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液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

iHydrostatics静液压 • 文章来源: 液压气动与密封 • • 前沿技术

 

第一作者简介：许仰曾（1939-），上海人，教授，本科，主要从事流体动力方面的工作，就职于上海液压气动密封行业协会专家委员会。
摘 要：液压未来的发展方向来自社会需求，即碳中和、无人化、多电化、数字孪生和水液压。从液压技术的主导优势和弱点,以三个维度来分析与判断液压元件发展的内在动力和方向。液压技术必定按“三能一水”（“节能、智能、制能、水液压”）的方向发展。基于这些需求，液压技术在工业4.0下首先要实现液压元件“芯片化”，以支持智能技术、多电化技术和数字孪生技术，去完美实现碳中和目标、无人化境界和全生命周期管理。该文强调液压必须与电气电子技术融合，以化解液压行业是否是”夕阳产业”的问题。数智液压就是工业4.0下的必然发展途径，根据数智液压的分类，列举了世界与中国在这方面的发展现状和存在问题。在国内外开拓数智液压不易的情况下，我国应以“低端液压元件用高端数智技术提升”占领市场的策略，来尽快提升中国数智液压，抢得先机。并且汇报了现有实践和进一步发展的建议，以期我国早日站在世界液压强国之林。 
关键词：液压工业4.0；数智液压；液压技术发展方向
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引言

液压技术的概念性范围由图1所示。即它由能源领域、自动化领域、传动领域和微流控领域的四大应用领域组成。其中自动化领域是目前行业最为关注，因为市场占比最大。其他各领域应一步关注，这些领域的液压技术与数字化网络化智能化的关联也由图1表达出来。

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

图1 液压技术由能源领域、自动化领域、传动领域与微流控领域的四大应用领域组成
 
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液压技术未来十年的发展方向

液压技术发展的未来简要概括为“三能一水”，即“制能、节能、智能与水液压”。本文重点论述工业4.0下的数智液压的发展，并用三个维度概括了液压未来10年的发展主要方向和路径，对每个维度的方向、推动力、手段措施、性能提高和效益都作了描述，也都与社会需求、与应用领域相结合（表1）。

表1 液压行业（流体传动与控制）未来10年的发展方向

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

（1）从“流体传动与控制”学科的维度去分析液压技术，可以从流体介质、传动领域、控制领域与元件产品领域四个方面来加以区分。
（2）从社会需求与市场推动力维度去预测液压技术。液压发展的根本推动力在于：碳中和、无人化、多电化、数字孪生与绿色生态这五个方面。
（3）从应用需求维度去体现液压技术发展，与工业4.0时代的技术发展相结合，使这种发展方向具体化。
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液压必须保持三大传动与控制中无可替代的优势

与“电气传动与控制”以及“机械传动与控制”相比，液压技术有三大优势：功重比高、动态响应高、介质柔性。功重比高是液压最大特点，加上直线型执行机构，构成液压的主要强势（图2、表2）。动态响应高是功重比高优点派生的，在运动型液压控制系统特别在大功率下的优势，液压动态响应可在数～数十ms，高于其他传动至少一个数量级。介质柔性是应机器人应用的崛起成为其他技术莫属的特点。这些优势有时使某些电气化回归液压化。

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

图2 液压线性执行元件与其他技术的比较
 
表2 液压与电机功重比的比较

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

液压的三个弱点是被取代的动因：一是效率低，随着电传动功重比的提升与效率高，成为液压行业今后必须面对的最大挑战。二是介质非绿色，介质的污染会影响人类生存的环境。第三个弱点是而管路线路长，不方便不安全易产生故障成为被电气取代的动因，例如飞机多电化就是明显的例子。特别近一二年来，由于特斯拉永磁同步电机的普及与国内电动工程机械的发展十分速猛，这种挑战已经表现在市场应用上并引起行业普遍的焦虑感。
液压面对这个挑战的对策是：一是将液压泵与电机“融合”合二为一，即将液压转动部分与电机转子合二为一，充分吸收永磁电机发展的优势；二是将电机与液压泵“组合”成多电化的电机泵，配以互联网通信，配以总线型液压分布式数字动力执行器(EHA)；第三点是提高液压泵的工作压力到56MPa与转速超过10000r/min以上，这个指标的设定是以技术的可能性与经济性二个方面均能接受为准；四是液压加强大功率以至超大功率的领域的优势；五是 在设计、材料及其表面处理、工艺加工（3D打印）等方面作出轻量化的努力，液压微型化是有效途径之一，中国发明的球形泵就是明证。
“液压是夕阳还是朝阳产业”没有定论，只有通过创新发挥技术的根本优势，液压与电气化融合就是一个可及的出路。其二，液压介质柔性在运动型领域是优势，波士顿DOG从电传动回到液压传动；其三，液压功重比优势使舵机多年的电气化后又在回到液压化；其四，我国液压球形泵的发展领域在元宇宙、机械手指、碳中和急需的冷却压缩机都可以派生出新的产业。对中国而言，高端液压是一个“新兴产业”，因为“卡脖子”问题使我们认识到我们国家的重大工程与装备需要液压技术的支撑，从航天、深海、矿山、工程装备、塑机。液压应用的开拓还有很大空间。在图1所中展示的范围，有一些是我们目前有一些缺乏关注的领域，还有发展的空间。
我们的结论是：液压行业不是夕阳产业，其高端是朝阳产业！液压有发展空间，有发展的市场。但是电气挑战已经构成威胁，这个威胁正在发展为冲击，因此液压行业必须加强创新，才能在困境中发展新的机遇！
从目前看，液压技术在面对电液融合、智液融合的极大的机遇面前又踌躇不前。之所以如此，是因为社会需求与发展尽管明确，但宏观趋势是个缓慢的过程，往往未能触发为微观经济效益的现实。很像是“温水煮青蛙”即身陷其中而难清醒的事态。但是看清了趋势，会更主动去促进应用的发展。在不仅反映了提高功重比的技术措施难度大，市场接受度也有诸多困难。这也说明需要在这方面有所突破。
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数智液压就是液压元件“芯片化”

 
3.1 液压未来方向在于碳中和、无人化、多电化与数字孪生社会需求
任何技术的发展取决市场的需求，而市场需求是由社会的总需求所导向。因此液压需求的源头就是社会的战略性需求碳中和、无人化、多电化、数字孪生！
碳中和是人类生存的基石，免受生态环境不可逆破坏，作为效率最低的液压传动技术是痛点。液压控制技术的本质就是消耗能量的阻尼体系，为了降低阻尼在控制中的影响，采取了变量泵、静液压、二次调速等一系列节能技术。而今后解决的思路应该是就是减少液压本身都控制的参与度，采用微处理器的感知与运算功能，能够实时性使需要的能量与提供的能量一致，从而到效率可能的最高点。
无人化是当前社会生产力发展的热点，无人驾驶或无人管理工厂的智能社会正在来到。无人化主机的要求并不仅仅是系统具备智能性，还必须要求元件级也具有智能性，才能够达到物联网“万物互联”并实施对液压元件实施全生命周期管理的程度。这使我们必须在元件级实现智能化。
液压多电化的趋势比预期来的要快，无论是混合动力还是纯电驱动都已经可以进入工程实施。多电化无疑会有利于无人化与碳中和的需求。其中增加的电源管理环节，会有利能源存储与管理，增加液压系统效率，对于碳中和起积极的影响。而这一些也离不开元件的智能性。
数字孪生是指互联网的数字-数据的闭环系统。以计算机虚拟世界经过数字仿真，去建立物理实体；而物理实体运行产生的数据可以反馈到原始的数字端，产生映射与修正。数字孪生正成为互联网应用的核心价值，是对任何元件可以进行全生命周期管理的技术。而这一技术将会是对液压元件的健康管理技术的突破。值得一提是元宇宙还在发展之中，可能对维修、培训、教育、现场故障处理等发展成为一个新产业。
根据上述从人类社会的生存与发展的需求，使液压技术发展方向都指向一个需求，即计算机的智能性：碳中和需用液压元件或系统智能性感受能量需求， 以最低损耗提供运算按需付出，达到要求的最高效率；无人化或多电化用液压元件或系统智能性满足在场景中所需要的控制与健康管理需求，达到无人化中内部控制与健康管理的作用；液压数字孪生就是计算机虚拟世界的产物，与通信技术结合一起达到液压产品全生命周期管理的目的。这一切都说明液压元件需要与计算机即微处理器融合，形成芯片嵌入的液压元件即“芯片液压”产品，也就是数智液压。
3.2 数字液压是数智液压的先驱
“数字液压”是在工业3.0电液一体化时代的产物，关注点在于新型的液压数字元件，突出点它是“非模拟控制”的电液转换元件及其液压元件，如步进/伺服电机、高速开关阀、阀岛等等。它的品种与体系如图3所示。

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

图3 数字液压产品的种类与体系
在数字液压发展阶段已采用微处理器，但不是重点。这时关注点在数字液压元件本身的性能方面，例如元件输入的信号的PWM数字性、输出是否离散性、本身是否模拟控制等。随着工业4.0明确的提出，无人化等社会需求使智能化成为我们技术发展的必然选择，网络连接与软件功能是其中一个组成部分，数字液压元件才发展到数智液压元件。这个发展过程是传统液压（模拟式控制液压）—数字液压（非模拟式控制液压）—数智液压（嵌入式芯片液压元件），如图4所示。

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

图4 液压元件发展阶段
3.3 液压智能元件雏形
DanfossCMA比例多路阀产品是具有开创性具有初步智能性的液压元件（图5），其样本自称有三大革命图3数字液压产品的种类与体系图4液压元件发展阶段性发展：负载口独立、达当前元件最高压力44 MPa、先导阀芯对中。以作者之见，其三大革命性在于：具有负载敏感回路的智能化处理，由软件来完成负载敏感饱和处理，这是独创性的；二是引入了前所未见的嵌入式溅射式压力传感器；三是大胆采用了被液压忘却了的直线电机（音圈马达）。但是这个产品并没有解决智能性中的健康管理。负载口独立只要采用数字液压元件就自然存在，是市场卖点的创新与进步，也的确是过去产品所没有的。

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

图5 液压智能元件雏形（Danfoss CMA比例多路阀）
从图5可见，具有初步数智性的CMA比例阀具备智能液压元件所有的硬件与软件要素，具备液压元件本身的执行功能、嵌入式传感器的认知功能、具有微处理器（MPU）的运算功能、控制驱动放大功能以及内在的编程算法功能。后三个功能板集成一起就成为嵌入式数字式电控系统。
数智液压的优越性体现在：芯片（微处理器）是液压元件的硬件核心，它决定了元件的功能与性能；软件定义元件的功能，是核心；传感器具有感知功能，是信息输入的基础，是软件运算的依据；根据上述液压控制元件的品种与规格会急剧减少，有利于企业制造的自动化智能化；实现元件全生命周期管理；效率管理、健康管理有了可发展的基础；可以实现对云生态的直接利用，包括大数据、区块链、边缘计算等。
3.4 世界数智液压产品良好发展与难点
总体而言， 数智液压产品处于创新摸索与市场推广阶段，也已有初步成效。根据上述先将它们归结在表3之中。
表3 当前知名液压公司与我国在数智液压方面的比较

液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

表3所表达的具有代表性的数智液压元件带给我们以下一些启示：
（1）液压技术进入数智技术发展时代。不断打破对液压泵、液压比例阀甚至最顶端伺服阀液压元件传统概念。
（2）创新点都最大程度的减少液压阻尼在功率端的作用，而体现液压的执行功能。
（3）所有的创新的元件从硬件看全部集中在电液转换装置，不论是在功率级还是先导级。
（4）创新元件全部采用微处理器控制（芯片），智能性还没有发挥，需要基础性与工程性的继续研发。
（5）数智液压创新的目标有所侧重，包括碳中和、运动的控制性能的提高、数智元件定制化与有利于成本。
（6）各企业数智液压的特点不同：Rexroth利用自身伺服电机特色发展互联液压，在功率级数智液压方面突出，直接有利碳中和；Danfoss的液压数智技术明显是采用先导级数字元件，例如高速开关阀技术有特点，充分利用数字电机的优势；其他包括中国在内的原创性数智液压元件采用步进电机为先导，步进电机有成本与制作方面是优势，相对难度系数低。
（7）数控液压模拟元件如原Eaton AxisPro，也是一条发展数智液压元件的途径。
目前数智液压产品在推广应用上存在诸多难点：
（1）液压主机的数智无人化还在解决外部道路辨识等外部性能上，对内部液压的要求还没能深入与明确。因此上下游处于相互促进相互等待的阶段。
（2）数智液压产品已经进入市场，一则缺乏整个系统的配合，二则缺乏上下游生态环境。是分娩过程中的阵痛。达不到上游需要的批量，也不能让用户的体验一下子完美。
（3）用户端人才的限制。液压对电控都没有完全掌握，对编程更是生疏无知，教育培训是一个软实力。
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中国液压“干而成道”的强国之路

Rexroth、Danfoss、Parker、Moog、Kawasaki在国人心目中有很强的品牌效应，会转化为开拓市场的优势。我们在上世纪八十年代，用“市场换技术”的技术引进，达到了今天中低端液压为主的“世界第一”；2009年“中国装备制造业调整与振兴计划”政策体现了对基础件的更大重视。以恒立为标志使中国液压行业集中度到20%多，还有艾迪精密、川润股份、邵阳液压、威博液压、潍柴林德、泰丰液压等均已上市或准备上市，发展势头强劲。但液压行业的集中度仍低于30%，“小、散、差”还未变到根本改观的地步，与国外跨国企业对比差距仍然明显。我国的液压工业基本面目前还在工业2.0阶段的基础，还要加大夯实包括质量、批量、品牌的基本问题。我们知道在工业4.0的数智液压时代，它是中国液压行业发展成液压强国的难得机遇。但是用什么路线？
4.1 实现液压强国走“高端数智技术提升低端液压元件”途径
实现液压强国走“高端数智技术提升低端液压元件”途径，就是用低端包围高端像过去农村包围城市的策略一样，最符合中国的国情，先大众化后，然后进入代价高的高端领域。
改革开放40年，中国液压行业也有自身创新的积累。浙江工业大学阮健教授领衔的“二维（2D）电液流量伺服阀关键技术及应用”成果，荣获2020年度中国机械工业技术发明一等奖就是明证！此外，各类创新众多，其中有：辽宁理工大学与辽宁海裕流体传控系统有限公司合作的液压步进转阀，武汉汉诺电控有限公司的液压数控旋芯多路阀，深圳中亚动力的液压微型球形泵（可用于具有颠覆性的机械人手指场景），成都阀智宝的高速开关比例多路阀，燕山大学的双端面进油柱塞泵，亿美博的步进数字缸与派生液压元件，上海交大的双伺服控制数字缸，上海尚晞的用于旋压机的液压伺服数字缸，杭州励贝的数控模拟比例阀，贵阳曼格维流体智能科技的数控高速开关连续比例控制阀，吉林大学与广东富华重工合作的用于工程机械的阵列数字泵（泵岛），等等。这些与数字/数智液压有关的液压元件的一个明显的特点是大多数技术方案相对简单易行，也有的具备了4.0智能雏形。
基于以上国情对于数智液压发展建议如下：
（1）大力发展与支持具有我国特色的数智液压元件市场化，特别是经受过市场考验的液压2D阀以及其他数智液压元件，特别是正在发展的智能搬运小车AGV所需要的EHA产品等。
（2）低端液压元件（普通换向阀等）数智化可以使普通液压系统用液压元件品种减少（可以多点控制）、功能增加、进而简化液压系统，使液压系统的成本降低、可靠性增加，可以立即与总线控制联系，简化PLC控制，简化电控连线，还实现总线控制，使中国的液压用户立即享受到数字/数智液压带来的实际效益，从而产生行业应用数字化、网络化与智能化的普及效果。通过低端产品应用上高端技术从这个角度占领液压的市场，避开与跨国公司不对称的较量，去达到普及的影响，以至后来居上。
（3）对于低端元件引入高端技术并推广的条件之一是成本必须足够低，用户才有意愿采用，才能获得明显的体会而产生迅速推广的效果。乐途液压步进芯片阀的实践已经给予我们启示。我们目前正在进行的CY泵变量的数智化就是在向这方面努力。
（4）低端元件高端化可以帮助中国的液压市场尽快数智化，培养数智液压的人才优势，给投资方可见数智液压的发展前景增加融资渠道，而不是只有争取政府项目资金这一条独木桥。
4.2 需要坐而论道更要干而行道
液压企业在自身发展基础上，可以借助国家政策性资金、上市与项目资金、上下游供应链资源整合、中小企业的纵合横联得到更好资源来发展。充分利用液压院校实力强成果不少而加强产学研合作，将技术固化到产品上，得到更块发展。为此建议建立液压行业发展研讨机制与对接机制，引导投资方向，有利推动液压工业的自我更新。
上海液压气动密封行业协会通过举办了二届”液气数智化企业论坛”，促进液压数智产品开发与产品智能制造的交流。已经形成6个数字液压对接推广小组常年跟踪与帮助，其中包括液压步进数智芯片阀、液压EHA、建筑机器人、智能制造、数字液压测试技术、液压数智元件检测试验标准，由工信部支持的建立液压公共服务平台为己任的广电计量在运作，起到积极的促进作用。并与力学学会、广电计量等组织数智液压专题研讨会，促进数智液压技术与产品的发展。液压工业4.0给予液压技术发展一个开放的途径与机遇，以“液压智能制造生产数智液压元件，以液压数智元件来推动液压智能制造与无人化装备所需要智能装备”的指导思想，使中国液压立于强国之林！
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结束语

本文是笔者在2019年出版专著“液压工业4.0—数字化网络化智能化”后，结合近期在全国有关企业、院校、协会和论坛上所作的报告，按文章主题汇总成文，文中部分要点近期也与德国力士乐CTO Mr.Haack先生作过专题交流。

参考文献

[1] 杨华勇,赵静一.汽车电液技术［M］.北京：机械工业出版社，2012.
[2] 李跃文主编.中国战略性新兴产业研究与发展——高端液气密元件［M］.北京：机械工业出版社,2021.
[3] 许仰曾.液压工业4.0——数字化网络化智能化［M］.北京：机械工业出版社，2019.
[4] 王少萍.液压系统故障诊断与健康管理技术［M］.北京：机械工业出版社，2013.

原文始发于微信公众号（液压气动与密封）：液压工业4.0下液压技术发展方向及其数智液压

本文来自液压气动与密封，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。

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