液压技术轻量化与智能化发展的一些探索——杨华勇院士
第一作者简介：杨华勇（1961-），男，重庆人，中国工程院院士，教授，博士，主要从事流体传动与控制领域的工作。
关键词：液压技术；先进制造；网络化；智能化
背景介绍
经过多年的发展，我国高端液压元件已经取得了一定的突破，恒立、林德与力源等国内液压企业设计制造的高压液压柱塞泵/马达、多路阀等已经在三一重机、徐工重机等主流的机型上得到批量应用。国产高端液压元件从无到有，逐步与世界先进水平看齐。
在努力实现更多并跑的同时，也应当寻求新技术的突破，实现局部引领。功重比是液压系统的一个重要指标，通过轻量化、小型化与集成化来提高系统功重比是液压系统发展的重要趋势。目前，车铣刨磨等传统加工方式很难取得新的突破，增材制造技术基于离散-叠加成形原理，可以一次成形三维实体，与传统的减材、等材制造技术相比，极大地提高了液压元件与系统的设计自由度，为液压元件的轻量化、小型化、集成化道路带来新的机遇。同时，不断发展的网络和感知技术为液压元件与系统的数字化、智能化、网络化提供了新的思路。
基于增材制造的液压元件和系统的轻量化、小型化和集成化
液压元件的轻量化可以减小转动惯量，加快动态响应，减少能源消耗，提高续航能力。美国宾夕法尼亚大学Timothy Simpson教授等人［5］采用金属增材制造技术，对图1a所示的液压阀块进行了增材设计与制造，得到了图1b所示的具有复杂内腔结构的液压阀块，增材制造的阀块比原型减重40％以上。我们团队也开展了相关研究，原始阀块(图2a)重约14kg，通过对其排布、结构重新设计、优化流道，增材制造后的液压阀块仅重2.6kg (图2b)，减重超过80%［6］。
图1 阀块组
图2 阀块1
小型化可以减小液压元件的体积，有利于提高液压系统的响应速度。英国雷尼绍公司基于增材制造技术对图3a所示的液压集成块的原型重新设计，制造了如图3b所示的液压集成块，体积仅为原有体积的21%［7］。我们团队对图4a流道路径重新规划，去除了原阀块的冗余材料及工艺孔，新制造的阀块体积仅为原型的1/3(图4b)。
图3 集成块
图4 阀块2
2.2 集成化
增材设计的设计自由度大，可以对液压元件进行重新设计、布局，实现液压系统的集成。此外，集成化将减少螺栓等连接件的使用，有效降低液压系统的漏油风险，提高安全性能。德国利勃海尔公司通过增材制造技术改进了航空EHA (Electro-hydraulic actuator) 内部结构，制造了集成化程度高的航空EHA（图5），多个元件得到简化，通过内部的流道实现整合［8］。
图5 利勃海尔航空EHA［8］
美国Boston Dynamics公司的Atlas机器人的机械腿由液压驱动，传统的制造工艺难以实现高集成度元件的加工，最终采用增材制造方法实现了传感、过滤、排污以及动力于一体的高度集成（图6），大幅度提高了Atlas机器人的灵活性与爆发力［9］。
图6 Atlas原型与基于增材设计的液压驱动的腿部对比［9］
液压元件与系统的网络化和智能化
随着万物互联时代的到来，液压系统与网络连接已经成为一种必然的趋势，液压系统的实时状态数据通过网络上传到云端，实现数据和资源的共享，同时液压系统也能够通过网络实现对系统的远程控制和操作，网络化使得系统数据处理变得更加透明与高效［10］。图7是博世力士乐推出的变频液压站CytroPack，它可以通过物联网和传感器感应所有的操作状态，用户通过网络可随时对液压站状态进行监测和管理，为用户提供了更高效的互联网与数据服务［11］。
图7 变频液压站CytroPack［11］
3.2 智能化
自主控制、无人化是液压系统智能化的重要表现，主要包括：基于机器学习的故障检测与诊断、智能场景构建与算法决策、多机智能综合调度与机群协同、智能感知与控制、基于5G技术的无人驾驶系统等。在未来的应用场景中，智能化液压系统能够对工况进行识别，并根据工况对液压系统进行自主控制与调整。通过智能的故障诊断，实现元件与系统的全生命周期管理。就目前而言，除了软件算法外，智能化液压元件仍面临许多挑战，如适用于液压元器件的传感器元件，特别是嵌入式微处理器的集成融合的制造技术仍未取得突破［12］。图8展示了智能型PVG比例多路阀、数字先导阀及其嵌入式电路板。将控制驱动放大器与一个带有嵌入式微处理器的控制板组合并嵌入液压主元件内形成一个整体，实现了元件的分散智能控制［13］。
图8 智能型PVG比例多路阀、数字先导阀及其嵌入式电路板［13］
结束语
目前国内一些企业在高端液压泵阀方面取得突破，要进一步加快应用的速度，实现高端液压产品的国产化推广，解决当前的卡脖子问题。多学科与多领域的融合交叉为液压技术带来新的革命，也带来了新的科学问题和技术挑战。航空航天、工程机械、机器人等重要领域的飞速发展也对液压技术提出了新的要求。轻量化、小型化、集成化、网络化、以及智能化成为液压元件与系统发展的未来，也将助力液压技术取得新的突破。