工程机械液压控制技术的研究进展与展望
2022-06-09
【论文摘要】液压传动及控制技术在现代工程机械中发挥了越来越重要的作用。如何有效地发挥液压控制技术在提高工程机械整机的控制性能、可靠性等方面的作用，是液压行业和工程机械行业必需面对的课题。概述了国内外及浙江大学流体传动及控制国家重点实验室近年来在工程机械液压控制技术方面的研究进展，展望了该技术领域的发展方向和研究重点。
【论文关键词】工程机械液压传动及控制研究进展
作为主要施工设备的工程机械，目前95%以上都采用了液压传动与控制技术。液压传动与控制技术，是促进工程机械主流方向不断发展的基础条件：①在安装空间狭窄、对重量有严格限制条件下，实现大功率、多执行器的集中灵活控制(机位、远控、遥控)。②在只能以发动机作为原动力情况下，达到功率的综合利用与限制。③在相对更恶劣的外场工作环境和受油箱容积限制而出现较高油温情况下，保证运作的可靠性、安全性、舒适性。④环境友好。
液压传动及控制技术对工程机械整体性能的影响越来越大。如何有效地发挥液压控制技术在提高工程机械整机的控制性能、可靠性等方面的作用，是液压行业和工程机械行业必需面对的课题。
一、发展趋势及研究进展
（一）电子控制及自动化
电子控制及自动化的目标。对于液压挖掘机、起重机等作业机械系统的电子控制化，以液压系统的电子控制为主要特征，其目标主要如下[1]。①提高机能、性能：如挖掘机的自动挖掘(轨迹控制、自动反复挖掘、预先设定挖掘形状控制等)、作业范围限制(防止干涉、防止埋藏物破损等)。②提高操作性：作业模式切换(优先作业等)、防止摇晃、防止冲击、振动挖掘等。③提高安全性、可靠性和承受能力：防止干涉、防止倾覆、遥控操作。④提高能源利用率：从发动机到液压功率的转化效率髙，泵输出流量的最优控制，能量再生。
对于轮式装载机、推土机、自卸卡车等驱动系统的电子控制化，除上述目标外，其主要目标还包括HST(静液压驱动)[2’3]和HMT(混合液压机械传动)等的电子控制化[1]。
多路阀采用电液比例先导控制。多路阀采用电液比例先导控制，不但提高了执行器的工作性能,更为进一步的远控与无线遥控建立了坚实基础[4]。
电子泵技术。将变量泵的压力、流量参数通过电子控制系统控制，电控器随机处理相关传感器检测到的流量与压力信号，进行诸如恒压、恒流、恒功率以及各种复合控制，在提高变量泵性能、节能、简化系统和提高可靠性等方面，显现出惊人的效果。图1是配置压力、转速和倾角三个传感器的内置微机控制的电子泵[5]。
大型、特种工程机械的电子化控制。对于大型工程机械，电子控制是无可替代的，其首要目标是降低能耗、提高工作能力和安全可靠性[6]。
三菱公司生产的超大挖掘机(420t,SMEC),其液压系统拥有10套主泵，其中2套用于回转马达，形成HST系统。采用了分布式电子控制系统，并采用双向双传输系统以保证可靠性[7]。
图2是浙江大学与徐工集团共同研制的高空作业/消防车平台水平电液控制系统，是一个集水平度检测、信号处理及放大、电液比例/伺服转换等为一体的工程机械载人平台水平电液控制系统[8]。该项技术还推广应用于桥梁检测车水平控制系统、环保铰吸式挖泥船铰刀头的水平控制。
液压缸或摆动液压缸防水控制盒
高空作业/消防车平台水平电液控制系统原理图塔带机是一种将皮带运输机及塔式起重机有机结合在一起的大型特种工程机械，用于将混凝土远程直接输送到施工现场，对半径为近百米区域直接进行混凝土浇筑。其主起升泵马达电液控制系统，既要满足塔机状态下的高速重载起升要求，又要满足带机状态下的精确定点浇筑要求。塔带机电子控制包括采用封闭钢丝绳牵引的变幅小车液压系统电子控制，具有特大回转惯量的塔机回转电液控制，以及自重质量数百吨、且存在严重偏载的塔带机同步自顶升电液控制。浙江大学会同相关工程设计公司，研制了塔带机电液控制系统，并已成功应用于大型水电站的围堰及大坝的混凝土浇筑施工。
另一典型的特大型工程机械是盾构隧道掘进机，是先进的隧道施工机械。其液压系统的电子控制是盾构掘进机中的关键技术之一，包括刀盘液压驱动系统、盾构推进液压系统和螺旋输送液压控制系统等[9]。目前浙江大学和中铁隧道集团协作，正在开展盾构机液压系统的电子控制化研制工作。
二、智能化
尽管目前工程机械的液压一机械系统的智能化还处于初级阶段，却已对工程机械的性能与质量产生了重要影响。采用相关的智能化控制，工程机械的控制质量得到显著改善。例如，通过采用高级控制策略，可以解决挖掘机运动的稳定性问题，减少启动和停止时的振动。图3是浙江大学和日本日立建机公司研究人员提出的一种针对工程机械大惯性系统加减速运动控制的方法：基于压差传感的进、出口节流独立调节原理[1()]。采用两个独立调节的电液比例节流阀3、4,阀3采用压差传感方式控制执行器进油侧流量；执行器出油侧的压力由阀4进行控制，而不再受执行器进油侧流量的影响。这种控制模式可以缩短大惯性负载加速过程时间，避免减速及制动过程中执行器出油侧的压力冲击，提高系统的阻尼比，这是改善大惯性负载加速特性、减速及制动过程平稳性的有效途径之一[11]。
基于压差传感的进、出口节流独立调节控制原理1、6.压差传感器2、5压力传感器3.进口电液比例节流阀4.出口电液比例节流阀7.阀芯位移传感器8.控制器智能化最典型的例子就是工程机械无线遥控技术(无人挖掘机等)。它集成了更先进的液压控制、通信和图像处理技术。极大改善了操作人员的工作环境，降低了由于视觉受限制所带来的误操作事故，提高了自动化程度。如图4所示，是由无线信号操控的无人操作挖掘机[12]。可以说，进一步的智能化，将需要诸如视觉技术、图像处理、材料和土壤检测等新技术的组合[6'13，14]。
自动图像处理远程操作节能
面对经济性和环境问题，节能成为越来越重要的课题。工程机械的节能主要包括液压系统的节能和从发动机到液压系统的全局功率适应两个方面。
液压系统的节能
开中心负载适应系统(图5):这种简易型节能措施，在引进的和国产的工程机械中，都多有应系统限压先导阀2.限压阀3.梭阀网络4.可变节流器5.二通压力补偿器6.定量泵7.三通压力补偿器闭中心负载适应系统：必须配置负载敏感泵，成本高，但能基本达到与系统所需压力流量匹配，节能效果更为明显[17~19]。图6即为在挖掘机上应用的一种负载敏感系统。
一些工程机械执行机构与液压源距离远而引起的长管道问题，使得无法采用现有负载敏感技术。即使采用非负载敏感式定量泵加电液比例多路阀的控制方式，位于定量泵与电液比例多路阀之间的长管道，仍然会导致作业机构动作滞后或者作业精度差等问题。对此，浙江大学研究人员提出了相应的管道优化设计理论以及电液混合负载敏感系统的解决方案(图8)。针对阀控系统，提出了用于判断能否忽略其中管道效应的理论判。
远距离执行机构近距离执行机构
【论文关键词】工程机械液压传动及控制研究进展
作为主要施工设备的工程机械，目前95%以上都采用了液压传动与控制技术。液压传动与控制技术，是促进工程机械主流方向不断发展的基础条件：①在安装空间狭窄、对重量有严格限制条件下，实现大功率、多执行器的集中灵活控制(机位、远控、遥控)。②在只能以发动机作为原动力情况下，达到功率的综合利用与限制。③在相对更恶劣的外场工作环境和受油箱容积限制而出现较高油温情况下，保证运作的可靠性、安全性、舒适性。④环境友好。
液压传动及控制技术对工程机械整体性能的影响越来越大。如何有效地发挥液压控制技术在提高工程机械整机的控制性能、可靠性等方面的作用，是液压行业和工程机械行业必需面对的课题。
一、发展趋势及研究进展
（一）电子控制及自动化
电子控制及自动化的目标。对于液压挖掘机、起重机等作业机械系统的电子控制化，以液压系统的电子控制为主要特征，其目标主要如下[1]。①提高机能、性能：如挖掘机的自动挖掘(轨迹控制、自动反复挖掘、预先设定挖掘形状控制等)、作业范围限制(防止干涉、防止埋藏物破损等)。②提高操作性：作业模式切换(优先作业等)、防止摇晃、防止冲击、振动挖掘等。③提高安全性、可靠性和承受能力：防止干涉、防止倾覆、遥控操作。④提高能源利用率：从发动机到液压功率的转化效率髙，泵输出流量的最优控制，能量再生。
对于轮式装载机、推土机、自卸卡车等驱动系统的电子控制化，除上述目标外，其主要目标还包括HST(静液压驱动)[2’3]和HMT(混合液压机械传动)等的电子控制化[1]。
多路阀采用电液比例先导控制。多路阀采用电液比例先导控制，不但提高了执行器的工作性能,更为进一步的远控与无线遥控建立了坚实基础[4]。
电子泵技术。将变量泵的压力、流量参数通过电子控制系统控制，电控器随机处理相关传感器检测到的流量与压力信号，进行诸如恒压、恒流、恒功率以及各种复合控制，在提高变量泵性能、节能、简化系统和提高可靠性等方面，显现出惊人的效果。图1是配置压力、转速和倾角三个传感器的内置微机控制的电子泵[5]。
大型、特种工程机械的电子化控制。对于大型工程机械，电子控制是无可替代的，其首要目标是降低能耗、提高工作能力和安全可靠性[6]。
三菱公司生产的超大挖掘机(420t,SMEC),其液压系统拥有10套主泵，其中2套用于回转马达，形成HST系统。采用了分布式电子控制系统，并采用双向双传输系统以保证可靠性[7]。
图2是浙江大学与徐工集团共同研制的高空作业/消防车平台水平电液控制系统，是一个集水平度检测、信号处理及放大、电液比例/伺服转换等为一体的工程机械载人平台水平电液控制系统[8]。该项技术还推广应用于桥梁检测车水平控制系统、环保铰吸式挖泥船铰刀头的水平控制。
液压缸或摆动液压缸防水控制盒
高空作业/消防车平台水平电液控制系统原理图塔带机是一种将皮带运输机及塔式起重机有机结合在一起的大型特种工程机械，用于将混凝土远程直接输送到施工现场，对半径为近百米区域直接进行混凝土浇筑。其主起升泵马达电液控制系统，既要满足塔机状态下的高速重载起升要求，又要满足带机状态下的精确定点浇筑要求。塔带机电子控制包括采用封闭钢丝绳牵引的变幅小车液压系统电子控制，具有特大回转惯量的塔机回转电液控制，以及自重质量数百吨、且存在严重偏载的塔带机同步自顶升电液控制。浙江大学会同相关工程设计公司，研制了塔带机电液控制系统，并已成功应用于大型水电站的围堰及大坝的混凝土浇筑施工。
另一典型的特大型工程机械是盾构隧道掘进机，是先进的隧道施工机械。其液压系统的电子控制是盾构掘进机中的关键技术之一，包括刀盘液压驱动系统、盾构推进液压系统和螺旋输送液压控制系统等[9]。目前浙江大学和中铁隧道集团协作，正在开展盾构机液压系统的电子控制化研制工作。
二、智能化
尽管目前工程机械的液压一机械系统的智能化还处于初级阶段，却已对工程机械的性能与质量产生了重要影响。采用相关的智能化控制，工程机械的控制质量得到显著改善。例如，通过采用高级控制策略，可以解决挖掘机运动的稳定性问题，减少启动和停止时的振动。图3是浙江大学和日本日立建机公司研究人员提出的一种针对工程机械大惯性系统加减速运动控制的方法：基于压差传感的进、出口节流独立调节原理[1()]。采用两个独立调节的电液比例节流阀3、4,阀3采用压差传感方式控制执行器进油侧流量；执行器出油侧的压力由阀4进行控制，而不再受执行器进油侧流量的影响。这种控制模式可以缩短大惯性负载加速过程时间，避免减速及制动过程中执行器出油侧的压力冲击，提高系统的阻尼比，这是改善大惯性负载加速特性、减速及制动过程平稳性的有效途径之一[11]。
基于压差传感的进、出口节流独立调节控制原理1、6.压差传感器2、5压力传感器3.进口电液比例节流阀4.出口电液比例节流阀7.阀芯位移传感器8.控制器智能化最典型的例子就是工程机械无线遥控技术(无人挖掘机等)。它集成了更先进的液压控制、通信和图像处理技术。极大改善了操作人员的工作环境，降低了由于视觉受限制所带来的误操作事故，提高了自动化程度。如图4所示，是由无线信号操控的无人操作挖掘机[12]。可以说，进一步的智能化，将需要诸如视觉技术、图像处理、材料和土壤检测等新技术的组合[6'13，14]。
自动图像处理远程操作节能
面对经济性和环境问题，节能成为越来越重要的课题。工程机械的节能主要包括液压系统的节能和从发动机到液压系统的全局功率适应两个方面。
液压系统的节能
开中心负载适应系统(图5):这种简易型节能措施，在引进的和国产的工程机械中，都多有应系统限压先导阀2.限压阀3.梭阀网络4.可变节流器5.二通压力补偿器6.定量泵7.三通压力补偿器闭中心负载适应系统：必须配置负载敏感泵，成本高，但能基本达到与系统所需压力流量匹配，节能效果更为明显[17~19]。图6即为在挖掘机上应用的一种负载敏感系统。
一些工程机械执行机构与液压源距离远而引起的长管道问题，使得无法采用现有负载敏感技术。即使采用非负载敏感式定量泵加电液比例多路阀的控制方式，位于定量泵与电液比例多路阀之间的长管道，仍然会导致作业机构动作滞后或者作业精度差等问题。对此，浙江大学研究人员提出了相应的管道优化设计理论以及电液混合负载敏感系统的解决方案(图8)。针对阀控系统，提出了用于判断能否忽略其中管道效应的理论判。
远距离执行机构近距离执行机构