到全面推广，中国的高端重型装备、高端工程机械、高端重型主机、高端军事装备、各种高端自动化作业线将可全面升级，意义重大，影响深远。

参考文章：

(1) 新型电液步进液压缸的试验研究 中国金属学会 液压与气动学组年会论文

杨世祥 1982年9月