数字液压技术发展概况及应用展望

王海卫 张栋 韩科 陶祥力

摘要：随着计算机技术的发展，液压技术与传感器、微电子技术的结合已成为一种必然趋势。数字液压技术相比于传统液压技术，具有结构简单、控制精确、抗干扰能力強、更容易实现计算机控制等优点，在高端工程机械、国防军工、海洋装备、试验检测等领域具有广泛应用。结合应用需求，阐述国内外数字液压技术，介绍国内外数字液压元件及性能，分析数字液压技术发展趋势，为数字液压技术的发展提供参考。

关键词：数字液压；控制技术；液压缸；液压马达；液压阀

0   引言

液压及控制技术是一种应用极为普遍的工业基础技术，具有功率密度比大、动态响应快、无级调速稳、易于实现过载保护等特点[1]，在国民经济各领域中应用广泛，特别是在工程机械、海洋装备等重型机电工业中应用更为广泛。

传统液压传动与控制技术是一种以电液控制阀、比例伺服阀或变量泵、马达为基本元件，通过连续的模拟量（压力、流量、位移、力、力矩等）获知控制信号，并与传感器、控制元件、伺服放大器等硬件与控制算法相结合来实现液压系统的控制。而数字技术是以离散数学、逻辑数学为基础，采用二进制算法来构建系统。系统采用标准逻辑单元，具有良好的通用性。数字液压能实现微米级精密控制，有机融合液压缸、液压阀、反馈与驱动控制装置，利用其内部巧妙的机械反馈调节装置，使液压传动控制大为简化，降低了系统设计、维护门槛和综合成本[2]，并对液压使用环境有更高的耐受度。

传统液压系统有着严格的使用环境要求，如油液清洁度要求高，且传统液压系统反馈性能差、响应速度慢、工作精度低以及严重的不确定性，难以适应现代重型机电工业对驱动元件数字化、高效率及反馈性能严格的要求。随着计算机技术的不断进步，增材制造、电液集成化设计、传感器与液压控制单元的相互集成，上述问题基本得到了解决，液压元件的系统稳定性、动态响应及使用寿命得到了有效提高，数字液压技术拥有了广泛的应用前景。

在归纳总结国内外研究基础上，国内学者给出了数字液压技术主流的定义。数字液压技术是指直接数字化液压终端执行元件，通过接受数字控制器和计算机发出的脉冲信号，实现稳定工作的液压技术。它将控制还给电，而将数字化的功率放大留给液压。结合研究需求，本文介绍了国内外数字液压技术及数字液压元件，对未来数字液压技术的发展方向进行展望，为数字液压技术的提高提供参考。

1   数字液压关键元件

1.1   数字液压缸

数字液压缸在外形和功能上与传统电液伺服缸相似，但在结构与原理上有着本质区别。现在数字液压缸均是在缸体内装有阀控系统、滚珠丝杠等机械闭环反馈机构，以伺服电机或步进电机来驱动阀芯位移，以数字化形式输出位移量。数字液压缸的输出精度克服了由于负载变化、油压、泄漏等因素的而造成的影响[3]，数字液压缸天生具有数字化和信息化能力，因此它是推动机械行业实现4.0的最好的基础共性器件。

德国Hanchen[4]公司研制了一种新型数字液压缸，其位移传感器位于内部中空的活塞杆中，活塞杆与液压介质分离。采用环状间隙密封和静压支撑密封相结合的密封形式，油液在间隙小孔中流淌，在小孔间隙处会存在压力差。由于薄油膜附着在表面，使得二者之间的摩擦力大幅度减小。同时优化处理活塞杆导向元件，进一步减小摩擦力。这种数字液压缸使用寿命长、工作稳定性好、动态响应频率高[5]。

挪威阿哥德大学[6]设计了一种电动数字液压缸。该设计将动力单元集成到液压缸中，将数字开关阀以及数字液压泵与液压缸结合，并利用MATLAB-Simulink软件仿真，得到该阀最大工作压力为35MPa，最大流量为30L/min，工作电压为12V，功耗15W，具有快速响应、长寿命、结构紧凑等优点。

重庆大学[7]研制出一种编码器检测的闭环控制电液数字液压缸，如图1所示。它采用光电编码器反馈的闭环控制系统，以有效补偿系统温度、压力负载等影响因素所带来的扰动，提高了液压缸的控制精度[8]。该数字液压缸中滚珠丝杆的导程为10mm，步进电机和光电编码器的脉冲周期为1024P/R，精度可达到0.01mm。该数字液压缸通过磁耦合机构来实现旋转运动的有效传递。

四川大学[9]研发了一款新型数字液压缸，如图2所示，该数字液压缸一次开闭即可实现液压缸全过程位置定位与速度控制。系统工作时，控制阀芯向左移动，液压油由此进入无杆腔，活塞杆向右移动，阀芯跟随向右移动，关闭阀口。此时通过PLC控制，无需关闭阀口，保持上述二者的移动速度一致，即能实现液压系统的动态平衡。亿美博科技有限公司和北京三强同维机电液压科技发展有限公司[10]等在数字缸方面也进行了大量研究，取得了一系列研究成果。

1.2   数字液压马达

数字液压马达是用数字阀来实现柱塞腔与进出油口之间油液的流通，取代传统液压马达中的液压缸体和配流盘。通过数字阀控系统控制时序和脉宽信号占空比，数字液压马达能够达到双向无级调速效果，增大液压马达的工作范围[11]，提高了液压马达的机械效率与容积效率。

上海交通大学[12]研制的一款数字配流与调速式液压马达，如图3所示。其由本体、高速电磁开关阀、电子控制单元（ECU）和绝对值角度编码器组成。每2个高速电磁开关阀为一组，与油路上的5个柱塞相通。新型数字液压马达，通过调节开关阀控制信号的占空比，实现对马达转速的调节。通过改变控制信号相序，调节数字液压马达的转向。绝对值角度编码器与马达曲轴相连接，将转角测量后传递给电子控制单元，从而控制高速电磁开关阀启闭。如此柱塞腔即可以按照计划接通关闭油路，从而实现曲轴旋转。

1.3   数字液压泵

数字液压泵种类繁多，主要配流方式有以下几种[13]：一是将数字阀安装在在定量泵的出油口，通过数字阀的开关响应在实现泵的流量输出。二是在液压泵内部装有数字阀及传感检测装置，通过检测装置将信号传递给数字阀，进而通过控制柱塞工作状态实现液压泵压力或流量的精确控制[14]。三是多个定量泵自带配流机构组成液压泵组。

美国麦迪逊大学[15-16]研制出一种新型基于PWM的脉宽调制式数字液压泵，变量活塞的控制由二位二通电磁换向阀完成，数字液压泵的流量调节通过调节换向阀的开关时间来完成。

日本高谷技术公司[17]将脉冲马达、RCV旋转阀和标准的变量泵相组合，用户可以直接使用数字信号控制变量泵。RCV阀通过旋转的方式来切换油路的通闭，具有回转式机械伺服的特点，输入轴与输出轴均可旋转，一端与脉冲马达连接，另一端与液压缸连接，以此控制液压泵斜盘倾角。与活塞杆的连接采用机械随动式控制，可以数字的方式来控制液压泵的压力或流量参数。RCV旋转阀除了可用于数字泵的控制外，还可用于对两个液压缸进行同步控制。该数字液压泵大大提高了机电液一体化的自动化程度，为计算机控制液压泵开辟了广阔空间。

昆明理工大学[18]设计了一款数字变量泵，可在闭环控制状态下实现变量功能。控制信号发出后，高速开关阀、插装阀随着信号高速进行启闭状态的变化。高速开关阀的启闭时间通过调节控制信号占空比来完成，从而控制液压系统输入流量大小。PWM控制信号频率为20Hz时，蓄能器的预压力为4MPa，占空比0.5，稳定后的压力值8.7～8.5MPa，响应时间为0.5s，基本實现了数字式变量泵的高效控制。

哈尔滨工业大学[19]研制的数字液压泵如图4所示。它利用圆柱凸轮机构驱动若干个相同排量的柱塞缸，各个柱塞缸通过管道连接到总回路进出油口。配流机构由1个二位二通高速开关阀和1个单向阀组成，通过控制开关阀信号来实现数字配流。其采用24个柱塞缸，沿轴向布置分为4组，每个凸轮驱动6个缸体，各缸体之间相位差为60°。该数字液压泵额定工作压力为35MPa，排量为21.97L/r。

1.4   数字液压阀

数字液压阀主要分为增量式数字阀与高速开关式数字阀两种。增量式数字阀多采用步进电机驱动，用机械结构将其与阀芯相连接，将步进电机的转动角度转换为阀芯的角位移或直线位移，从而改变阀芯与阀套的相对位置，实现流量控制。

增量式数字阀技术在20世纪90年代发展较快。以日本东京计器公司生产的数字调速阀为代表，其生产的压力阀、流量阀、换向阀等均己投入市场，流量范围为1～500L/min，压力最高可达210MPa，输入脉冲数为100～126，其滞环精度和重复特性精度均在0.1%以下。此外，国内外众多科研机构与高校都相继研究了增量式数字阀。

虽然增量式数字阀开环控制精度高，抗干扰能力强。但增量式数字阀存在着众多局限，步进电机与阀芯之间会产生死区与零点漂移，且会受到步进电机相位滞后严重、失步的困扰。而将ON/OFF数字信号直接转化成流量信号是高速开关式数字阀的优点，采用脉冲流量控制方式，使得数字信号直接与液压系统结合，响应速度高。高速开关式数字阀因结构简单、压力损失小、能耗低、对油液污染不敏感等特点，成为液压研发领域新的热点。

芬兰阿尔托大学[20]研发了一款微型数字液压开关阀，这阀门有一个电磁驱动的液压先导级，阀门最大流量约为9L/min，最大工作压力超过25MPa，压差为25MPa，阀门的开启响应时间为1.3～1.6ms，关闭响应时间为1.4～2.7ms。

美国BKM公司与贵阳红林集团合作开发的一种螺纹插装式高速电磁阀[21]，如图5所示。该阀衔铁复位方式为液压力复位，不会因弹簧复位产生弹簧疲劳损坏现象。球阀阀芯具有自动对中功能，启闭特性良好，开启时间为3.5ms，关闭时间为2.5ms，流量为2～9L/min，压力最高可达20MPa，重复精度为±0.05ms，目前已广泛应用于液压系统的流量与压力控制中。将该阀用作先导阀，可使主阀实现大流量输出。

中国航天科技集团公司[22]研发了一款由PZT压电材料驱动的高速开关阀，位移控制精度高，响应速度快，输出力大，功耗低，如图6所示。该阀属于二位三通型锥阀结构的单级阀，主要结构是将两组PZT元件分别安装在阀芯两侧，单侧通电PZT元件，使其产生驱动位移来进行高速开关动作。检测阀芯位移的微位移传感器集成安装在阀体内部。该阀额定压力为10MPa，额定流量为8L/min，开启时间约1.2ms，关闭时间约1.7ms，脉宽调制频率为200～300Hz。其不足之处在于压电材料易脆，温度系数高，输出位移小，制造成本大。且动态响应的振荡问题比较突出，导致其应用领域受限。

华中科技大学[23]研制一款水液压数字比例阀，如图7所示。该阀由弹簧对中型式主阀和先导阀组成。先导阀阀芯的驱动通过放大压电致动器输出位移来实现。工作状态时，不同压电致动器的通断电通过PCM控制器控制，从而将先导阀的压力进行调节，实现对主阀阀芯位移和阀口流量调节。先导阀和主阀理论开启时间约80ms，关闭时间约40ms，额定流量100L/min，主阀额定压力1MPa，先导阀额定压力1.5MPa。

华中科技大学研制出将两个二位三通换向球阀并联于一体的水液压数字开关阀[24]。两个二位三通球阀分别由两个E型电磁铁控制，阀体兼作电磁铁铁，衔铁兼作力放大杠杆。阀体选用高强度铁磁合金材料，电磁线圈在阀体内密封，水密性能和耐压性能能够满足需求。额定压力为14MPa，工作电压12V，流量为4L/min。其响应频率在小压力工况下可达到20Hz，正常工作频率达到15Hz。占空比可调范围大，在5Hz工作频率时，占空比可调范围达10%～85%。

2   数字液压技术的发展趋势

目前数字液压应用领域还较为狭窄，在重型工业领域、试验检测领域、产业聚集领域、数字液压技术平台领域还有较长的路。未来要形成产业链完整，具备完善的设计、生产、检测、计量、认证、标准体系，以推进数字液压技术在高端工程机械、海洋装备及国防军工等行业中的应用。

发展数字液压离不开高精尖变量液压元件与高技术水平的数字液压阀[25]。数字信号控制、高压大流量、高可靠性将是未来发展的重要方向，为此要不断进行机械结构优化，减小其体积和重量，增强可靠性和安全性，扩展其应用范围[26]。要围绕数字液压技术，建立高端数字液压元件（泵/马达、阀、缸）相关标准体系，建立数字液压各项功能的试验检测能力，为数字液压技术在高端机械行业中的应用提供平台支撑，建立支撑行业发展的产业技术基础公共服务能力。

3   應用展望

随着各项技术不断成熟，数字液压技术必将在高端工程机械、国防军工、海洋装备、大负载机器人及机械手、新型能源利用等领域得到推广及应用，必将简化结构，改善机械装备性能，提高效率，提高可控性与控制精度，降低故障率。

3.1   高端工程机械

随着我国城市化进程的加快，包括履带起重机、装载机、挖掘机、平地机、压路机和矿车等工程机械具有广阔的市场前景，同时工程机械的使用场景也越来越复杂，工程机械操作变得越来越可靠，自动化程度也越来越高。

高空作业车是传输工作装置和工作人员到空中作业的专业车辆。可运用一体化设计理念，采用数字液压元件替代原有液压元件，升级高空作业车支腿回路的液压系统。4只液压缸采取同步控制，由一个电机驱动4只串联的增量式数字阀，即可驱动阀芯控制4个位置电液数字缸的伸缩。阀控电液数字缸能够精准实现行程控制，通过活塞杆伸缩控制支腿升降，大大简化了支腿回路的控制难度。4个支腿可以同步控制伸缩，适应不同地形的变化，保持姿态平衡，且在反力变化时基本没有爬行等现象。其能够适应不同的作业环境，支腿反力分配更加均匀，提高了系统运行的稳定性与安全指数。

3.2   国防军工

作为未来高新技术产业发展的重要方向之一，机器人在现代生活应用极广，在民用领域和军事领域都发挥着重要作用。

六自由度并联机器人[27-28]作为空间运动的模拟器或补偿器，可在允许工作范围内模拟任意空间运动。它采用数字液压元件构建的六自由度平台液压系统，可加快系统反应速度，提高运动精度、抗负载扰动能力。其不仅可应用于潜艇姿态训练、军舰模拟、直升机起降平台等军事领域，在航天航空、海洋工程、汽车制造、游戏娱乐等领域也有广泛应用。

3.3   海洋装备

海洋环境尤其是深海环境复杂多变，液压技术凭借其功率密度高、输出扭矩大、调速方便、工作平稳、冲击小、换向快速、实现过载保护简单等优点，在深海探测设备、海上石油钻井平台、各种深潜器等领域得到了较为广泛的应用。

华中科技大学[29-30]针对4500m级深潜器的要求，研制出超高压浮力调节海水泵。该泵在1000r/min时，空载流量为6.3L/min，压力48MPa时为5.7L/min，总效率为81%，容积效率为91%，机械效率为90%。

3.4   试验检测

数字液压技术创新及试验检测平台，具备标准、检测、计量、认证、知识产权和成果转化一体化服务能力。主要可分为整机模拟系统试验台、数字化与智能化数字液压耐久性试验台、高低温试验室等。以平台为中心，可以开展技术交流合作。

以德国BOSCH、美国EATON、意大利ATOS为代表的国外数字液压行业大型跨国企业技术成熟，产业链完整，具备完善的设计、生产、检测、计量、认证、标准体系。相反，国内数字液压元件生产企业规模较小，试验检测能力差，产业集聚性低，缺乏数字液压技术平台支撑，亟需建立数字液压技术创新及试验检测产业技术基础公共服务平台，加快推进数字液压技术在高端工程机械、机床装备、海洋装备及国防军工等行业中的应用。

4   结束语

数字液压技术相比于传统液压技术，具有结构简单、控制精确、抗干扰能力强、更容易实现计算机控制等优点，在高端工程机械、国防军工、海洋装备、试验检测等领域具有广泛应用。本文结合应用需求，阐述国内外数字液压技术，介绍国内外数字液压元件及性能，分析数字液压技术发展趋势，为数字液压技术的发展提供参考。

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