【干货报告】液压元件的多样性及液压系统的可视化

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举报 2022-04-25

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由中国液压气动密封件工业协会和汉诺威米兰（中国）有限公司共同组织举办的2021 PTC ASIA展会，于2021年10月26日～29日在上海浦东新国际博览中心成功举办。展会同期举办的“PTC ASIA 2021高新技术展区@国际技术交流报告会”再次成为展会重要技术内涵和亮点，吸引了众多嘉宾前来学习交流。

为了让更多的同仁了解本届国际技术报告会实况，《液压气动与密封》杂志对专家的报告通过录音进行编辑整理，陆续发表在2022年《液压气动与密封》杂志和微信平台上（公众号：chpsa-yqm），希望更多的读者在学习中得到启迪和收获。敬请关注！

PTC ASIA 2021 高新技术展区现场技术报告

液压元件的多样性及液压系统的可视化

——据哈威油液压技术（上海）有限公司专家杨政报告录音整理

在六年前，2015年液气密协会给我了一次机会，在这里讲了哈威的Kaufbeuren工业4.0工厂，介绍了这个工厂的清洁、智能化物流、自动化、无人化、包括漫天的各种管子等等，其实当时给了一个关于德国工业4.0最终的结论，就是节能减排，同样生产一个产品，把能耗降到最低，这是当时讲的。那么今天我们继续往下聊，下一个六年我们希望还有机会来这里讲一讲。今天我们谈一谈液压系统多元性和可视化这个问题。

液压元件的多样性Kaufbeuren这么大一个工业4.0的工厂，实际上只生产一种产品——负载敏感比例多路阀。在座各位如果了解哈威的话，一定知道这是哈威在中国市场占有率比较高的一个产品，销售量比较大，而且种类繁多。虽然各种各样，但其实是一种产品，7个规格。我们今天讲的一个问题叫多样性，那怎么能说一种7个规格的产品体现了多样性呢？它就是一个比例多路阀，功能就是把一个运动件推动起来，并且运动速度可控。那么实际上它有多少种衍生的产品，我们来看一下。
一个比例多路阀实际上就是一个电磁铁推动一个阀芯（见图1）。但是它有44种阀芯，1800种换向阀的阀芯机构，30种可控的操作形式，168种负载反馈信号，3种螺钉插装的模式，还有1亿种的操纵可能性，96种的电磁铁，1500种中间过渡板，5600种附加模块，基本可以满足各种各样的需求。有些人就问了，可能吗？特别是德国人说有接近1亿种操纵可能性的时候。怎么叫做1亿种，首先操作模式71种：电控、液控、气控等加一起，然后各种各样的操作，然后还有弹簧的强硬程度、手柄的安装方式等等都可以选择，这样不同的组合形式、多重地组合起来就有1亿种。有人说你这纯粹是数理的组合，但千万种肯定是有的。而且任何一种可选项，这个工厂交货都是一个非常稳定的交货期，这是这个工厂比较牛的地方。

图1 负载敏感比例多路阀的基本数据
那么为什么要开发这么多种类？真的有这么多需求吗？
比方说一个负载反馈的信号，既然叫做负载敏感比例多路阀，那么最重要的就是负载敏感控制。连接板上我们就可以看到，可以对它进行压力控制、压力卸荷、比例压力控制，然后组合，所以为了适应客户需求，连接板种类繁多。
再举个例子，有一种工况：克令吊（船用起重机）。克令吊臂架上装有比例多路阀，但是它可能放得很远，一个甲板，十几米、二十几米、甚至几十米。那么从阀到泵这么长的距离会发生什么呢？负载反馈信号会很快地衰减，衰减带来的后果就是阀换向了，臂架没动，很长时间以后，慢慢减压。这个时候就需要有一个液压信号放大器（见图2），英文叫copy阀，这个东西是可以叠加在比例多路阀上的，其功能是不管有多远，都可以把液压信号放大，从而完成工作。

图2 液压信号放大器（copy阀）
然后，要有各种各样的阻尼功能（见图3）。为什么要有阻尼，因为有震动，加阻尼就是来解决震动。但是有时候阻尼加多了，机器会变傻，就是所有动作都变慢了。怎么办呢？阻尼当然是越小越好。我要解决的第一个问题是响应速度要快，那么加一个单向阀，让它快速地把信号传递过来；然而关闭的时候为避免震动，速度要慢，就是要快开慢关；另外有时会有一定的脉冲，就要在脉冲的高峰信号再加一个背压阀，这样组成一个阀芯结构——单向节流背压阀，既削峰又提高响应速度。

图3 多种阻尼减震控制
再比如，比例多路阀前端都有一个定差阀（也有人叫补偿阀）（见图4），是用来保证阀芯两端的压差是平衡的。一般来说，这个阀是处于常开状态，在不同的情况下会产生不同的震动，那么对于不同的震动，每个阀芯可能有多种解决方案。

图4 二通阀的的多样性
再举一个例子，比如臂架向上升的时候，为了保压，我们要做一个打销的动作，打销本身力很轻，油缸很小，流量一点点推动，这个时候如果臂架很沉，那么主油路上面P口的压力就会很大。换向阀是滑阀机构，总有泄漏，这种泄漏油就有可能把插销油缸给推动了，那么如何解决呢？我们在两通流量阀上把P口的压力先给卸荷了（见图5），这就是从液压上面给它解决问题。单向阀、平衡阀都有可能因为小的憋压把液压锁或者平衡阀打开，造成不必要的误操作。

图5 溢流功能（Bleed-off）二通阀（D/B)
还有一种工况，就是背压。背压好还是不好？有些背压是好的，因为背压让整个运动是一个平稳的过程。但是不同的设备对背压有不同的要求，大部分情况下，保持一定的背压，流量越大，阀芯开的越大，保持一定的稳定性。但是还有一种工况，比方说在车辆回转时，实际上在大流量的时候，背压是稳定的，而在小流量的时候，背压很难稳定。这个时候我们就希望在小流量的时候是大背压，大流量的时候为了减少能量损失变成小背压（见图6右图），这些是可以通过阀芯设置来实现的，就是通过液压本身来实现这个功能。

图6 阀芯机能的多样性-中位机能
那么其实前面这些功能是不是都可以用电来实现呢？用一个传感器传感回控制箱，控制箱再控制阀芯，通过阀芯的位置再去补偿，整个绕了一大圈，还要阀芯高响应，所以这并不是一个好的选择。我个人觉得液压在基本理论没有大改变的情况下，液压的优势还是在这几个方面，比方说功率密度大，调速范围宽，我们一定要把液压本身做到极致。
液压系统的可视化有许多的功能需求，我们都可以通过对液压本身的研究、液压元件的多样性来实现。但是液压确实存在自己的痛点、难点，对于液压供应商、设备制造商、设备使用商来说，最难点就是看不见、摸不着，液压系统有着可视化的需求，主要体现在下面几点。
● 变被动为主动。设备使用商发现设备不动了，设备制造商一看，液压泵站的电机给烧了，让液压供应商去查，发现温度开关不知道让谁给拔了，这事就完全说不清楚了。所以现在我们要对设备的售后服务变被动为主动。什么叫变被动为主动？以前的被动是设备坏了，我就去给你修，现在的主动就是不等它坏，我就去预防。大家都在提的预见式服务，这就是其中的一种。
● 新产品设计。设备升级换代的时候，比方说臂架总是很容易断，那可能就是缓冲没做好。但是解决缓冲有很多的方案，是让电机慢启动，还是减小阀芯的换向速度，还是加缓冲溢流阀？都有可能，这时就需要过往的数据了。
● 相似产品对比。几个相似的产品到底选谁，现在没办法知道。我可能就会先选一个便宜的，它有可能好使，也有可能不好使，我们必须得有一个数据才能知道。以前遇到这个问题，可以我先选一种用，等用一段时间，发现这东西确实不好使，那我换另一种。以后呢，产品升级换代越来越快，那么就要求你在这个产品用坏之前，尽快知道怎么能够改善它。
● 后市场维护。包括后市场的备件什么时候来准备。以前有可能我财大气粗，我先把很多备件存在库里，坏了我就换；或者等它坏了以后，我再去买。但这样耽误了设备运行，很尴尬，最好提前预知。
那么一个液压系统，我们想看到什么东西：油污染、是否泄漏、过滤器的污染状态、工作压力是否正常，流量输出是否正确，包括是否过热、泵的故障、电机故障，这些都是我们想要关注的（见图7）。现在有很多的传感器可以了解这些，其中一些传感器可能很贵、或者不准，但有些传感器还是很便宜精确的，比如说温度、电机电流、工作时间都可以很容易检测到。那么是否可以通过一个算法来实现我们所需要的对整个设备的监控呢？比如说污染的检测仪很贵，那么我就通过算法来算出在使用一段时间后，油液是否污染了；流量是很难算出来的，但是我们能检测出来电机的电流、工作的压力。

图7 全方位液压系统的可视化
这是一个紧凑式泵站（见图8），这些便宜而有效的传感器介入到整个液压系统中，我们就可以检测它的压力、温度、液位、工作时间、电机电流、甚至电机的振动情况，振动是突然变大了还是保持一定的振动状态，据此可以提前预知系统是否处于一个正常的状态，并记录出一个图表。当然有时候压力可能不在里面，因为压力是在整个系统里，而不是在这个泵站上。

图8 HAWE可视化液压泵站
由于增加了这些传感器，控制器也变大了。为了简化控制器，我们把这些传感器信号同时输入一个控制模块（见图9），这个控制模块再将其转换为计算机用的RS232、RS485等串口数字信号、或者不同种类的CAN总线需要的信号、或者O-Link（欧洲比较流行的信号），也可以同时把这个信号转换为wifi、4G/5G信号，直接发到云端，把这个数据给记录下来，统计出来。总之，这个模块的作用就是把多种信号汇总传输给上位机，实现信号的数字化，对液压系统进行可视化处理。

图9 数字通讯模块
更重要的是这些数据一定要有可回溯性，而且很容易查询到。比如刚才说电机烧了，那谁拔的这根线，这个工位的管理是不是联在里面，这不是简单的可视，而是可溯、可控，然后信号的交替，跟整个生产线、整个工厂的数字化交替，那么它就是一个数字化工厂的概念。比方说，你先登录，登录进去以后可以看到整个系统的工作状态（图10a），这个工作状态只是对液压系统的了解，有蓄能器压力、电机电流、泵流量等等，以及过往的查询。当然包括你可以加上摄像头，对工厂工位进行实时监控（图10b），这是有权限限制的，在不同的客户端可以看到；当然你可以切换到整个流水线上的工作情况，然后把它接入到工位管理。比如工作人员在这个工位第一要打卡，是谁现在在工作，计件多少，包括一旦出现了故障，都有记录（图10c）。这就是工位的管理，设备在某些地点装了哪些东西，谁做的这个东西，还有一旦出了故障，一定会把它记录下来，当时出了一个什么样的故障，怎么来处理的，如何保证以后不再出现这种故障。

图10 HAWE可视化平台
你还可以通过这个可视化平台看到在全球有哪些客户正在使用这些设备，原理图、售后服务报告等都可以放在这里，可以跟上游的MES系统、ERP系统进行信息共享，都可以实现沟通，整个信息流都可以分享。另外，可视化平台还可以做成手机端，通过手机端的认证，实时查询。
这个可视化平台是特别针对液压系统开发的，主要目的一方面是降低维护成本、实现预见式的服务，另一方面也希望它能够给液压系统的设计者、使用者都带来便利。
我们期望液压的东西还是液压来解决，我们做这个平台是给液压提供一个更好的可视化的平台，让它能够容易地解决掉一些重点、难点问题。

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