现代液压技术在军事工程机械与农林机械上的应用前景分析

现代液压技术在军事工程机械与农林机械上的应用前景分析

摘要本文梳理了数字液压技术、智能液压技术、新材料应用、环保液压技术、液压仿真技术等现代液压理论与技术在军事工程机械农林机械上的应用,并进行了特征分析。结果表明,多技术集成化、绿色环保、智能化、新材料应用等将成为现代液压技术在农林机械及工程机械上的应用趋势。

关键词现代液压技术;农林机械;工程机械;数字液压技术;智能液压技术

中图分类号S23文献标识码A

文章編号1007-5739(2020)17-0136-04 开放科学(资源服务)标识码(OSID)

AbstractThis paper sorted out the application of modern hydraulic theory and technology such as digital hydraulic technology, intelligent hydraulic technology, new material application, environmental hydraulic technology, and hydraulic simulation technology in military engineering machinery and agricultural and forestry machinery, and carried out characteristic analysis. The results showed that multi-technology integration, green environmental protection, intelligence and application of new materials would become the application trend of modern hydraulic technology in agricultural and forestry machinery and engineering machinery.

Key wordsmodern hydraulic technology; agricultural and forestry machinery; engineering machinery; digital hydraulic technology; intelligent hydraulic technology

液压技术是我国机械传动领域中应用较广泛的技术,其发展与更新的速度在不断加快。为适应快速发展的现代机械化水平,液压机械传动技术不断地与新型智能化技术融合,不断地在工程发展中改进[1]。现阶段,应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志[2]。随着科学技术的发展,液压技术逐渐融合了机电一体化技术、信息技术、网络技术、数字化技术、人工智能技术、电子技术等,在技术水平和工作效率上有了质的飞跃,逐渐形成了现代液压技术。随着我国农业机械化的快速发展以及各项重大工程的开工建设,对农业机械与工程机械的性能要求越来越高。现代液压技术集成应用到农林机械、军事工程机械,可使其破除发展瓶颈,实现更高程度的飞跃。本文对现代液压技术在农林、军事工程领域的应用现状进行探究,以期为我国农林机械转型升级、工程机械“高精尖”发展提供参考。

1现代液压技术发展现状

目前,液压技术已被广泛应用于各行各业,遍及工业领域[2]。现代液压技术主要的代表技术有数字液压技术、智能液压技术、新材料的应用、环保液压技术、液压仿真技术等。

1.1数字液压技术

数字液压技术是液压元件具有流体流动离散化或控制信号离散化特征的液压系统,也被称为数字液压系统[3]。通过数字液压技术可以实现农林机械、工程机械的智能化、高效率、数字化和网络化。计算机的日益发展和普及,对发展液压组件产生了前所未有的促进作用,各种功用的数字化液压组件不断出现,液压系统的数字化和微机化已成为发展潮流。同样,数字化液压组件的良好使用性,一方面满足了用户的需要,另一方面也对液压组件的研制提出了全新理念。数字液压元件主要有数字液压阀、数字液压缸、数字液压泵、数字液压马达等。在液压马达上装载数字液压阀,可以精确地控制转速,吊车旋转将更加均匀,速度平稳,内置油缸变成数字缸,可以精确地控制大臂的角度。数字液压技术主要有直接数字液压技术和间接数字液压技术(图1)。

1.2智能液压技术

液压技术的高级形式已发展到把编程后的芯片和液压控制元件、液压执行元件、能源装置、检测反馈装置、数模转换装置、集成电路等汇成一体,形成智能液压技术体系。农林机械、工程机械液压系统在使用过程中会出现问题或故障,需及时解决。液压系统故障发生时较隐蔽,并且不能通过外部观察发现液压控制系统故障[4]。对智能液压系统提出更好的解决方案,将有助于保障我国工业化发展。液压智能元件具备3种基本功能:液压元件主体功能、液压元件性能的控制功能与对液压元件性能服务的总线及其通讯功能[5]。液压智能元件可替代人工干预来完成元件的性能调节、控制与故障处理功能。例如,在PVG比例多路阀中,可用二位二通先导电磁数字阀的桥式回路阀组实现传统的三位四通电磁阀功能(图2)。 1.3新材料在液压技术中的应用

工程塑料、工程陶瓷、聚合物或涂敷料等新型材料的使用,可提高液压元件质量、降低成本,促进液压技术发展。铸造工艺的发展,有助于优化液压元件内部流动、减少压力损失、降低噪声、促进元件小型化和模块化。在液压技术中应用的新材料有工程陶瓷、铜锌铝双向记忆合金片、磁流体/磁流变流体材料、工程塑料、电镀Cr/CrN复合涂层、压电材料(PZT)等,具体如表1所示。

1.4环保液压技术

液压系统具有工作压力和流量可调性好、功率大、热量可被带回油箱等优点。但值得注意的是,液压传动存在多次能量转换,而且液压油箱会造成潜在环境污染和油的损耗。因此,液压技术必须不断改进这些存在的缺点,提高液压传动与控制的性能。环保液压技术包括能量回收、能量损失降低、容积调速方式、直驱式液压系统结构紧凑、去管路可降解液压油等。

1.5液压仿真技术

虚拟仿真技术在液压系统中的应用可以为液压系统的设计、操作、优化以及控制等,特别是为不可控的动态工作性能提供了一种检验的技术手段,已经成为比较成熟的理论且具有较高的实用价值[10]。仿真计算流程主要有以下几个方面。一是建立数学模型。根据被模拟或被仿真的研究对象的工作机理、动力学特性以及工作条件等,给出被研究对象的数学描述;二是模型解算方法的选择;三是解算程序的编制和运行;四是仿真过程的后处理部分。液压仿真方法有计算流体力学(离散化和代数化),可以进一步细分为有限差分法、有限元法、边界元法等3种;键合图法;多物理场耦合法;三维实时仿真技术;并行仿真计算;多媒体仿真技术;半物理仿真技术;物理仿真技术。通过液压仿真技术的应用可达到优化设计、缩短設计周期的目的。可视化建模环境的体系结构如图3所示。

2现代液压技术在农林机械、工程机械中的应用现状

2.1数字液压技术的实际应用

挖掘机工作臂液压系统原理如图4(a)所示,通过操纵控制阀实现铲斗缸、斗杆缸和动臂缸的配合动作,使挖掘机获得各种掘入路线和角度,形成不同的工作面。但是,这种操作难度较大。为此,把上述3个普通液压缸换成数字液压缸,通过计算机对数字液压缸实施控制。经过数控化改造后的计算机控制挖掘机液压工作臂如图4(b)所示[11]。

挖掘机的研发进展十分迅速。取代挖掘机多路阀的数字液压阀及缸已研发试制成功,数字变量液压泵及数字变量液压马达设计也全部完成,正进行试制。全程数字液压挖掘机样机即将试制成功,并且投入作业试验[12]。

2.2智能液压技术的实际应用

目前,智能液压元件的发展主要存在2个方向。一是针对传统液压元件做一定的智能化改造;二是采用新结构(双阀芯)的智能液压元件[13]。智能化挖掘机是利用人工智能技术、数字化技术、机器人技术和信息物理网络技术对传统挖掘机的升级改造,集智能自主作业、智能感知、远程遥控、智能诊断功能为一体[14-15](图5)。该方法利用安装在驾驶室上的摄像头采集机械臂图像,通过神经网络将姿态信息反馈至控制系统,从而控制机械手。结果表明,该方法具有稳定的分级性能,但该系统的实时性较难解决。神经网络处理图像时间较长或图像采集速度较低会给控制系统带来明显的时滞,因而图像处理速度是影响视觉伺服控制系统实时性的主要因素之一。

近年来,液压驱动技术被应用到精密播种机中[16]。作业模式的提高对耕作机械的精度要求越来越高。播种作业是整个作业过程中最关键的环节。受季节性等因素的影响,适期播种非常重要,因而对种子和肥料的播施深度要求也高。通过旋转压力旋钮来调节风机输出风速,进而有效控制种子和肥料的播施深度。全液压底盘驱动方案已在植保机械、收获机械上得到应用,易于实现自动化、智能化控制和远程操纵,满足人们的要求[17]。

2.3环保液压技术的实际应用

此技术可提升机械能量变换的速率,提高体系作业速率。农业机械体系动力学特点、动态特点逐渐彰显,随着此技术信息搜集处理、故障问题监控技术等技术的逐渐优化,非常有利于农业环保工作的正常进行[1]。液压挖掘机科学避免现代化液压挖掘机施工产生的噪声、粉尘等污染已成必然,因而环保化、节能化与智能化是液压挖掘机的发展趋势[18]。搭载能量可回收液压系统的吊机臂如图6所示。

该系统在液压缸下落工况时,液压油流经交流电机形成电流,从而产生电能,电能储存到蓄电池中,可以回收再利用。EMB液压混合传动单元使用一个先进的蓄能器储存制动过程中的能量,然后,储存在蓄能器中的能量被用于车辆下一次启动时的加速。一旦能量耗尽,将会重新启动发动机。不同于在电池中储存能量的电力混合动力系统,液压混合动力系统可以回收和重复使用70%的制动能量[19]。

2.4新材料液压技术的实际应用

农林、工程车辆在行驶过程中其载荷、路况、车速等行驶状态会有很大的变化。阻尼可调减振器的应用,克服了被动减振器的单一外特性不能满足车辆在多种工况下的阻尼力需求的缺点。在现有的阻尼可调减振器中,磁流变减振器的性能最好,但成本高。有研究提出了一种基于磁流变液挤压模式的磁流变压力控制阀,通过控制电流调节磁流变压力控制阀的流量—压力特性,实现减振器的阻尼可调,改善车辆的平顺性[9]。磁流变阀控减振器的意义在于:一是磁流变阀控减振器能够有效地衰减车身振动,改善车辆的平顺性;二是磁流变压力控制阀利用了磁流变液挤压模式的原理,在小的阀芯运动范围能够实现大的压力调节范围;三是磁流变阀控减振器具有大的阻尼力调节范围,能适应车辆在不同行驶工况对阻尼力的需求。宋佳星[7]设计了压电陶瓷驱动伺服阀并研究了其特性,得到质量轻、结构简单、经济效益好、动态性能优的新型压电陶瓷驱动型伺服阀,为智能液压驱动技术打下了基础。 2.5液压仿真技术的实际应用

刘亮亮[20]运用了AMESim-Simulink软件对旋耕机耕深控制系统进行研究。通过分析旋耕机耕深控制系统及相关田间旋耕作业要求确定其液压系统原理图,根据相关液压系统设计手册确定了包括工作压力、所需旋耕部件功率以及旋耕作业时所需最大工作载荷等工作参数,并且对系统主要元件展开设计和选用。履带自走式旋耕机如图7所示。

宁圆盛等[21]对PD控制的液压系统进行了建模分析,仿真结果表明,控制器增益系数的调整,影响系统的稳定性、准确性、快速性,3种性能相互影响、相互制约。当系统稳定工作时,加入微分环节,系统的响应速度提高,稳定性增强,振荡次数减少,但自身抗干扰能力下降。该方法可用来分析不同控制环节对液压系统动态特性的影响。

3现代液压技术的应用前景

3.1多技术集成应用

现代液压技术逐渐形成多学科交叉的体系,涉及诸多先进技术。随着农林机械、工程机械的高精尖化发展,现代液压技术必将成体系地为其服务。液压仿真技术融入研发、教学、生产等一系列过程中,将更好地为液压技术进一步发展提供高效、低成本的研发平台[22]。

3.2更加注重绿色环保

绿色环保理念深入人心,现代液压技术将向绿色节能、高效可靠方向发展,机电产品使用的液压装置正向高压化、小型化、高速化、耐高温等方向发展[17]。由于农林机械、工程机械绝大部分的作业与周围环境密切相关,对环境造成的影响最大,因而运用绿色环保的液压技术有重要意义。

3.3新材料将为液压技术发展应用助力

新材料的发展应用,会解决液压元件设计、制造、应用等问题。液压系统的失效问题主要有密封防泄漏、耐高温高压、造价成本等,新材料的研发和投入使用,可解决诸多问题。农林机械、工程机械的工作环境恶劣,对液压系统的性能要求较高,应用新材料的液压技术是农林、工程机械的首选。

3.4智能液压技术将深入发展应用

《中国制造2025》将农业装备定义为融合生物和农艺技术,集成机械、电子、液压、信息等高新技术的自动化、信息化、智能化先进装备[19]。工程机械的发展也将迈入智能化发展道路。智能液压技术的发展应用对农林机械、工程机械智能化发展至关重要。

4结语

数字液压技术、智能液压技术、新材料的应用、环保液压技术、液压仿真技术是现代液压技术的主流技术。数字液压技术、智能液压技术、新材料应用、环保液压技术等先进液压技术已部分装备应用于农林、工程机械,提高了各项作业性能;液压仿真技术已应用于农林、工程机械的研发、在优化设计过程中极大地提高了研发效率。多技术集成应用、更注重绿色环保、新材料发展应用、智能液压技术深入发展应用成为现代液压技术在农林、工程机械装备中的应用趋势。

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