由中國液壓氣動(dòng)密封件工業(yè)協(xié)會(huì)和漢諾威米蘭（中國）有限公司共同組織舉辦的2021 PTC ASIA展會(huì)，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(huì)同期舉辦的“PTC ASIA 2021高新技術(shù)展區(qū)@國際技術(shù)交流報(bào)告會(huì)”再次成為展會(huì)重要技術(shù)內(nèi)涵和亮點(diǎn)，吸引了眾多嘉賓前來學(xué)習(xí)交流。

為了讓更多的同仁了解本屆國際技術(shù)報(bào)告會(huì)實(shí)況，《液壓氣動(dòng)與密封》雜志對專家的報(bào)告通過錄音進(jìn)行編輯整理，陸續(xù)發(fā)表在2022年《液壓氣動(dòng)與密封》雜志和微信平臺(tái)上（公眾號：chpsa-yqm），希望更多的讀者在學(xué)習(xí)中得到啟迪和收獲。敬請關(guān)注！

PTC ASIA 2021 高新技術(shù)展區(qū)現(xiàn)場技術(shù)報(bào)告

液壓元件的多樣性及液壓系統(tǒng)的可視化

——據(jù)哈威油液壓技術(shù)（上海）有限公司專家楊政報(bào)告錄音整理

在六年前，2015年液氣密協(xié)會(huì)給我了一次機(jī)會(huì)，在這里講了哈威的Kaufbeuren工業(yè)4.0工廠，介紹了這個(gè)工廠的清潔、智能化物流、自動(dòng)化、無人化、包括漫天的各種管子等等，其實(shí)當(dāng)時(shí)給了一個(gè)關(guān)于德國工業(yè)4.0最終的結(jié)論，就是節(jié)能減排，同樣生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，把能耗降到最低，這是當(dāng)時(shí)講的。那么今天我們繼續(xù)往下聊，下一個(gè)六年我們希望還有機(jī)會(huì)來這里講一講。今天我們談一談液壓系統(tǒng)多元性和可視化這個(gè)問題。

液壓元件的多樣性Kaufbeuren這么大一個(gè)工業(yè)4.0的工廠，實(shí)際上只生產(chǎn)一種產(chǎn)品——負(fù)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(gè)產(chǎn)品，銷售量比較大，而且種類繁多。雖然各種各樣，但其實(shí)是一種產(chǎn)品，7個(gè)規(guī)格。我們今天講的一個(gè)問題叫多樣性，那怎么能說一種7個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品體現(xiàn)了多樣性呢？它就是一個(gè)比例多路閥，功能就是把一個(gè)運(yùn)動(dòng)件推動(dòng)起來，并且運(yùn)動(dòng)速度可控。那么實(shí)際上它有多少種衍生的產(chǎn)品，我們來看一下。
一個(gè)比例多路閥實(shí)際上就是一個(gè)電磁鐵推動(dòng)一個(gè)閥芯（見圖1）。但是它有44種閥芯，1800種換向閥的閥芯機(jī)構(gòu)，30種可控的操作形式，168種負(fù)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(shí)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(qiáng)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(shù)理的組合，但千萬種肯定是有的。而且任何一種可選項(xiàng)，這個(gè)工廠交貨都是一個(gè)非常穩(wěn)定的交貨期，這是這個(gè)工廠比較牛的地方。

圖1 負(fù)載敏感比例多路閥的基本數(shù)據(jù)
那么為什么要開發(fā)這么多種類？真的有這么多需求嗎？
比方說一個(gè)負(fù)載反饋的信號，既然叫做負(fù)載敏感比例多路閥，那么最重要的就是負(fù)載敏感控制。連接板上我們就可以看到，可以對它進(jìn)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(yīng)客戶需求，連接板種類繁多。
再舉個(gè)例子，有一種工況：克令吊（船用起重機(jī)）。克令吊臂架上裝有比例多路閥，但是它可能放得很遠(yuǎn)，一個(gè)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(huì)發(fā)生什么呢？負(fù)載反饋信號會(huì)很快地衰減，衰減帶來的后果就是閥換向了，臂架沒動(dòng)，很長時(shí)間以后，慢慢減壓。這個(gè)時(shí)候就需要有一個(gè)液壓信號放大器（見圖2），英文叫copy閥，這個(gè)東西是可以疊加在比例多路閥上的，其功能是不管有多遠(yuǎn)，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?yàn)橛姓饎?dòng)，加阻尼就是來解決震動(dòng)。但是有時(shí)候阻尼加多了，機(jī)器會(huì)變傻，就是所有動(dòng)作都變慢了。怎么辦呢？阻尼當(dāng)然是越小越好。我要解決的第一個(gè)問題是響應(yīng)速度要快，那么加一個(gè)單向閥，讓它快速地把信號傳遞過來；然而關(guān)閉的時(shí)候?yàn)楸苊庹饎?dòng)，速度要慢，就是要快開慢關(guān)；另外有時(shí)會(huì)有一定的脈沖，就要在脈沖的高峰信號再加一個(gè)背壓閥，這樣組成一個(gè)閥芯結(jié)構(gòu)——單向節(jié)流背壓閥，既削峰又提高響應(yīng)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(gè)定差閥（也有人叫補(bǔ)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(gè)閥是處于常開狀態(tài)，在不同的情況下會(huì)產(chǎn)生不同的震動(dòng)，那么對于不同的震動(dòng)，每個(gè)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(gè)例子，比如臂架向上升的時(shí)候，為了保壓，我們要做一個(gè)打銷的動(dòng)作，打銷本身力很輕，油缸很小，流量一點(diǎn)點(diǎn)推動(dòng)，這個(gè)時(shí)候如果臂架很沉，那么主油路上面P口的壓力就會(huì)很大。換向閥是滑閥機(jī)構(gòu)，總有泄漏，這種泄漏油就有可能把插銷油缸給推動(dòng)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?yàn)樾〉谋飰喊岩簤烘i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?yàn)楸硥鹤屨麄€(gè)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)平穩(wěn)的過程。但是不同的設(shè)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(wěn)定性。但是還有一種工況，比方說在車輛回轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際上在大流量的時(shí)候，背壓是穩(wěn)定的，而在小流量的時(shí)候，背壓很難穩(wěn)定。這個(gè)時(shí)候我們就希望在小流量的時(shí)候是大背壓，大流量的時(shí)候?yàn)榱藴p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(shè)置來實(shí)現(xiàn)的，就是通過液壓本身來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

圖6 閥芯機(jī)能的多樣性-中位機(jī)能
那么其實(shí)前面這些功能是不是都可以用電來實(shí)現(xiàn)呢？用一個(gè)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(bǔ)償，整個(gè)繞了一大圈，還要閥芯高響應(yīng)，所以這并不是一個(gè)好的選擇。我個(gè)人覺得液壓在基本理論沒有大改變的情況下，液壓的優(yōu)勢還是在這幾個(gè)方面，比方說功率密度大，調(diào)速范圍寬，我們一定要把液壓本身做到極致。
液壓系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)。但是液壓確實(shí)存在自己的痛點(diǎn)、難點(diǎn)，對于液壓供應(yīng)商、設(shè)備制造商、設(shè)備使用商來說，最難點(diǎn)就是看不見、摸不著，液壓系統(tǒng)有著可視化的需求，主要體現(xiàn)在下面幾點(diǎn)。
●?變被動(dòng)為主動(dòng)。設(shè)備使用商發(fā)現(xiàn)設(shè)備不動(dòng)了，設(shè)備制造商一看，液壓泵站的電機(jī)給燒了，讓液壓供應(yīng)商去查，發(fā)現(xiàn)溫度開關(guān)不知道讓誰給拔了，這事就完全說不清楚了。所以現(xiàn)在我們要對設(shè)備的售后服務(wù)變被動(dòng)為主動(dòng)。什么叫變被動(dòng)為主動(dòng)？以前的被動(dòng)是設(shè)備壞了，我就去給你修，現(xiàn)在的主動(dòng)就是不等它壞，我就去預(yù)防。大家都在提的預(yù)見式服務(wù)，這就是其中的一種。
●?新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。設(shè)備升級換代的時(shí)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(jī)慢啟動(dòng)，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(shí)就需要過往的數(shù)據(jù)了。 
●??相似產(chǎn)品對比。幾個(gè)相似的產(chǎn)品到底選誰，現(xiàn)在沒辦法知道。我可能就會(huì)先選一個(gè)便宜的，它有可能好使，也有可能不好使，我們必須得有一個(gè)數(shù)據(jù)才能知道。以前遇到這個(gè)問題，可以我先選一種用，等用一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)這東西確實(shí)不好使，那我換另一種。以后呢，產(chǎn)品升級換代越來越快，那么就要求你在這個(gè)產(chǎn)品用壞之前，盡快知道怎么能夠改善它。
●??后市場維護(hù)。包括后市場的備件什么時(shí)候來準(zhǔn)備。以前有可能我財(cái)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(shè)備運(yùn)行，很尷尬，最好提前預(yù)知。
那么一個(gè)液壓系統(tǒng)，我們想看到什么東西：油污染、是否泄漏、過濾器的污染狀態(tài)、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(jī)故障，這些都是我們想要關(guān)注的（見圖7）。現(xiàn)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(zhǔn)，但有些傳感器還是很便宜精確的，比如說溫度、電機(jī)電流、工作時(shí)間都可以很容易檢測到。那么是否可以通過一個(gè)算法來實(shí)現(xiàn)我們所需要的對整個(gè)設(shè)備的監(jiān)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(shí)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(jī)的電流、工作的壓力。

圖7 全方位液壓系統(tǒng)的可視化
這是一個(gè)緊湊式泵站（見圖8），這些便宜而有效的傳感器介入到整個(gè)液壓系統(tǒng)中，我們就可以檢測它的壓力、溫度、液位、工作時(shí)間、電機(jī)電流、甚至電機(jī)的振動(dòng)情況，振動(dòng)是突然變大了還是保持一定的振動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此可以提前預(yù)知系統(tǒng)是否處于一個(gè)正常的狀態(tài)，并記錄出一個(gè)圖表。當(dāng)然有時(shí)候壓力可能不在里面，因?yàn)閴毫κ窃谡麄€(gè)系統(tǒng)里，而不是在這個(gè)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(shí)輸入一個(gè)控制模塊（見圖9），這個(gè)控制模塊再將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)用的RS232、RS485等串口數(shù)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(shí)把這個(gè)信號轉(zhuǎn)換為wifi、4G/5G信號，直接發(fā)到云端，把這個(gè)數(shù)據(jù)給記錄下來，統(tǒng)計(jì)出來。總之，這個(gè)模塊的作用就是把多種信號匯總傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行可視化處理。

圖9 數(shù)字通訊模塊
更重要的是這些數(shù)據(jù)一定要有可回溯性，而且很容易查詢到。比如剛才說電機(jī)燒了，那誰拔的這根線，這個(gè)工位的管理是不是聯(lián)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(gè)生產(chǎn)線、整個(gè)工廠的數(shù)字化交替，那么它就是一個(gè)數(shù)字化工廠的概念。比方說，你先登錄，登錄進(jìn)去以后可以看到整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)（圖10a），這個(gè)工作狀態(tài)只是對液壓系統(tǒng)的了解，有蓄能器壓力、電機(jī)電流、泵流量等等，以及過往的查詢。當(dāng)然包括你可以加上攝像頭，對工廠工位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控（圖10b），這是有權(quán)限限制的，在不同的客戶端可以看到；當(dāng)然你可以切換到整個(gè)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(gè)工位第一要打卡，是誰現(xiàn)在在工作，計(jì)件多少，包括一旦出現(xiàn)了故障，都有記錄（圖10c）。這就是工位的管理，設(shè)備在某些地點(diǎn)裝了哪些東西，誰做的這個(gè)東西，還有一旦出了故障，一定會(huì)把它記錄下來，當(dāng)時(shí)出了一個(gè)什么樣的故障，怎么來處理的，如何保證以后不再出現(xiàn)這種故障。

圖10 HAWE可視化平臺(tái)
你還可以通過這個(gè)可視化平臺(tái)看到在全球有哪些客戶正在使用這些設(shè)備，原理圖、售后服務(wù)報(bào)告等都可以放在這里，可以跟上游的MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，都可以實(shí)現(xiàn)溝通，整個(gè)信息流都可以分享。另外，可視化平臺(tái)還可以做成手機(jī)端，通過手機(jī)端的認(rèn)證，實(shí)時(shí)查詢。
這個(gè)可視化平臺(tái)是特別針對液壓系統(tǒng)開發(fā)的，主要目的一方面是降低維護(hù)成本、實(shí)現(xiàn)預(yù)見式的服務(wù)，另一方面也希望它能夠給液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)平臺(tái)是給液壓提供一個(gè)更好的可視化的平臺(tái)，讓它能夠容易地解決掉一些重點(diǎn)、難點(diǎn)問題。

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