行走机械液压电子化时代-美国拉斯维加斯国际流体动力(IFPE 2017)展看中国液压发展...
文章转自《液压气动与密封》杂志。非常有内容值得每一个搞液压的认真读一下。编者按：2017年10月31日～11月2日，“PTC ASIA 2017 高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际展览中心举办。此次报告得到国际同业组织VDMA、国内外知名企业、业内专家和世界同仁的大力支持，我们深表荣幸并衷心感谢。
报告会现场观众踊跃参加、积极互动，让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！
为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应大家诉求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2018年《液压气动与密封》杂志和微信平台上，供学习分享。 敬请关注！
PTC ASIA 2017高新技术展区现场技术报告 之四
行走机械液压电子化时代-美国拉斯维加斯国际流体动力(IFPE 2017)展看中国液压发展
——据中国液压气动密封件工业协会专家委员会副主任王长江报告整理
我这题目的英文名字叫Electronification，这是什么含义呢？比如我们以前都说Electronic，叫电子，电子就是3.0，现在提法叫Electronification，这就叫电子化了，这就是工业4.0的概念。协会领导让我到拉斯维加斯去看看，我确实看到了一些东西，给大家汇报一下，分四个问题。
我国已成为液压大国
中国已经是液压大国了。大家看图1最底下那个红线，我们中国液压气动密封工业的发展和我们国家的GDP是相符的，和第二产业比呢，第二产业几乎是平的，但是我们却是上升的，所以在机械行业当中看出它的重要性了。我国目前液压规模大约是513亿。全世界的流体动力市场是按照欧元汇率计算的，欧洲大约占31%，美国占34%，中国的占了27%。但是，目前我们的行走机械关键液压零部件依赖国外的状况没有根本的改变，几乎70%～80%的利润基本都给了国外的制造商。工信部产业政策司副司长辛仁周也说了：“有些行业看来很热闹，其实大部分的利润都给了外国的厂家。”我国液压行业在行走机械市场上除油缸外，绝大部分产品为仿制，仅用于备品备件市场。我们是世界最大的后市场供应商！
图1 中国流体动力行业的发展
应该说中国的液压发展的是很快的，从这个展览会看中国的液压企业，已经跟国外的液压企业没有什么差别了，他们在展示他的理念而不仅仅是展示产品了。但当我们谈到中国液压工业发展的时候，我希望大家思考一个问题：共享单车大家都知道，那么在共享单车的情况下，中国的自行车行业发生了什么问题？有多少企业发了财，有多少企业倒闭了？共享单车绝非简单的自行车+互联网，能用于共享的自行车在传统的自行车基础上做了许多的创新。那么看到他们，我们中国液压工业该不该到思考的时候了。习主席说中国进入新时代，那么中国液压的新时代是什么？怎么进入这个新时代？在新时代能干些什么？
国际行走机械已迈进工业4.0
我们所说的行走机械包括这样几大类：工程机械、精准农业机械、大型运输车辆、军事机械、高铁机械，这样的车辆的产量在中国大概是每年200万台，这200万台怎么能够进入到工业4.0，这是需要我们来考虑的问题。应该说世界行走机械液压已经全面进入电子化时代，而我国行走机械液压刚起步液压电子控制（目前80%以上液压元件还没用电控）也就在刚从2.0进3.0状态，我们这个弯道怎么超车？怎么从2.0蹦到4.0？这是大家都要思考的问题。
当我们谈到机械智能、谈到工业4.0的时候，在行走机械当中主要指两个智能化，一个叫做运动控制智能化，一个叫机器信息智能化。即工信部要求的两化融合。
◆运动控制智能化
运动控制的智能化主要包括两个方面的内容：动力流技术和运动解耦伺服控制。
动力流的控制，即怎样把柴油机功率有效地分配在各个驱动轴上，以及如何进行功率回收再利用，也就是大家说的混合动力。对此，我们需要思考的问题包括：①如何以最高的效率来传递和转换动力？②如何以最优的匹配来管理和分配动力？③如何以最佳的协调来控制机构运动的动力？④如何回收制动能量？各大企业都在做这方面的工作，比如力士乐VBOII虚拟放油系统，它的核心是叫压力耦合，这是一个很大的改变。动力回收需要全面的考虑，你把挖掘机“掘”的力量拿走了，去节能是没有意义的。而卡特在我们目前水平上又实现了节能33%，这个比例是非常大的。
运动解耦伺服控制。行走机械未来会越来越多地从开环控制进入到闭环控制、进入到伺服控制。今年北京展览会上，卡特展览了一个2D，提出了一个电子围栏。2D技术在美国已经用了十年了，3D技术也在美国用十年了，卡特为什么只介绍2D，不介绍3D，这是值得我们思考的。挖掘机只要有了互联网+以后，完全可以在电子围栏下自动挖掘，该挖的地方保证挖好，不该挖的地方一定不挖。国际上已经将挖掘机铲斗的轨迹控制和推土机推土铲的姿态控制，按六个自由度（6DOF）的控制模式实现，并已成功地进入了工业化和商品化的阶段。所以不管是挖掘机还是推土机，未来就会有多种机构解耦控制，而各机构都将有三环控制：速度环、位置环和加速度环。
国外的挖掘机早已不只是2D了，而是可以3D，那么3D和2D的挖掘机有什么差别呢？其实挖掘机制造厂并不需要做什麽工作，大家看这个挖掘机上的铲斗，上面划了一个白框（见图2），卡特挖机都做了这么一个槽，你只要把一个块搁在上面以后，它就可以智能化了。所以对挖掘机厂来讲，他并不需要做额外的工作，但是如果拿这样一个东西搁在我们的挖掘机上就不行，因为卡特挖掘机的液压系统，是可以支持3D运行，可以支持伺服解耦控制的。挖掘机用卫星定位，铲斗可以进行无线信号的定位，这样操作以后，作业误差小了，作业效率提高了。另外一个大家都知道挖掘机经常出事故，有了无线网络系统以后，一旦出现危险就会锁死机器，减少损失。
图2精准挖掘-即插即用的定位装置
有时行走机械需要进行精确操作，推土机有六个自由度，一铲推过去就完事了，不用人工再修补了，这样可以节省大量的人力、时间。要想让农业机械精确化，提高效率，很大程度在于行走机械要解决巡航速度的问题，如果机器不能做恒速运行的话，精准就谈不上了，所以精准的前提一定是机器的行走是恒速的。因此现在国外IVT的变速箱发展非常快，在展会上我们看到了大量的公司都生产IVT变速箱，IVT变速箱对于中国的液压行业来讲目前是个空白，现在还没有做。
新时代行走机械运动解耦伺服控制要考虑：第一，每个液压轴将从开环控制进入伺服闭环控制；第二，各轴从独立控制进入多轴统筹解耦控制。所以行走机械的多路阀将发生很大的变化，很多阀芯都带一个LVDT位移传感器，就是为了提高精度，为了解决闭环控制。新的多路阀小于125ms全开启时间是它响应时间的最低要求。而现在大多数多路阀的开启时间1s，1s去做解耦控制、闭环控制是很困难的，所以如何提高液压阀的水平是当前需要解决的问题。当有了这样一个伺服控制以后，它既可以做功率匹配，也可以做压力控制，又可以做流量分配，还可以做解耦控制和精度控制。有了这个系统以后，将来的挖掘机不分正流量、负流量、流量共享，其实都是一回事儿了。所以下一阶段行走机械要有很多的变化，比如流量共享系统，我告诉大家其实流量共享系统不节能，这是世界上正在想办法解决的问题。因为流量共享系统有一个最低压差，力士乐最低的压差14bar，A11V是18bar，林德22bar，大家想想22bar乘以200L流量，在阀孔里面功率损失有多大，所以未来肯定不是仅靠液压来节能的，而是电子-液压联合实现。
智能化要用很多新的技术，比说模糊控制，这个概念大家有。比如说怎样解决功率分配的优先权，是用等比的、还是等值的、还是其他优先权的？这些显然要通过模糊控制来完成。比如棉花收割机里面大量地使用了伺服系统，怎样保证收割机不落掉棉团？怎么保证吸进的是棉团而不是梗，如果有了梗，一等棉花就变成三等了，所以有诸多的系统都需要用液压伺服控制，要用解耦控制来完成。
◆机器信息智能化
机器的信息智能化，有很多企业像卡特、小松、三一、徐工都有自己的平台，但这样的平台只能是信息智能化、机器什么状况你能知道了，但对操作者来讲意义不大，为什么？因为操作者在一个工地上绝对不会只使用一家的机器，可能有卡特的挖掘机、徐工的推土机，他们两个之间怎样协调？每一家的控制器、每一家的平台不可能展现竞争对手的状况。信息智能化需要给出更多的信息，信息智能化就要加上一个智能电控，这是新的概念。时间关系不跟大家讲信息智能化的具体内容，但我给大家举一个健康控制的例子。液压系统健康主要跟油有关，像我们人一样，验血就知道是否健康，液压系统也要检验液压油的主要参数。现在已经有在线的微型传感器，国内的厂家也做了软件。未来的健康将不只是红灯和绿灯，一定加一个黄灯，假如油的污染度超了，是不是就不能工作了？不一定，专家给你算出来还可以工作多少个小时，你可以把这个机器开回去修理。所以未来都是三灯控制的。上海一家电控公司已经把这样的软件做出来了，手机APP可以监控，对于一个企业来讲非常重要，因为他知道哪台设备什么状况，哪些油该换了。
另一个信息智能化是针对于电子控制，未来的的网络平台很重要，为什么呢？因为通过网络平台可以帮助你来编程、做初始化、做调试，这都是云可以帮着你干的。现在的信息控制是各自搞各自的，未来我们要把这所有的信息都连在一起，形成一个新的平台。
电子化液压产品将有极大的需求
我们液压协会曾经在2015年的时候就提出了要发展十六项产品，此次在美国拉斯维加斯的展览会中我们看到别人给实现了，这对我们来讲是一个很大的压力。那么这是些什么产品呢？其实主要是七大类产品。
◆电子泵
第一类产品是电子泵，油泵做成电子控制的时候，首先要保证泵能控制压力，这就必须要有很高的频响，现在一般行走机械的变量泵，其变量时间是500ms，开环的开式系统大约1s，很多主机厂嫌它太快，因为可能会有压力冲击，泵容易坏。但是未来做成电子控制的话，变量时间大概在120ms以内，这样就带来了很多问题。电子控制变量泵不仅仅是液控改为电比例阀控，本身就是个复杂的自动控制系统，电子泵有若干的技术问题要解决，怎样调节流量、压力，图3的曲线是泵实现压力、排量控制的过渡过程的特性要求，这个曲线完成靠什么呢？要靠软件，要靠模糊控制的计算。
图3电子泵的特性曲线
图4是卡特挖掘机用的电子泵，卡特20吨挖掘机已经全部用自己的系统，不再用外面供应的油泵了。让我们惊讶的是：一般电比例泵是有一个先导压力控制的，而卡特是用自己的压力来当先导压力。油源的压力是不断变化的，可是要进行精确的控制，做出的特性曲线必须达到图4的水平才行，没有复杂的软件、没有复杂的模糊控制概念是实现不了的。
图4卡特挖掘机用电子油泵
上面说到流量共享不节能，那么怎样让流量共享节能呢？为什么流量共享要18bar，是因为要保证液压压力有足够的分辨率，A11V最少18bar，但如果我们在泵上装上传感器以后，1.8bar都分辨的出来，所以未来的流量共享系统一定是可变压差的流量共享系统。主泵需要实现电子压差控制，目前有两种办法实现：一是使用压差传感器，目前价格已进入普通压力传感器范围；二是LS口加装压力传感器，使用高性能控制器，用压力数值计算实现。所以未来流量共享恐怕是行走机器的主要油泵方式，或者主要的系统工作模式，但是必须是加电子控制的。
◆电子马达、IVT变速箱
我们的液压马达最大的问题是斜轴马达很少，几年前几乎是空白，这次展览会很多公司告诉我们：可以做斜轴马达了。为什么一定要用斜轴马达呢？因为斜轴马达具有远高于斜盘马达的启动效率，刚度大，频响高。在行走机械进入智能化时代是不可或缺的。在美国拉斯维加斯液压展上看到大部分生产柱塞元件的厂家都生产斜轴马达。国内只有少数的厂家小批量地生产斜轴马达，而且多数为定量马达、只有少数液控变量马达。
再一个车轮马达。车轮马达世界上就两家生产，近年来由于静液压系统电子化发展，在农业机械上得到了较多的应用。静压传动系统里的马达有若干个事情要解决：怎么跟柴油机匹配，怎么做差速差力，怎样做制动，怎样做转向，怎样做巡航速度，怎样做自由轮。所以有些低速大扭矩马达也是需要变量的，特别农业机械，在我们国家，这种轮式马达现在是空白。我国生产的自行式喷洒车要撒化肥、撒农药，车辆必须恒速。这个系统采用了车轮马达驱动，具有良好的作物通过能力，并可设定巡航控制实现恒速运行，喷洒均匀。
IVT变速箱系统。100马力的拖拉机都有IVT了，IVT叫无极变速。对行走机械来讲，我们希望从零就开始就能做调速。而现在小汽车不是，小汽车用的是CVT，它是从低怠速以后才能做无级调速，做巡航速度控制。除了IVT变速箱以外，还出现了简易IVT变速箱（见图5）。它通过一个泵和马达带一级行星减速齿轮就可以解决速比不是很大的控制需求。我国IVT变速箱还处于前期研制阶段。
图5简易IVT
◆智能油缸
中国是油缸产能大国，行走机械的油缸主要由中国制造，恒立应该说是全世界最大的油缸供应商。油缸面临哪些问题呢？有两个问题必须要攻破：①电镀不能用了，我们用什么来解决表面防腐的问题？美国PARKER公司在拉斯维加斯展会上就推出一种叫亚微米结构整体镀层油缸，这个镀层价格便宜，而且防腐能力非常好，已经通过了相关的一些考核。图6是把镀层放大以后的比较，说明他的质量有极大的提高。②怎样在油缸上加传感器？油缸加传感器有两个办法：一个是在活塞杆车削刀纹上面镀一层陶瓷材料，现在这个办法以力士乐为主，精度只能达到0.1mm；第二个是传感器的方法来解决，PARKER公司做了个0.05毫米的系统，是光学传感器，这个传感器完全可以用在工程机械，价格和可靠性都已经可以市场化了。
图6电镀和整体镀层放大比较
◆挖掘机多路阀
多路阀将会发生巨大的变化，我们现在还在围绕负流量、正流量来讨论，其实全世界先进的挖掘机早已经不存在这个问题了。对于产量最大的中挖，多路阀采用闭芯结构，配合电子可变恒压电子泵，采用进油侧单独的高精度、高频响插装式比例流量阀是发展趋势，力士乐称为VBOII型多路阀。卡特公司早在2013年德国宝马工程机械展推出了新一代的多路阀PPPC，在2017年美国拉斯维加斯工程机械展推出更新一代的多路阀ACS。新的阀采用电-液结合的方法实现自适应控制，按动作需求，确定阀的开启速度：小流量时阀开启的速度慢，大流量时阀可以迅速开启以实现自动控制的要求。美国EATON开发的容腔控制原理的多路阀也已经商品化了。
◆伺服控制流量共享多路阀
精准农业中拖拉机的犁深系统非常重要，目前中国在拖拉机犁深系统方面基本上是空白，要用犁深系统就要解决三个问题：第一位置控制精度，因为犁深深度的误差决定产量，如果犁深深度不能控制的话，产量就会下降5%~13%；第二个要保持拖拉机的恒速运行，克服特殊地面阻力以保护装置安全；第三要解决减震问题，转场高速行驶时所需的主动减震控制。而这就要用到伺服控制流量共享多路阀。
伺服控制流量共享多路阀是行走机械、包括小型挖掘机未来发展的主导产品！该阀主要有两种，一种阀芯开度控制是开环的，现在哈威、力士乐、parker都在做。另一种是阀芯位置闭环带反馈，阀芯带位移传感器克服阀芯滞环带来的误差，提高油缸大闭环的控制精度。丹佛斯大部分阀是闭环的，这是我们未来的发展方向。因为阀不能闭环的话，就有很大的误差，这个误差怎样去消除是有很头疼的事情。所以丹佛斯说：用了我的流量共享多路阀可以提高生产率22%。
◆电子转向控制
电子转向是非常重要。转向控制是精准轨迹控制的关键，传统的液压转向不能胜任、存在诸多的问题，最重要的问题是：转向器是摆线马达结构的，容积效率非常低，造成系统刚度差，没有办法完成精准转向，所以未来的转向一定要改变。图7是丹佛斯做的试验，当紧急踩刹车时，传统转向和电子转向的比较。
图7传统转向和电子转向控制的比较
未来的转向器将使用类似于4WRE型闭环控制的电比例阀做主控阀，控制液压放大器实现大闭环精准转向。
◆电子制动控制
行走机械向高速度、高精度发展，车辆的制动就不仅仅是个安全问题，电子控制的智能制动需要快速发展。制动调节主要有几方面的研究：①制动力调节；②静液压制动与刹车鼓制动协调；③配合精准轨迹控制；④配合行走驱动实现防抱死（ABS）；⑤电子围墙控制。
中国液压如何创新发展电子化液压产品
中国液压怎么样做电子化的产品呢？有四件事要解决（见图8），都在强基工程项目范围里：第一液压；第二电子；第三定位；第四网络。
图8液压电子化要解决的四件事
◆液压
传统的液压不带电、不能够做伺服控制，所以我们必须解决这个问题。那么液压行业的液压件将来要向图8这几个方向去发展。特别要APP化，今年PTC上北理工的展台专门给大家讲APP化的概念，我们也曾经讲过当前主要要解决的问题是提高泵阀的动态特性，现在泵阀的动态特性根本没有办法电子化。另外开发油泵斜盘摆角传感器、压差传感器也是当务之急。
◆电子
液压电子化的发展将终止液压元件仿制的路！你只能做液压元件而没有电子化的软件和硬件将会被市场淘汰！世界所有液压公司全部都要用自己的电子控制产品。为什么呢？因为：①液压元件电子化后，其电子控制的关键是元件里的运动智能控制，它与自身的物理结构密切相关市场上的电子控制公司要想实现最优的控制，必须获得元件的结构参数，没有谁愿意提供这些带有Know-how的资料。②液压元件电子化后，将进入云计算和大数据时代，而其数据的来源是电子控制器，如果是别人的电控系统，如何获得？而不进入大数据，你就不知道你的产品在实际使用中会出现什么问题。③你没有办法给主机厂提供一个完整的解决方案。
行走机械液压电子化比工业伺服控制难得多，其主要的难点有：①所控制的对象，绝大部分是差动缸，即非对称系统；②控制系统的最后一级，液压阀固有频率低响应慢，特别是多路阀从零位到最大开口一般是秒级或更慢，不能满足电子化闭环控制要求；③控制动力（油源）同时用于机器的多个“轴”的控制，是个复杂的时变系统，可能出现动力不足；④目前电子控制先导元件是不带位移反馈的4通径比例减压阀，流量小，可能难于满足闭环系统起码的增益要求。
所以未来我们要想办法帮助大家开发出行走机械专用的软件模块，将来它会变成一种韧件，现在我们的机器基本上是一台机器一个控制器，现在的软件程序都是以IEC6113-1的标准写的，未来我们将用以太网、用C语言作为标准，所以电子化时代再想仿制，仿制不了，现在必须要开始去发展自己的东西。
未来行走机械电子化，不再使用IEC6113-1的PLC语言，要用C语言，可能就不是一个控制器为主，而要做成大型的DCS控制系统为主，不可能把所有的控制器都搁在机器上，怎么办呢？搁在云里头，所以行走机械要用云，这是不可缺少、不可逆转的，必须要加紧时间来做。我们未来的控制器不再是仅仅用CAN总线了，一定要用ETHERNET，而且要增加三维定位，要增加死区PWM调节输出，详见图9深蓝色部分。
◆定位
厘米级定位我们国家已经有了。千寻位置网络有限公司由中国兵器工业集团和阿里巴巴集团合资成立，以“互联网+位置（北斗）”为理念，通过北斗地基增强全国一张网的整合与建设，基于卫星定位、辅助定位技术、云计算和大数据技术，构建位置服务开放平台，提供实时米级至厘米级、后处理静态毫米级的高精准位置服务。
◆互联网
所以有了这么几条以后，行走机械的互联网+、行走机械的智能化就不成问题了，现在国外已经开发出新的控制器了，而且有了网关装置gataway，所以实现无线网络控制是没有问题的，并可以搜集大量的数据。因此下一步，我们要考虑云平台的问题（见图9），深蓝色是需要液压厂家开发的，浅蓝色的就是个平台，谁来做这平台，这是我们需要解决的。大家都知道行走机械要想智能化，关键是位置控制系统，3D定位，北斗已经解决这个问题了，北斗的动态精度可以做到7mm，北理工的教授已经做过试验了是可以达到的。问题是怎样把这些内容搁在一个网络里呢？需要建立新的网络平台，这个平台可以控制各种机器，把各种需要的东西都搁在平台上。这个平台并不是现在的主机厂搞的平台，为什么呢？因为一个施工工地，不可能机器都是来自一家的，可能有三一的、有徐工的，因此这个平台一定是第三方的。
图9云平台图
国外已经有这样的平台了，比如美国的AEF农业机械平台，拖拉机、收割机都在这个平台上，数据都能进行交换了，专门做农业互联网，卫星定位。欧洲农业机械也有这样的平台了，据它的宣传，作业效率从30%提高到80%，现在能做到100%了。
我们中国的企业一定要在意识上发生变化，要想把这几个事情联系在一起，就要有平台，这是一个庞大的系统工程。好在我们已经开始起步了，网络技术公司已经愿意把我们的电子控制、动力流、还有大数据都搁在他的平台上，为行走机械建立起一个新的平台。亿阳信通公司、北方股份、北京理工大学共同建设的“大矿车自动驾驶及露天煤矿智能机群控制平台”项目已全面启动。
行走机械，特别是农业机械和军事机械智能化、网络化是国家发展急需！中国高新技术发展已处世界领先行列，我们没有理由搞不好这个项目！
行业分析的好文。
““有些行业看来很热闹，其实大部分的利润都给了外国的厂家。”我国液压行业在行走机械市场上除油缸外，绝大部分产品为仿制，仅用于备品备件市场。我们是世界最大的后市场供应商！”这段话很诚恳。:)
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