液壓系統(tǒng)-概述課件

流體傳動與控制學科是人類在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。1一、歷史回顧1

流體力學對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘人阿基米德(Archimedes)，他建立了物理浮力定律和液體平衡理論。第一講液壓技術(shù)概述1648年法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體中壓

力傳遞的基本定律，奠定了液體靜力學基礎。2◆流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是在經(jīng)典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律之后才逐步形成的?！?7世紀，力學奠基人牛頓(Newton)研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，針對粘性流體運動時的內(nèi)摩擦力提出了牛頓粘性定律?！?738年瑞土人歐拉(L.Euler)采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜

力學中的壓力概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘性流體的運動

。3伯努利(D.Bernoulli)從經(jīng)典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，進行試驗分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、流道高度之間的關(guān)系——伯努利方程。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段?！簟?◆1827

年法國人納維(C.

L.

M.

Navier)

建立了粘性流體的

基本運動方程；

1845 年英國人斯托克斯

(G.

G.

Stokes)又以更合理的方法導出了這組方程，這就是沿用至今的N-S方程，它是流體動力學 的理論基礎。1883 年英國人雷諾

(O.

Reynolds) 發(fā)現(xiàn)液體具有兩種不同的流動狀態(tài)——層流和湍流，并建立湍流基本方程——雷諾方程。2

液壓傳動51795年英國人布拉默(J.

Bramsh)發(fā)明了第一臺液壓

機，它的問世是流體動力應用于工業(yè)的成功典范， 到1826年液壓機已被廣泛應用，此后還發(fā)展了許多 水壓傳動控制回路，并且采用機能符號取代具體的 設計和結(jié)構(gòu)，方便了液壓技術(shù)的進一步發(fā)展。19世紀是流體傳動技術(shù)走向工業(yè)應用的世紀，它奠基于的流體力學成果之上，而工業(yè)革命以來的產(chǎn)業(yè)需求為液壓技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了先決條件?！?905年美國人詹尼(Janney)首先將礦物油引入傳動介質(zhì)，并設計研制了帶軸向柱塞機械的液壓傳動裝置，并于

1906年應用于軍艦的炮塔裝置上，為現(xiàn)代液壓技術(shù)的發(fā)

展揭開了序幕。6◆◆1922年瑞士人托馬(H.

Thoma)發(fā)明了徑向柱塞泵。1936年美國人威克斯(H.

Vickers)一改傳統(tǒng)的直動式機

械控制機構(gòu)，發(fā)明了先導控制式壓力控制閥。稍后電磁閥和電液換向滑閥的問世，使先導控制形式多樣化。3

控制論720世紀是流體傳動與控制技術(shù)飛速發(fā)展并日趨成熟的世紀，也是控制理論與工程實踐相互結(jié)合飛

速發(fā)展的世紀，它為流體控制工程的進步提供了強有力的理論基礎和技術(shù)支持。1922 年美國人米諾爾斯基

(N.

Minorsky) 提出用于船舶駕駛伺服機構(gòu)的比例、積分、微分(PID)控制方法。8◆◆1932年瑞典人奈奎斯特(H．Nyquist)提出根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。Sh1948年美國科學家埃文斯(W．R．Evans)提出了根軌跡

分析方法，同年申農(nóng)

(C

．

E

．Wiener)出版《信息論》與《控制論》。4

液壓傳動及伺服系統(tǒng)◆1950年摩根(Moog)研制成功采用微小輸入信號的電液伺服閥后，美國麻省理工學院的布萊克本(Blackburn)、李(Lee)等人在系統(tǒng)高壓化和電液伺服機構(gòu)方面進行了

深入研究

?！?970年前后信號功率介于開關(guān)控制和伺服控制之間的比例閥問世。二戰(zhàn)后液壓技術(shù)在航天、國防、汽車和機床工業(yè)中得到廣泛應用，并且走向產(chǎn)業(yè)獨立發(fā)展，西方各國相繼成立了行業(yè)協(xié)會和專業(yè)學會，液壓傳動和控制被作為新興技術(shù)得到重視。這一時期稱得上是液壓工業(yè)的黃金歲月。9l960年布萊克本(Blackburn)的《液動氣動控制》和

l967年梅里特(Merritt)的《液壓控制系統(tǒng)》兩部科學

著作相繼問世，對液壓控制理論作出了系統(tǒng)、科學的闡述。10◆從1962年開始制定液壓元件的標準(CETOP，ISO／TCl31)?！粼谥鏖y結(jié)構(gòu)上，早期采用水介質(zhì)時大多選擇錐閥結(jié)構(gòu)；油壓控制發(fā)展后圓柱滑閥結(jié)構(gòu)成為主流。1970年前后

二通插裝閥

(

大中功率

)以及螺紋插裝閥(中小功率)問世井快速發(fā)展，使得滑閥結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊。20世紀是流體傳動及控制技術(shù)逐步走向成熟的時代。隨著現(xiàn)

代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當一種傳動方式，而且可

以作為一種控制手段，充當了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制

對象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。11二、發(fā)展現(xiàn)狀進入20世紀90年代后期，隨著自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)，微電子技術(shù)、可靠性技術(shù)的發(fā)展以及新材料的應用，使傳統(tǒng)的液壓技術(shù)有了新的進展，也使液壓系統(tǒng)和元件的水平有很大提高。121

液壓傳動與微電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)機電一體化集成是新型元件和系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。多功能集成電液元件、具有數(shù)字接口的電液元件和檢測元件快速發(fā)展?！?3由于內(nèi)置電子線路以及串行通訊總線技術(shù)的發(fā)展，在一些

大型現(xiàn)代化的電液系統(tǒng)，如冶金、大型礦山機械及工程機械中，泵、馬達、閥等元器件裝有各種必要的傳感器和兩路數(shù)據(jù)連接器，不僅可實現(xiàn)各種功能的控制，還可實現(xiàn)各元件狀態(tài)的監(jiān)測，使液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)有了進一步的發(fā)展?，F(xiàn)代的液壓系統(tǒng)是高度機電一體化的大型復雜控制系統(tǒng)?！糁醒胗嬎銠C不斷訪問所有元件的當前特性，并且與標準特性相比較，若顯著超出，可發(fā)出必要的警報。2

計算機的廣泛應用和性能的不斷提高使得流體傳動及控制技術(shù)有了新的發(fā)展14計算機輔助設計大大地提高了工作效率。利用CAD技術(shù)全面

支持液壓產(chǎn)品從概念設計、外觀設計、性能設計、可靠性設計到零部件設計的全過程。對現(xiàn)有的液壓CAD設計軟件進行二次開發(fā)，建立知識庫信息系統(tǒng)，它將構(gòu)成設計——制造——銷售——使用——設計的閉式循環(huán)系統(tǒng)?！鬉 新控制策略不斷被采用。自適應控制(AC)是指當被控對象本身特性及其外部環(huán)境了

解不多時或者它們在正常運行中存在變化時，對其有自適應能力和魯棒性魯棒控制指的是當系統(tǒng)模型包含不確定性因素時，仍然希望控制系統(tǒng)始終保持良好性能的一種控制方式。近年出現(xiàn)的

設計方法是魯棒控制的代表。智能控制(IC)通過對系統(tǒng)特征的描述和提取，符號和環(huán)境的識別，知識庫和推理機的開發(fā)以及控制規(guī)律的在線學習和修正，對改善液壓伺服系統(tǒng)的控制性能有巨大潛力。15◆16◆◆B

虛擬技術(shù)在液壓行業(yè)中得到應用。虛擬現(xiàn)實

(Virtual

Reality)

通常是指通過頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設備構(gòu)造出的一種計算機軟硬件環(huán)境，操作者通過這些設施以自然的技能向計算機送入各種命令，并得到計算機對用戶的視覺、聽覺及嗅覺等多種器官的反饋。包括與計算機系統(tǒng)有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗的技術(shù)與方法。它最主要的目標就是真實的體驗和方便的人機交互。虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)具有“沉浸（Immersion）”，“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”三個基本特征

?！籼摂M樣機(Virtual

Prototype) 技術(shù)是基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法，能在一定程度

上有“物理樣機”的功能真實度。它將不同工程領域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，它從外觀功能和行為上模擬真實產(chǎn)品。虛擬樣機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖17◆虛擬軋機(Virtual

Rolling

Mills) 的實現(xiàn)2030mm冷連軋機實際結(jié)構(gòu)18◆虛擬軋機(Virtual

Rolling

Mills) 的實現(xiàn)虛擬軋機系統(tǒng)配置圖19◆虛擬軋機(Virtual

Rolling

Mills) 的實現(xiàn)虛擬軋機程序框圖20◆21故障診斷技術(shù)有了長足的進步并向智能化發(fā)展。軟測量(Soft-sensing)特點就是以計算機和軟件為核心，根據(jù)某種最優(yōu)準則，選擇比較容易測得的一種或幾種輔助變量，來估計不能直接測量的主要變量。網(wǎng)絡技術(shù)將促進流體傳動行業(yè)多方面的發(fā)展?！敉ㄟ^網(wǎng)絡技術(shù)，可以使液壓氣動產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、銷售和用戶信息反饋及時掛起鉤來。用戶要求和設

計信息可傳給設計部門，設計結(jié)果通過網(wǎng)絡傳達到

相應的生產(chǎn)部門及其他機構(gòu)，可以在網(wǎng)上就出現(xiàn)的

問題交流看法和提出建議，最終實現(xiàn)整個產(chǎn)品設計

與生產(chǎn)過程的無紙化、文件的電子化?？傊黧w傳動與電子、計算機、通信等技術(shù)相結(jié)合，大大促進了流體傳動元件及系統(tǒng)的發(fā)展。流體傳動及控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機械工程的基本要素和工程控制關(guān)鍵技術(shù)之一。22三、未來展望23有統(tǒng)計資料表明：近20年來液壓技術(shù)的發(fā)展來源于自身的科研成果僅約20%，來源于其他領域發(fā)明的占

50%，移植其它技術(shù)研究成果占30%，沒有任何一種學科能關(guān)起門來發(fā)展，這也是所有學科的共同趨勢。未來液壓技術(shù)難有驚人的技術(shù)突破，應當主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進和擴展，不斷擴大其應用領域以滿足未來的要求。其主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面。1流體傳動與控制設備更加注重其環(huán)保性能24◆污染環(huán)境是流體傳動工業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，也是妨礙它與電氣和機械傳動系統(tǒng)有效競爭的一大因素。治理泄漏和降低噪聲是液壓系統(tǒng)需要解決的兩大 問題。加大非石油基液壓油的使用力度。水壓技術(shù)將會得到大力發(fā)展。2節(jié)能降耗，提高效率。25◆廣泛采用在負載敏感系統(tǒng)，使之具有流量適應控制和壓力自動補償功能。發(fā)展變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)及二次調(diào)節(jié)技術(shù)。輕量化 、小型化、節(jié)能元器件。3

流體傳動及控制系統(tǒng)變得更為集成化、模塊化、智能化和網(wǎng)絡化。26◆◆◆由電子直接控制的元件將得到廣泛采用借助現(xiàn)場總線，實現(xiàn)高水平的信息傳遞，可以對流體傳動

及控制大系統(tǒng)實現(xiàn)綜合多目標最優(yōu)控制——效率最優(yōu)、功能最優(yōu)或預選目標最優(yōu)。流體傳動及控制系統(tǒng)可實現(xiàn)加工、裝配和調(diào)試等過程的全球化虛擬制造，并對研究過程、生產(chǎn)過程、營銷過程實現(xiàn)