【干貨報告】液壓元件的多樣性及液壓系統的可視化

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舉報 2022-04-25

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由中國液壓氣動密封件工業協會和漢諾威米蘭（中國）有限公司共同組織舉辦的2021 PTC ASIA展會，于2021年10月26日～29日在上海浦東新國際博覽中心成功舉辦。展會同期舉辦的“PTC ASIA 2021高新技術展區@國際技術交流報告會”再次成為展會重要技術內涵和亮點，吸引了眾多嘉賓前來學習交流。

為了讓更多的同仁了解本屆國際技術報告會實況，《液壓氣動與密封》雜志對專家的報告通過錄音進行編輯整理，陸續發表在2022年《液壓氣動與密封》雜志和微信平臺上（公眾號：chpsa-yqm），希望更多的讀者在學習中得到啟迪和收獲。敬請關注！

PTC ASIA 2021 高新技術展區現場技術報告

液壓元件的多樣性及液壓系統的可視化

——據哈威油液壓技術（上海）有限公司專家楊政報告錄音整理

在六年前，2015年液氣密協會給我了一次機會，在這里講了哈威的Kaufbeuren工業4.0工廠，介紹了這個工廠的清潔、智能化物流、自動化、無人化、包括漫天的各種管子等等，其實當時給了一個關于德國工業4.0最終的結論，就是節能減排，同樣生產一個產品，把能耗降到最低，這是當時講的。那么今天我們繼續往下聊，下一個六年我們希望還有機會來這里講一講。今天我們談一談液壓系統多元性和可視化這個問題。

液壓元件的多樣性Kaufbeuren這么大一個工業4.0的工廠，實際上只生產一種產品——負載敏感比例多路閥。在座各位如果了解哈威的話，一定知道這是哈威在中國市場占有率比較高的一個產品，銷售量比較大，而且種類繁多。雖然各種各樣，但其實是一種產品，7個規格。我們今天講的一個問題叫多樣性，那怎么能說一種7個規格的產品體現了多樣性呢？它就是一個比例多路閥，功能就是把一個運動件推動起來，并且運動速度可控。那么實際上它有多少種衍生的產品，我們來看一下。
一個比例多路閥實際上就是一個電磁鐵推動一個閥芯（見圖1）。但是它有44種閥芯，1800種換向閥的閥芯機構，30種可控的操作形式，168種負載反饋信號，3種螺釘插裝的模式，還有1億種的操縱可能性，96種的電磁鐵，1500種中間過渡板，5600種附加模塊，基本可以滿足各種各樣的需求。有些人就問了，可能嗎？特別是德國人說有接近1億種操縱可能性的時候。怎么叫做1億種，首先操作模式71種：電控、液控、氣控等加一起，然后各種各樣的操作，然后還有彈簧的強硬程度、手柄的安裝方式等等都可以選擇，這樣不同的組合形式、多重地組合起來就有1億種。有人說你這純粹是數理的組合，但千萬種肯定是有的。而且任何一種可選項，這個工廠交貨都是一個非常穩定的交貨期，這是這個工廠比較牛的地方。

圖1 負載敏感比例多路閥的基本數據
那么為什么要開發這么多種類？真的有這么多需求嗎？
比方說一個負載反饋的信號，既然叫做負載敏感比例多路閥，那么最重要的就是負載敏感控制。連接板上我們就可以看到，可以對它進行壓力控制、壓力卸荷、比例壓力控制，然后組合，所以為了適應客戶需求，連接板種類繁多。
再舉個例子，有一種工況：克令吊（船用起重機）。克令吊臂架上裝有比例多路閥，但是它可能放得很遠，一個甲板，十幾米、二十幾米、甚至幾十米。那么從閥到泵這么長的距離會發生什么呢？負載反饋信號會很快地衰減，衰減帶來的后果就是閥換向了，臂架沒動，很長時間以后，慢慢減壓。這個時候就需要有一個液壓信號放大器（見圖2），英文叫copy閥，這個東西是可以疊加在比例多路閥上的，其功能是不管有多遠，都可以把液壓信號放大，從而完成工作。

圖2 液壓信號放大器（copy閥）
然后，要有各種各樣的阻尼功能（見圖3）。為什么要有阻尼，因為有震動，加阻尼就是來解決震動。但是有時候阻尼加多了，機器會變傻，就是所有動作都變慢了。怎么辦呢？阻尼當然是越小越好。我要解決的第一個問題是響應速度要快，那么加一個單向閥，讓它快速地把信號傳遞過來；然而關閉的時候為避免震動，速度要慢，就是要快開慢關；另外有時會有一定的脈沖，就要在脈沖的高峰信號再加一個背壓閥，這樣組成一個閥芯結構——單向節流背壓閥，既削峰又提高響應速度。

圖3 多種阻尼減震控制
再比如，比例多路閥前端都有一個定差閥（也有人叫補償閥）（見圖4），是用來保證閥芯兩端的壓差是平衡的。一般來說，這個閥是處于常開狀態，在不同的情況下會產生不同的震動，那么對于不同的震動，每個閥芯可能有多種解決方案。

圖4 二通閥的的多樣性
再舉一個例子，比如臂架向上升的時候，為了保壓，我們要做一個打銷的動作，打銷本身力很輕，油缸很小，流量一點點推動，這個時候如果臂架很沉，那么主油路上面P口的壓力就會很大。換向閥是滑閥機構，總有泄漏，這種泄漏油就有可能把插銷油缸給推動了，那么如何解決呢？我們在兩通流量閥上把P口的壓力先給卸荷了（見圖5），這就是從液壓上面給它解決問題。單向閥、平衡閥都有可能因為小的憋壓把液壓鎖或者平衡閥打開，造成不必要的誤操作。

圖5 溢流功能（Bleed-off）二通閥（D/B)
還有一種工況，就是背壓。背壓好還是不好？有些背壓是好的，因為背壓讓整個運動是一個平穩的過程。但是不同的設備對背壓有不同的要求，大部分情況下，保持一定的背壓，流量越大，閥芯開的越大，保持一定的穩定性。但是還有一種工況，比方說在車輛回轉時，實際上在大流量的時候，背壓是穩定的，而在小流量的時候，背壓很難穩定。這個時候我們就希望在小流量的時候是大背壓，大流量的時候為了減少能量損失變成小背壓（見圖6右圖），這些是可以通過閥芯設置來實現的，就是通過液壓本身來實現這個功能。

圖6 閥芯機能的多樣性-中位機能
那么其實前面這些功能是不是都可以用電來實現呢？用一個傳感器傳感回控制箱，控制箱再控制閥芯，通過閥芯的位置再去補償，整個繞了一大圈，還要閥芯高響應，所以這并不是一個好的選擇。我個人覺得液壓在基本理論沒有大改變的情況下，液壓的優勢還是在這幾個方面，比方說功率密度大，調速范圍寬，我們一定要把液壓本身做到極致。
液壓系統的可視化有許多的功能需求，我們都可以通過對液壓本身的研究、液壓元件的多樣性來實現。但是液壓確實存在自己的痛點、難點，對于液壓供應商、設備制造商、設備使用商來說，最難點就是看不見、摸不著，液壓系統有著可視化的需求，主要體現在下面幾點。
●?變被動為主動。設備使用商發現設備不動了，設備制造商一看，液壓泵站的電機給燒了，讓液壓供應商去查，發現溫度開關不知道讓誰給拔了，這事就完全說不清楚了。所以現在我們要對設備的售后服務變被動為主動。什么叫變被動為主動？以前的被動是設備壞了，我就去給你修，現在的主動就是不等它壞，我就去預防。大家都在提的預見式服務，這就是其中的一種。
●?新產品設計。設備升級換代的時候，比方說臂架總是很容易斷，那可能就是緩沖沒做好。但是解決緩沖有很多的方案，是讓電機慢啟動，還是減小閥芯的換向速度，還是加緩沖溢流閥？都有可能，這時就需要過往的數據了。
●??相似產品對比。幾個相似的產品到底選誰，現在沒辦法知道。我可能就會先選一個便宜的，它有可能好使，也有可能不好使，我們必須得有一個數據才能知道。以前遇到這個問題，可以我先選一種用，等用一段時間，發現這東西確實不好使，那我換另一種。以后呢，產品升級換代越來越快，那么就要求你在這個產品用壞之前，盡快知道怎么能夠改善它。
●??后市場維護。包括后市場的備件什么時候來準備。以前有可能我財大氣粗，我先把很多備件存在庫里，壞了我就換；或者等它壞了以后，我再去買。但這樣耽誤了設備運行，很尷尬，最好提前預知。
那么一個液壓系統，我們想看到什么東西：油污染、是否泄漏、過濾器的污染狀態、工作壓力是否正常，流量輸出是否正確，包括是否過熱、泵的故障、電機故障，這些都是我們想要關注的（見圖7）。現在有很多的傳感器可以了解這些，其中一些傳感器可能很貴、或者不準，但有些傳感器還是很便宜精確的，比如說溫度、電機電流、工作時間都可以很容易檢測到。那么是否可以通過一個算法來實現我們所需要的對整個設備的監控呢？比如說污染的檢測儀很貴，那么我就通過算法來算出在使用一段時間后，油液是否污染了；流量是很難算出來的，但是我們能檢測出來電機的電流、工作的壓力。

圖7 全方位液壓系統的可視化
這是一個緊湊式泵站（見圖8），這些便宜而有效的傳感器介入到整個液壓系統中，我們就可以檢測它的壓力、溫度、液位、工作時間、電機電流、甚至電機的振動情況，振動是突然變大了還是保持一定的振動狀態，據此可以提前預知系統是否處于一個正常的狀態，并記錄出一個圖表。當然有時候壓力可能不在里面，因為壓力是在整個系統里，而不是在這個泵站上。

圖8 HAWE可視化液壓泵站
由于增加了這些傳感器，控制器也變大了。為了簡化控制器，我們把這些傳感器信號同時輸入一個控制模塊（見圖9），這個控制模塊再將其轉換為計算機用的RS232、RS485等串口數字信號、或者不同種類的CAN總線需要的信號、或者O-Link（歐洲比較流行的信號），也可以同時把這個信號轉換為wifi、4G/5G信號，直接發到云端，把這個數據給記錄下來，統計出來。總之，這個模塊的作用就是把多種信號匯總傳輸給上位機，實現信號的數字化，對液壓系統進行可視化處理。

圖9 數字通訊模塊
更重要的是這些數據一定要有可回溯性，而且很容易查詢到。比如剛才說電機燒了，那誰拔的這根線，這個工位的管理是不是聯在里面，這不是簡單的可視，而是可溯、可控，然后信號的交替，跟整個生產線、整個工廠的數字化交替，那么它就是一個數字化工廠的概念。比方說，你先登錄，登錄進去以后可以看到整個系統的工作狀態（圖10a），這個工作狀態只是對液壓系統的了解，有蓄能器壓力、電機電流、泵流量等等，以及過往的查詢。當然包括你可以加上攝像頭，對工廠工位進行實時監控（圖10b），這是有權限限制的，在不同的客戶端可以看到；當然你可以切換到整個流水線上的工作情況，然后把它接入到工位管理。比如工作人員在這個工位第一要打卡，是誰現在在工作，計件多少，包括一旦出現了故障，都有記錄（圖10c）。這就是工位的管理，設備在某些地點裝了哪些東西，誰做的這個東西，還有一旦出了故障，一定會把它記錄下來，當時出了一個什么樣的故障，怎么來處理的，如何保證以后不再出現這種故障。

圖10 HAWE可視化平臺
你還可以通過這個可視化平臺看到在全球有哪些客戶正在使用這些設備，原理圖、售后服務報告等都可以放在這里，可以跟上游的MES系統、ERP系統進行信息共享，都可以實現溝通，整個信息流都可以分享。另外，可視化平臺還可以做成手機端，通過手機端的認證，實時查詢。
這個可視化平臺是特別針對液壓系統開發的，主要目的一方面是降低維護成本、實現預見式的服務，另一方面也希望它能夠給液壓系統的設計者、使用者都帶來便利。
我們期望液壓的東西還是液壓來解決，我們做這個平臺是給液壓提供一個更好的可視化的平臺，讓它能夠容易地解決掉一些重點、難點問題。

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