淺談現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

徐海枝

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

液壓控制技術(shù)與其他控制技術(shù)相比，具有功率重量比大、，響應(yīng)速度快、布局靈活方便、調(diào)速范圍大、工作平穩(wěn)和易于操縱控制并實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等許多優(yōu)勢(shì)，因而成為各類機(jī)械實(shí)現(xiàn)控制的重要手段，在各類機(jī)床、生產(chǎn)線、重型機(jī)械、起重機(jī)械、建材建筑機(jī)械、汽車、航空航天、船舶和武器裝備等領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，液壓控制技術(shù)由于不斷移植其他領(lǐng)域的技術(shù)成果，推動(dòng)了液壓控制技術(shù)逐漸向自動(dòng)化、智能化、小型化、高精度、高功率、高效率方向發(fā)展，成為當(dāng)代一系列先進(jìn)技術(shù)的先驅(qū)和典范，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎遍及各行各業(yè)。

本文將對(duì)現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的發(fā)展歷史做簡(jiǎn)單地回顧，并對(duì)融合了現(xiàn)代技術(shù)的幾種新型液壓控制技術(shù)及其工程的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討，為現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 液壓控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用概況

1.1 液壓控制技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用歷史回顧

1648年，法國(guó)的帕斯卡提出了靜止液體中的壓力傳播規(guī)律——帕斯卡原理，由此揭開了液壓控制技術(shù)發(fā)展的序幕。然而在漫長(zhǎng)的歷史發(fā)展過程中，液壓控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，步伐相對(duì)緩慢，甚至裹足不前。其快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，則是到了20 世紀(jì)初，由于第二次世界大戰(zhàn)中大規(guī)模軍事武器裝備的生產(chǎn)以及現(xiàn)代工業(yè)的興起，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，裝配流水線、生產(chǎn)自動(dòng)線和數(shù)控機(jī)床與加工中心相繼問世，為液壓控制技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)造了先決條件。

液壓控制技術(shù)進(jìn)入工業(yè)制造裝備領(lǐng)域之后，在快速發(fā)展的生產(chǎn)自動(dòng)線和自動(dòng)加工設(shè)備技術(shù)需求的刺激下，得到了迅猛的發(fā)展并日趨成熟，成為自動(dòng)加工裝備不可缺少的控制手段，曾經(jīng)引領(lǐng)制造裝備的技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。從20 世紀(jì)初礦物油引入作為液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)，到軸向柱塞泵的誕生，三大類閥的面世，再到上世紀(jì)50年代電液伺服閥、70年代電液比例閥的發(fā)明，都是液壓控制技術(shù)領(lǐng)域極具革命性的技術(shù)進(jìn)步。

1.2 現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的發(fā)展概況

液壓伺服控制技術(shù)是二次世界大戰(zhàn)期間及之后，由于武器和飛行器等軍事裝備對(duì)高精度、快速反應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的需要而發(fā)展起來的，在軍事武器裝備的生產(chǎn)中，特別是在航空航天領(lǐng)域中大顯身手。液壓伺服控制技術(shù)與現(xiàn)代微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的電液伺服控制和電液比例控制技術(shù)，構(gòu)成了現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的主體。隨著近代電子、計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等技術(shù)的迅猛發(fā)展，給液壓控制技術(shù)注入了更多新的活力，基于電液伺服控制和電液比例控制的機(jī)、電、液一體化的液壓控制技術(shù)層出不窮，現(xiàn)代控制技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

目前，電液控制技術(shù)以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，迅速在能量大、控制精度高、響應(yīng)速度快等領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)和機(jī)電控制方式，應(yīng)用于精密設(shè)備、重要或大型裝備、航空航天裝備、軋鋼設(shè)備等，在各行各業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮出越來越重要的作用。

2 現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 電液伺服控制技術(shù)

電液伺服系統(tǒng)是以電氣信號(hào)為輸入，以液壓信號(hào)為輸出，在系統(tǒng)的輸入和輸出之間有反饋連接的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1 為電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，輸入信號(hào)通過比較元件與反饋信號(hào)進(jìn)行比較后，得出偏差電信號(hào)，由電控器轉(zhuǎn)換為力信號(hào)，電- 機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，再把力信號(hào)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，經(jīng)液壓放大元件放大后，輸出具有一定壓力和流量的液體，控制液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)反饋元件檢測(cè)被控量或中間量，并反饋回輸入端。系統(tǒng)輸入信號(hào)的功率很小，但系統(tǒng)的輸出可以達(dá)到很大。

圖1 電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電液伺服控制系統(tǒng)，以其一系列的優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，成為新系統(tǒng)設(shè)計(jì)和舊設(shè)備改造的重要選擇。電液伺服控制系統(tǒng)有諸多明顯優(yōu)點(diǎn)：

（1）功率重量比、力矩慣量比或力質(zhì)量比大；

（2）易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度位移和力的控制；

（3）響應(yīng)速度快，加速性能好，控制精度高；

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，凈質(zhì)量??；但是也存在對(duì)油液的精度要求高、閥的加工精度高、工藝性差等缺點(diǎn)。

圖2 是某自動(dòng)生產(chǎn)線上，下料機(jī)械手的電液伺服控制系統(tǒng)，針對(duì)機(jī)械手取放工件的定位精度差的問題，引人了輸出壓力反饋的控制方法。位置傳感器將液壓缸的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)與輸入電信號(hào)比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)伺服放大器放大，輸出控制電流控制伺服閥芯運(yùn)動(dòng)，輸出壓力推動(dòng)液壓缸，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

圖2 上下料機(jī)械手電液伺服控制系統(tǒng)圖

2.2 電液比例控制技術(shù)

電液比例控制技術(shù)，是電液伺服控制技術(shù)的發(fā)展和補(bǔ)充，其主要構(gòu)成部件為比例控制閥，基本原理是輸出能夠隨著輸入的變化連續(xù)地、成比例地得到控制。比例控制閥實(shí)際是伺服控制閥的一種簡(jiǎn)化，主要是利用比例電磁鐵在壓力、流量和方向閥的基礎(chǔ)上改進(jìn)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高可靠性，降低成本。

電液比例控制系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作方便，容易實(shí)現(xiàn)遙控；

（2）自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)編程控制；

（3）工作平穩(wěn)，控制精度較高；

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件較少，對(duì)污染不敏感；

（5）系統(tǒng)的節(jié)能效果好。

主要缺點(diǎn)是成本較高，技術(shù)比較復(fù)雜。

三峽永久船閘液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，是長(zhǎng)江三峽水利水電樞紐工程中的重大裝備，其液壓控制系統(tǒng)的電液比例控制是關(guān)鍵技術(shù)之一，閘門在高壓大流量變速的復(fù)雜工況下運(yùn)行，能夠始終按設(shè)定的曲線平穩(wěn)運(yùn)行，而且具有良好的無級(jí)變速特性和較高的同步控制精度。

2.3 無線電液控制技術(shù)

無線電液控制技術(shù)是微電子技術(shù)、無線電技術(shù)與電液控制技術(shù)緊密結(jié)合形成的智能控制技術(shù)，集成了更先進(jìn)的液壓控制、通信和圖像處理技術(shù)，其原理是先將操作者或機(jī)器的控制指令進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過發(fā)射天線以無線電波的方式，傳遞給遠(yuǎn)處的接收系統(tǒng)，經(jīng)過解調(diào)和解碼，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型閥的遠(yuǎn)程操作控制。

無線電液控制技術(shù)，既有電液控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又有無線電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其出現(xiàn)極大地改善了工程機(jī)械操作人員的工作環(huán)境，提高了工程機(jī)械的自動(dòng)化程度，特別適合在復(fù)雜、惡劣和危險(xiǎn)環(huán)境下工作的機(jī)械工程裝備的控制，今后在機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)將有著廣泛的應(yīng)用前景。

無人駕駛的挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)，采用了無線電液控制技術(shù)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，極大地改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了由于視覺受限制所帶來的誤操作事故，提高了自動(dòng)化程度。

盾構(gòu)管片拼裝機(jī)，是地下隧道開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備，是應(yīng)用無線電液控制技術(shù)的典型設(shè)備。盾構(gòu)管片拼裝機(jī)是一個(gè)六自由度的機(jī)械手，利用無線遙控系統(tǒng)控制帶負(fù)載補(bǔ)償?shù)碾娨罕壤嗦烽y，從而控制機(jī)械手各個(gè)方向執(zhí)行器的動(dòng)作，不但能實(shí)現(xiàn)六自由度的無線電液遙控，而且定位準(zhǔn)確。

2.4 液壓現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線，是連接智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，是一項(xiàng)將智能傳感器、控制器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信融合在一起的綜合技術(shù)。在液壓控制系統(tǒng)中，引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以通過智能儀表對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力、流量、溫度等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速、網(wǎng)絡(luò)化傳輸，具有很好的開放性和互換性，系統(tǒng)可靠性高，可維護(hù)性好，更利于實(shí)現(xiàn)高速、高精度的液壓控制，并且降低了系統(tǒng)及工程成本。

現(xiàn)場(chǎng)總線液壓控制系統(tǒng)，在液壓總線的供油路和回油路間安裝數(shù)個(gè)開關(guān)液壓源，其與各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。由于將開關(guān)源的輸入端直接掛在液壓總線上，可以通過高速開關(guān)方式加以升壓或降壓增流，克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，最終輸出與各執(zhí)行器需求相適應(yīng)的壓力和流量。液壓系統(tǒng)故障診斷困難，利用現(xiàn)場(chǎng)總線診斷畫面來診斷液壓系統(tǒng)故障，能夠很方便地監(jiān)控工作現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)，幫助維修人員快速準(zhǔn)確地判斷故障。

液壓鍛造機(jī)需在高壓、大流量、換向頻繁的工作條件下，對(duì)大慣量運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行平穩(wěn)和精確控制，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性和性能提出很高的要求。圖3 是采用液壓現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的液壓鍛造機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，由PLC 系統(tǒng)、控制和監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡與PLC 系統(tǒng)交換信息，并完成鍛造機(jī)的位置與壓力閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

圖3 液壓鍛造機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，現(xiàn)代技術(shù)裝備的工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的要求日益提高，對(duì)液壓控制技術(shù)的要求也越來越高，現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的發(fā)展不應(yīng)該是孤立的，而應(yīng)該是與其他科學(xué)技術(shù)結(jié)合發(fā)展的結(jié)晶，只有這樣，液壓控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景才會(huì)更加寬廣。

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