數字液壓技術發展概況及應用展望

王海衛 張棟 韓科 陶祥力

摘要：隨著計算機技術的發展，液壓技術與傳感器、微電子技術的結合已成為一種必然趨勢。數字液壓技術相比于傳統液壓技術，具有結構簡單、控制精確、抗干擾能力強、更容易實現計算機控制等優點，在高端工程機械、國防軍工、海洋裝備、試驗檢測等領域具有廣泛應用。結合應用需求，闡述國內外數字液壓技術，介紹國內外數字液壓元件及性能，分析數字液壓技術發展趨勢，為數字液壓技術的發展提供參考。

關鍵詞：數字液壓；控制技術；液壓缸；液壓馬達；液壓閥

0? ?引言

液壓及控制技術是一種應用極為普遍的工業基礎技術，具有功率密度比大、動態響應快、無級調速穩、易于實現過載保護等特點[1]，在國民經濟各領域中應用廣泛，特別是在工程機械、海洋裝備等重型機電工業中應用更為廣泛。

傳統液壓傳動與控制技術是一種以電液控制閥、比例伺服閥或變量泵、馬達為基本元件，通過連續的模擬量（壓力、流量、位移、力、力矩等）獲知控制信號，并與傳感器、控制元件、伺服放大器等硬件與控制算法相結合來實現液壓系統的控制。而數字技術是以離散數學、邏輯數學為基礎，采用二進制算法來構建系統。系統采用標準邏輯單元，具有良好的通用性。數字液壓能實現微米級精密控制，有機融合液壓缸、液壓閥、反饋與驅動控制裝置，利用其內部巧妙的機械反饋調節裝置，使液壓傳動控制大為簡化，降低了系統設計、維護門檻和綜合成本[2]，并對液壓使用環境有更高的耐受度。

傳統液壓系統有著嚴格的使用環境要求，如油液清潔度要求高，且傳統液壓系統反饋性能差、響應速度慢、工作精度低以及嚴重的不確定性，難以適應現代重型機電工業對驅動元件數字化、高效率及反饋性能嚴格的要求。隨著計算機技術的不斷進步，增材制造、電液集成化設計、傳感器與液壓控制單元的相互集成，上述問題基本得到了解決，液壓元件的系統穩定性、動態響應及使用壽命得到了有效提高，數字液壓技術擁有了廣泛的應用前景。

在歸納總結國內外研究基礎上，國內學者給出了數字液壓技術主流的定義。數字液壓技術是指直接數字化液壓終端執行元件，通過接受數字控制器和計算機發出的脈沖信號，實現穩定工作的液壓技術。它將控制還給電，而將數字化的功率放大留給液壓。結合研究需求，本文介紹了國內外數字液壓技術及數字液壓元件，對未來數字液壓技術的發展方向進行展望，為數字液壓技術的提高提供參考。

1? ?數字液壓關鍵元件

1.1? ?數字液壓缸

數字液壓缸在外形和功能上與傳統電液伺服缸相似，但在結構與原理上有著本質區別?，F在數字液壓缸均是在缸體內裝有閥控系統、滾珠絲杠等機械閉環反饋機構，以伺服電機或步進電機來驅動閥芯位移，以數字化形式輸出位移量。數字液壓缸的輸出精度克服了由于負載變化、油壓、泄漏等因素的而造成的影響[3]，數字液壓缸天生具有數字化和信息化能力，因此它是推動機械行業實現4.0的最好的基礎共性器件。

德國Hanchen[4]公司研制了一種新型數字液壓缸，其位移傳感器位于內部中空的活塞桿中，活塞桿與液壓介質分離。采用環狀間隙密封和靜壓支撐密封相結合的密封形式，油液在間隙小孔中流淌，在小孔間隙處會存在壓力差。由于薄油膜附著在表面，使得二者之間的摩擦力大幅度減小。同時優化處理活塞桿導向元件，進一步減小摩擦力。這種數字液壓缸使用壽命長、工作穩定性好、動態響應頻率高[5]。

挪威阿哥德大學[6]設計了一種電動數字液壓缸。該設計將動力單元集成到液壓缸中，將數字開關閥以及數字液壓泵與液壓缸結合，并利用MATLAB-Simulink軟件仿真，得到該閥最大工作壓力為35MPa，最大流量為30L/min，工作電壓為12V，功耗15W，具有快速響應、長壽命、結構緊湊等優點。

重慶大學[7]研制出一種編碼器檢測的閉環控制電液數字液壓缸，如圖1所示。它采用光電編碼器反饋的閉環控制系統，以有效補償系統溫度、壓力負載等影響因素所帶來的擾動，提高了液壓缸的控制精度[8]。該數字液壓缸中滾珠絲桿的導程為10mm，步進電機和光電編碼器的脈沖周期為1024P/R，精度可達到0.01mm。該數字液壓缸通過磁耦合機構來實現旋轉運動的有效傳遞。

四川大學[9]研發了一款新型數字液壓缸，如圖2所示，該數字液壓缸一次開閉即可實現液壓缸全過程位置定位與速度控制。系統工作時，控制閥芯向左移動，液壓油由此進入無桿腔，活塞桿向右移動，閥芯跟隨向右移動，關閉閥口。此時通過PLC控制，無需關閉閥口，保持上述二者的移動速度一致，即能實現液壓系統的動態平衡。億美博科技有限公司和北京三強同維機電液壓科技發展有限公司[10]等在數字缸方面也進行了大量研究，取得了一系列研究成果。

1.2? ?數字液壓馬達

數字液壓馬達是用數字閥來實現柱塞腔與進出油口之間油液的流通，取代傳統液壓馬達中的液壓缸體和配流盤。通過數字閥控系統控制時序和脈寬信號占空比，數字液壓馬達能夠達到雙向無級調速效果，增大液壓馬達的工作范圍[11]，提高了液壓馬達的機械效率與容積效率。

上海交通大學[12]研制的一款數字配流與調速式液壓馬達，如圖3所示。其由本體、高速電磁開關閥、電子控制單元（ECU）和絕對值角度編碼器組成。每2個高速電磁開關閥為一組，與油路上的5個柱塞相通。新型數字液壓馬達，通過調節開關閥控制信號的占空比，實現對馬達轉速的調節。通過改變控制信號相序，調節數字液壓馬達的轉向。絕對值角度編碼器與馬達曲軸相連接，將轉角測量后傳遞給電子控制單元，從而控制高速電磁開關閥啟閉。如此柱塞腔即可以按照計劃接通關閉油路，從而實現曲軸旋轉。

1.3? ?數字液壓泵

數字液壓泵種類繁多，主要配流方式有以下幾種[13]：一是將數字閥安裝在在定量泵的出油口，通過數字閥的開關響應在實現泵的流量輸出。二是在液壓泵內部裝有數字閥及傳感檢測裝置，通過檢測裝置將信號傳遞給數字閥，進而通過控制柱塞工作狀態實現液壓泵壓力或流量的精確控制[14]。三是多個定量泵自帶配流機構組成液壓泵組。

美國麥迪遜大學[15-16]研制出一種新型基于PWM的脈寬調制式數字液壓泵，變量活塞的控制由二位二通電磁換向閥完成，數字液壓泵的流量調節通過調節換向閥的開關時間來完成。

日本高谷技術公司[17]將脈沖馬達、RCV旋轉閥和標準的變量泵相組合，用戶可以直接使用數字信號控制變量泵。RCV閥通過旋轉的方式來切換油路的通閉，具有回轉式機械伺服的特點，輸入軸與輸出軸均可旋轉，一端與脈沖馬達連接，另一端與液壓缸連接，以此控制液壓泵斜盤傾角。與活塞桿的連接采用機械隨動式控制，可以數字的方式來控制液壓泵的壓力或流量參數。RCV旋轉閥除了可用于數字泵的控制外，還可用于對兩個液壓缸進行同步控制。該數字液壓泵大大提高了機電液一體化的自動化程度，為計算機控制液壓泵開辟了廣闊空間。

昆明理工大學[18]設計了一款數字變量泵，可在閉環控制狀態下實現變量功能?？刂菩盘柊l出后，高速開關閥、插裝閥隨著信號高速進行啟閉狀態的變化。高速開關閥的啟閉時間通過調節控制信號占空比來完成，從而控制液壓系統輸入流量大小。PWM控制信號頻率為20Hz時，蓄能器的預壓力為4MPa，占空比0.5，穩定后的壓力值8.7～8.5MPa，響應時間為0.5s，基本實現了數字式變量泵的高效控制。

哈爾濱工業大學[19]研制的數字液壓泵如圖4所示。它利用圓柱凸輪機構驅動若干個相同排量的柱塞缸，各個柱塞缸通過管道連接到總回路進出油口。配流機構由1個二位二通高速開關閥和1個單向閥組成，通過控制開關閥信號來實現數字配流。其采用24個柱塞缸，沿軸向布置分為4組，每個凸輪驅動6個缸體，各缸體之間相位差為60°。該數字液壓泵額定工作壓力為35MPa，排量為21.97L/r。

1.4? ?數字液壓閥

數字液壓閥主要分為增量式數字閥與高速開關式數字閥兩種。增量式數字閥多采用步進電機驅動，用機械結構將其與閥芯相連接，將步進電機的轉動角度轉換為閥芯的角位移或直線位移，從而改變閥芯與閥套的相對位置，實現流量控制。

增量式數字閥技術在20世紀90年代發展較快。以日本東京計器公司生產的數字調速閥為代表，其生產的壓力閥、流量閥、換向閥等均己投入市場，流量范圍為1～500L/min，壓力最高可達210MPa，輸入脈沖數為100～126，其滯環精度和重復特性精度均在0.1%以下。此外，國內外眾多科研機構與高校都相繼研究了增量式數字閥。

雖然增量式數字閥開環控制精度高，抗干擾能力強。但增量式數字閥存在著眾多局限，步進電機與閥芯之間會產生死區與零點漂移，且會受到步進電機相位滯后嚴重、失步的困擾。而將ON/OFF數字信號直接轉化成流量信號是高速開關式數字閥的優點，采用脈沖流量控制方式，使得數字信號直接與液壓系統結合，響應速度高。高速開關式數字閥因結構簡單、壓力損失小、能耗低、對油液污染不敏感等特點，成為液壓研發領域新的熱點。

芬蘭阿爾托大學[20]研發了一款微型數字液壓開關閥，這閥門有一個電磁驅動的液壓先導級，閥門最大流量約為9L/min，最大工作壓力超過25MPa，壓差為25MPa，閥門的開啟響應時間為1.3～1.6ms，關閉響應時間為1.4～2.7ms。

美國BKM公司與貴陽紅林集團合作開發的一種螺紋插裝式高速電磁閥[21]，如圖5所示。該閥銜鐵復位方式為液壓力復位，不會因彈簧復位產生彈簧疲勞損壞現象。球閥閥芯具有自動對中功能，啟閉特性良好，開啟時間為3.5ms，關閉時間為2.5ms，流量為2～9L/min，壓力最高可達20MPa，重復精度為±0.05ms，目前已廣泛應用于液壓系統的流量與壓力控制中。將該閥用作先導閥，可使主閥實現大流量輸出。

中國航天科技集團公司[22]研發了一款由PZT壓電材料驅動的高速開關閥，位移控制精度高，響應速度快，輸出力大，功耗低，如圖6所示。該閥屬于二位三通型錐閥結構的單級閥，主要結構是將兩組PZT元件分別安裝在閥芯兩側，單側通電PZT元件，使其產生驅動位移來進行高速開關動作。檢測閥芯位移的微位移傳感器集成安裝在閥體內部。該閥額定壓力為10MPa，額定流量為8L/min，開啟時間約1.2ms，關閉時間約1.7ms，脈寬調制頻率為200～300Hz。其不足之處在于壓電材料易脆，溫度系數高，輸出位移小，制造成本大。且動態響應的振蕩問題比較突出，導致其應用領域受限。

華中科技大學[23]研制一款水液壓數字比例閥，如圖7所示。該閥由彈簧對中型式主閥和先導閥組成。先導閥閥芯的驅動通過放大壓電致動器輸出位移來實現。工作狀態時，不同壓電致動器的通斷電通過PCM控制器控制，從而將先導閥的壓力進行調節，實現對主閥閥芯位移和閥口流量調節。先導閥和主閥理論開啟時間約80ms，關閉時間約40ms，額定流量100L/min，主閥額定壓力1MPa，先導閥額定壓力1.5MPa。

華中科技大學研制出將兩個二位三通換向球閥并聯于一體的水液壓數字開關閥[24]。兩個二位三通球閥分別由兩個E型電磁鐵控制，閥體兼作電磁鐵鐵，銜鐵兼作力放大杠桿。閥體選用高強度鐵磁合金材料，電磁線圈在閥體內密封，水密性能和耐壓性能能夠滿足需求。額定壓力為14MPa，工作電壓12V，流量為4L/min。其響應頻率在小壓力工況下可達到20Hz，正常工作頻率達到15Hz。占空比可調范圍大，在5Hz工作頻率時，占空比可調范圍達10%～85%。

2? ?數字液壓技術的發展趨勢

目前數字液壓應用領域還較為狹窄，在重型工業領域、試驗檢測領域、產業聚集領域、數字液壓技術平臺領域還有較長的路。未來要形成產業鏈完整，具備完善的設計、生產、檢測、計量、認證、標準體系，以推進數字液壓技術在高端工程機械、海洋裝備及國防軍工等行業中的應用。

發展數字液壓離不開高精尖變量液壓元件與高技術水平的數字液壓閥[25]。數字信號控制、高壓大流量、高可靠性將是未來發展的重要方向，為此要不斷進行機械結構優化，減小其體積和重量，增強可靠性和安全性，擴展其應用范圍[26]。要圍繞數字液壓技術，建立高端數字液壓元件（泵/馬達、閥、缸）相關標準體系，建立數字液壓各項功能的試驗檢測能力，為數字液壓技術在高端機械行業中的應用提供平臺支撐，建立支撐行業發展的產業技術基礎公共服務能力。

3? ?應用展望

隨著各項技術不斷成熟，數字液壓技術必將在高端工程機械、國防軍工、海洋裝備、大負載機器人及機械手、新型能源利用等領域得到推廣及應用，必將簡化結構，改善機械裝備性能，提高效率，提高可控性與控制精度，降低故障率。

3.1? ?高端工程機械

隨著我國城市化進程的加快，包括履帶起重機、裝載機、挖掘機、平地機、壓路機和礦車等工程機械具有廣闊的市場前景，同時工程機械的使用場景也越來越復雜，工程機械操作變得越來越可靠，自動化程度也越來越高。

高空作業車是傳輸工作裝置和工作人員到空中作業的專業車輛?？蛇\用一體化設計理念，采用數字液壓元件替代原有液壓元件，升級高空作業車支腿回路的液壓系統。4只液壓缸采取同步控制，由一個電機驅動4只串聯的增量式數字閥，即可驅動閥芯控制4個位置電液數字缸的伸縮。閥控電液數字缸能夠精準實現行程控制，通過活塞桿伸縮控制支腿升降，大大簡化了支腿回路的控制難度。4個支腿可以同步控制伸縮，適應不同地形的變化，保持姿態平衡，且在反力變化時基本沒有爬行等現象。其能夠適應不同的作業環境，支腿反力分配更加均勻，提高了系統運行的穩定性與安全指數。

3.2? ?國防軍工

作為未來高新技術產業發展的重要方向之一，機器人在現代生活應用極廣，在民用領域和軍事領域都發揮著重要作用。

六自由度并聯機器人[27-28]作為空間運動的模擬器或補償器，可在允許工作范圍內模擬任意空間運動。它采用數字液壓元件構建的六自由度平臺液壓系統，可加快系統反應速度，提高運動精度、抗負載擾動能力。其不僅可應用于潛艇姿態訓練、軍艦模擬、直升機起降平臺等軍事領域，在航天航空、海洋工程、汽車制造、游戲娛樂等領域也有廣泛應用。

3.3? ?海洋裝備

海洋環境尤其是深海環境復雜多變，液壓技術憑借其功率密度高、輸出扭矩大、調速方便、工作平穩、沖擊小、換向快速、實現過載保護簡單等優點，在深海探測設備、海上石油鉆井平臺、各種深潛器等領域得到了較為廣泛的應用。

華中科技大學[29-30]針對4500m級深潛器的要求，研制出超高壓浮力調節海水泵。該泵在1000r/min時，空載流量為6.3L/min，壓力48MPa時為5.7L/min，總效率為81%，容積效率為91%，機械效率為90%。

3.4? ?試驗檢測

數字液壓技術創新及試驗檢測平臺，具備標準、檢測、計量、認證、知識產權和成果轉化一體化服務能力。主要可分為整機模擬系統試驗臺、數字化與智能化數字液壓耐久性試驗臺、高低溫試驗室等。以平臺為中心，可以開展技術交流合作。

以德國BOSCH、美國EATON、意大利ATOS為代表的國外數字液壓行業大型跨國企業技術成熟，產業鏈完整，具備完善的設計、生產、檢測、計量、認證、標準體系。相反，國內數字液壓元件生產企業規模較小，試驗檢測能力差，產業集聚性低，缺乏數字液壓技術平臺支撐，亟需建立數字液壓技術創新及試驗檢測產業技術基礎公共服務平臺，加快推進數字液壓技術在高端工程機械、機床裝備、海洋裝備及國防軍工等行業中的應用。

4? ?結束語

數字液壓技術相比于傳統液壓技術，具有結構簡單、控制精確、抗干擾能力強、更容易實現計算機控制等優點，在高端工程機械、國防軍工、海洋裝備、試驗檢測等領域具有廣泛應用。本文結合應用需求，闡述國內外數字液壓技術，介紹國內外數字液壓元件及性能，分析數字液壓技術發展趨勢，為數字液壓技術的發展提供參考。

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