摘要 本文梳理了數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)、液壓仿真技術(shù)等現(xiàn)代液壓理論與技術(shù)在軍事工程機(jī)械與農(nóng)林機(jī)械上的應(yīng)用，并進(jìn)行了特征分析。結(jié)果表明，多技術(shù)集成化、綠色環(huán)保、智能化、新材料應(yīng)用等將成為現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林機(jī)械及工程機(jī)械上的應(yīng)用趨勢。

　　關(guān)鍵詞 現(xiàn)代液壓技術(shù);農(nóng)林機(jī)械;工程機(jī)械;數(shù)字液壓技術(shù);智能液壓技術(shù)

　　液壓技術(shù)是我國機(jī)械傳動領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛的技術(shù)，其發(fā)展與更新的速度在不斷加快。為適應(yīng)快速發(fā)展的現(xiàn)代機(jī)械化水平，液壓機(jī)械傳動技術(shù)不斷地與新型智能化技術(shù)融合，不斷地在工程發(fā)展中改進(jìn)[1]。現(xiàn)階段，應(yīng)用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)逐漸融合了機(jī)電一體化技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)、電子技術(shù)等，在技術(shù)水平和工作效率上有了質(zhì)的飛躍，逐漸形成了現(xiàn)代液壓技術(shù)。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展以及各項(xiàng)重大工程的開工建設(shè)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械與工程機(jī)械的性能要求越來越高。現(xiàn)代液壓技術(shù)集成應(yīng)用到農(nóng)林機(jī)械、軍事工程機(jī)械，可使其破除發(fā)展瓶頸，實(shí)現(xiàn)更高程度的飛躍。本文對現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林、軍事工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行探究，以期為我國農(nóng)林機(jī)械轉(zhuǎn)型升級、工程機(jī)械“高精尖”發(fā)展提供參考。

　　1 現(xiàn)代液壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，液壓技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，遍及工業(yè)領(lǐng)域[2]。現(xiàn)代液壓技術(shù)主要的代表技術(shù)有數(shù)字液壓技術(shù)、智能液壓技術(shù)、新材料的應(yīng)用、環(huán)保液壓技術(shù)、液壓仿真技術(shù)等。

　　1.1 數(shù)字液壓技術(shù)

　　數(shù)字液壓技術(shù)是液壓元件具有流體流動離散化或控制信號離散化特征的液壓系統(tǒng)，也被稱為數(shù)字液壓系統(tǒng)[3]。通過數(shù)字液壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械的智能化、高效率、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。計(jì)算機(jī)的日益發(fā)展和普及，對發(fā)展液壓組件產(chǎn)生了前所未有的促進(jìn)作用，各種功用的數(shù)字化液壓組件不斷出現(xiàn)，液壓系統(tǒng)的數(shù)字化和微機(jī)化已成為發(fā)展潮流。同樣，數(shù)字化液壓組件的良好使用性，一方面滿足了用戶的需要，另一方面也對液壓組件的研制提出了全新理念。數(shù)字液壓元件主要有數(shù)字液壓閥、數(shù)字液壓缸、數(shù)字液壓泵、數(shù)字液壓馬達(dá)等。在液壓馬達(dá)上裝載數(shù)字液壓閥，可以精確地控制轉(zhuǎn)速，吊車旋轉(zhuǎn)將更加均勻，速度平穩(wěn)，內(nèi)置油缸變成數(shù)字缸，可以精確地控制大臂的角度。數(shù)字液壓技術(shù)主要有直接數(shù)字液壓技術(shù)和間接數(shù)字液壓技術(shù)(圖1)。

　　1.2 智能液壓技術(shù)

　　液壓技術(shù)的高級形式已發(fā)展到把編程后的芯片和液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件、能源裝置、檢測反饋裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、集成電路等匯成一體，形成智能液壓技術(shù)體系。農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械液壓系統(tǒng)在使用過程中會出現(xiàn)問題或故障，需及時(shí)解決。液壓系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)較隱蔽，并且不能通過外部觀察發(fā)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)故障[4]。對智能液壓系統(tǒng)提出更好的解決方案，將有助于保障我國工業(yè)化發(fā)展。液壓智能元件具備3種基本功能：液壓元件主體功能、液壓元件性能的控制功能與對液壓元件性能服務(wù)的總線及其通訊功能[5]。液壓智能元件可替代人工干預(yù)來完成元件的性能調(diào)節(jié)、控制與故障處理功能。例如，在PVG比例多路閥中，可用二位二通先導(dǎo)電磁數(shù)字閥的橋式回路閥組實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的三位四通電磁閥功能(圖2)。

　　1.3 新材料在液壓技術(shù)中的應(yīng)用

　　工程塑料、工程陶瓷、聚合物或涂敷料等新型材料的使用，可提高液壓元件質(zhì)量、降低成本，促進(jìn)液壓技術(shù)發(fā)展。鑄造工藝的發(fā)展，有助于優(yōu)化液壓元件內(nèi)部流動、減少壓力損失、降低噪聲、促進(jìn)元件小型化和模塊化。在液壓技術(shù)中應(yīng)用的新材料有工程陶瓷、銅鋅鋁雙向記憶合金片、磁流體/磁流變流體材料、工程塑料、電鍍Cr/CrN復(fù)合涂層、壓電材料(PZT)等，具體如表1所示。

　　1.4 環(huán)保液壓技術(shù)

　　液壓系統(tǒng)具有工作壓力和流量可調(diào)性好、功率大、熱量可被帶回油箱等優(yōu)點(diǎn)。但值得注意的是，液壓傳動存在多次能量轉(zhuǎn)換，而且液壓油箱會造成潛在環(huán)境污染和油的損耗。因此，液壓技術(shù)必須不斷改進(jìn)這些存在的缺點(diǎn)，提高液壓傳動與控制的性能。環(huán)保液壓技術(shù)包括能量回收、能量損失降低、容積調(diào)速方式、直驅(qū)式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、去管路可降解液壓油等。

　　1.5 液壓仿真技術(shù)

　　虛擬仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用可以為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作、優(yōu)化以及控制等，特別是為不可控的動態(tài)工作性能提供了一種檢驗(yàn)的技術(shù)手段，已經(jīng)成為比較成熟的理論且具有較高的實(shí)用價(jià)值[10]。仿真計(jì)算流程主要有以下幾個方面。一是建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)被模擬或被仿真的研究對象的工作機(jī)理、動力學(xué)特性以及工作條件等，給出被研究對象的數(shù)學(xué)描述;二是模型解算方法的選擇;三是解算程序的編制和運(yùn)行;四是仿真過程的后處理部分。液壓仿真方法有計(jì)算流體力學(xué)(離散化和代數(shù)化)，可以進(jìn)一步細(xì)分為有限差分法、有限元法、邊界元法等3種;鍵合圖法;多物理場耦合法;三維實(shí)時(shí)仿真技術(shù);并行仿真計(jì)算;多媒體仿真技術(shù);半物理仿真技術(shù);物理仿真技術(shù)。通過液壓仿真技術(shù)的應(yīng)用可達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期的目的。可視化建模環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2 現(xiàn)代液壓技術(shù)在農(nóng)林機(jī)械、工程機(jī)械中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　2.1 數(shù)字液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

　　挖掘機(jī)工作臂液壓系統(tǒng)原理如圖4(a)所示，通過操縱控制閥實(shí)現(xiàn)鏟斗缸、斗桿缸和動臂缸的配合動作，使挖掘機(jī)獲得各種掘入路線和角度，形成不同的工作面。但是，這種操作難度較大。為此，把上述3個普通液壓缸換成數(shù)字液壓缸，通過計(jì)算機(jī)對數(shù)字液壓缸實(shí)施控制。經(jīng)過數(shù)控化改造后的計(jì)算機(jī)控制挖掘機(jī)液壓工作臂如圖4(b)所示[11]。

　　挖掘機(jī)的研發(fā)進(jìn)展十分迅速。取代挖掘機(jī)多路閥的數(shù)字液壓閥及缸已研發(fā)試制成功，數(shù)字變量液壓泵及數(shù)字變量液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)也全部完成，正進(jìn)行試制。全程數(shù)字液壓挖掘機(jī)樣機(jī)即將試制成功，并且投入作業(yè)試驗(yàn)[12]。

　　2.2 智能液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

　　目前，智能液壓元件的發(fā)展主要存在2個方向。一是針對傳統(tǒng)液壓元件做一定的智能化改造;二是采用新結(jié)構(gòu)(雙閥芯)的智能液壓元件[13]。智能化挖掘機(jī)是利用人工智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和信息物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)挖掘機(jī)的升級改造，集智能自主作業(yè)、智能感知、遠(yuǎn)程遙控、智能診斷功能為一體[14-15](圖5)。該方法利用安裝在駕駛室上的攝像頭采集機(jī)械臂圖像，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將姿態(tài)信息反饋至控制系統(tǒng)，從而控制機(jī)械手。結(jié)果表明，該方法具有穩(wěn)定的分級性能，但該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較難解決。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像時(shí)間較長或圖像采集速度較低會給控制系統(tǒng)帶來明顯的時(shí)滯，因而圖像處理速度是影響視覺伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素之一。

　　近年來，液壓驅(qū)動技術(shù)被應(yīng)用到精密播種機(jī)中[16]。作業(yè)模式的提高對耕作機(jī)械的精度要求越來越高。播種作業(yè)是整個作業(yè)過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。受季節(jié)性等因素的影響，適期播種非常重要，因而對種子和肥料的播施深度要求也高。通過旋轉(zhuǎn)壓力旋鈕來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)速，進(jìn)而有效控制種子和肥料的播施深度。全液壓底盤驅(qū)動方案已在植保機(jī)械、收獲機(jī)械上得到應(yīng)用，易于實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制和遠(yuǎn)程操縱，滿足人們的要求[17]。

　　2.3 環(huán)保液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

　　此技術(shù)可提升機(jī)械能量變換的速率，提高體系作業(yè)速率。農(nóng)業(yè)機(jī)械體系動力學(xué)特點(diǎn)、動態(tài)特點(diǎn)逐漸彰顯，隨著此技術(shù)信息搜集處理、故障問題監(jiān)控技術(shù)等技術(shù)的逐漸優(yōu)化，非常有利于農(nóng)業(yè)環(huán)保工作的正常進(jìn)行[1]。液壓挖掘機(jī)科學(xué)避免現(xiàn)代化液壓挖掘機(jī)施工產(chǎn)生的噪聲、粉塵等污染已成必然，因而環(huán)保化、節(jié)能化與智能化是液壓挖掘機(jī)的發(fā)展趨勢[18]。搭載能量可回收液壓系統(tǒng)的吊機(jī)臂如圖6所示。

　　該系統(tǒng)在液壓缸下落工況時(shí)，液壓油流經(jīng)交流電機(jī)形成電流，從而產(chǎn)生電能，電能儲存到蓄電池中，可以回收再利用。EMB液壓混合傳動單元使用一個先進(jìn)的蓄能器儲存制動過程中的能量，然后，儲存在蓄能器中的能量被用于車輛下一次啟動時(shí)的加速。一旦能量耗盡，將會重新啟動發(fā)動機(jī)。不同于在電池中儲存能量的電力混合動力系統(tǒng)，液壓混合動力系統(tǒng)可以回收和重復(fù)使用70%的制動能量[19]。

　　2.4 新材料液壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

　　農(nóng)林、工程車輛在行駛過程中其載荷、路況、車速等行駛狀態(tài)會有很大的變化。阻尼可調(diào)減振器的應(yīng)用，克服了被動減振器的單一外特性不能滿足車輛在多種工況下的阻尼力需求的缺點(diǎn)。在現(xiàn)有的阻尼可調(diào)減振器中，磁流變減振器的性能最好，但成本高。有研究提出了一種基于磁流變液擠壓模式的磁流變壓力控制閥，通過控制電流調(diào)節(jié)磁流變壓力控制閥的流量—壓力特性，實(shí)現(xiàn)減振器的阻尼可調(diào)，改善車輛的平順性[9]。磁流變閥控減振器的意義在于：一是磁流變閥控減振器能夠有效地衰減車身振動，改善車輛的平順性;二是磁流變壓力控制閥利用了磁流變液擠壓模式的原理，在小的閥芯運(yùn)動范圍能夠?qū)崿F(xiàn)大的壓力調(diào)節(jié)范圍;三是磁流變閥控減振器具有大的阻尼力調(diào)節(jié)范圍，能適應(yīng)車輛在不同行駛工況對阻尼力的需求。宋佳星[7]設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動伺服閥并研究了其特性，得到質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)效益好、動態(tài)性能優(yōu)的新型壓電陶瓷驅(qū)動型伺服閥，為智能液壓驅(qū)動技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

　　推薦閱讀：機(jī)械電子專業(yè)期刊哪些好投稿