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  电液伺服技术的发展
金相实验室 李跃光






1.电液伺服系统的特点
    电液伺服系统有许多优点,其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确性高,因而在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。人类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史,但液压控制技术的快速发展却还是近几十年的事,随着电液伺服阀的诞生,使液压伺服技术进入了电液伺服时代,其应用领域也得到广泛的扩展。
    随着现代科学技术特别是材料科学的发展,人们更加重视动态试验。而电液伺服技术是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以及静态的恒变形速率、恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。国内电液伺服试验机的起步国外试验机同行在电液伺服技术的应用和研制起步较早,自二十世纪50年代中期以来就先后生产了各种使用电液伺服系统的试验机,如美国MTS(注:MTS最先通过与MOOG公司的合作将电液伺服阀应用于材料测试系统,树立了在动态测试领域的领导地位)、瑞士Amsler、德国Sehench和**岛津等公司都先后研制成功各种电液伺服试验机。当时我国在这个应用领域还是空白,使用的电液伺服试验机都是从这些国家进口的。
    我国试验机厂家是在上世纪70年代初才开始研制电液伺服试验机,长春试验机研究所、长春试验机厂、红山试验机厂和济南试验机厂等开始进行研制。在国家财力的支持下,先后都成功地开发出电液伺服动静试验机,并开始在国内应用。正是通过当时这段时间的成功实践,培养锻炼出一批技术人员,创建了我国今后电液伺服技术发展的平台,奠定了国内在该技术领域的基础。(注:十几年前活跃在试验机舞台上的四大名角,现在都沦落到被迫跑龙套的地位,以前的辉煌成了过眼云烟,面对日趋活跃的市场需求,只能干流口水)

2.液伺服试验机的发展阶段
    国内电液伺服试验机的发展按照产品发展时期的特点大致划分成两个阶段:即自主发展阶段和与国外合作发展阶段。
    自主发展阶段:
    二十世纪70年代末期到二十世纪90年代初期,国内的电液伺服试验机都是以自主开发为主。主要是集中在国内几个有实力的试验机厂家,如长春试验机研究所、长春试验机厂、红山试验机厂和济南试验机厂等。
     这个时期的主要代表性的产品有:
    1983年长春试验机研究所研制的2000kN电液伺服岩石压力试验机,该设备采用高压容器作为围压,模拟试样的真实受力情况。是三轴动静试验机的代表性产品,并首次把计算机引入电液伺服试验机的控制。
    1984年长春试验机研究所研制的3000kN电液伺服双缸卧式拉力试验机。该项目中首次应用静压支撑技术,成功地在两个卧式伺服油缸上实现静压支撑。另外,还首次应用了伺服同步技术,实现双缸系统的同步跟踪和精确定位。双缸的同步精度达到了0.03mm。该产品标志着国内静压支撑技术和双缸系统的同步技术已经成熟。
    1987年长春试验机研究所研制的1MN电液伺服大型结构试验机,这是当时研制的国内最大吨位的电液伺服试验机。
    1986年长春试验机研究所研制出小型随机电液振动台。
    1985年长春试验机厂研制的200kN电液伺服动静试验机,在国内首次采用高压无齿夹头和横梁预应力锁紧技术。是标准动静试验机的典型代表产品。
    红山试验机厂同期已经研制出国内第一台拉扭电液伺服动静试验机,首次集拉压与扭转试验于一体。该产品标志着国内拉扭传感器技术、扭转摆动缸技术及拉扭合成试验技术已开始应用。
    这个时期研制生产的电液伺服试验机的技术特点是:
    a.在测控系统,随着数字电路技术和计算机技术的发展,开始从模拟控制向模数混合式控制方向发展,并开始将计算机技术应用到控制系统中。
    b.应用了伺服同步技术,实现双缸系统的同步跟踪和精确定位。
    c.研制出低阻尼、高响应、长寿命的静压支撑动态伺服油缸。
    d.利用增压技术,实现高压无齿夹头和横梁预应力锁紧。
    以上这些产品的技术特点在当时的电液伺服技术发展中,都是比较先进的。与国外合作发展阶段:
    进入二十世纪90年代,随着我国改革开放的步伐加快,国内试验机厂家与国外同行之间的联系更加密切,双方为了各自的利益开始寻求合作的途径。在此期间长春试验机所首先在1989年与美国MTS公司正式签署技术合作协议,1993年开始进入实质性的实施阶段。另外,长春试验机厂开始与英国达泰克公司进行技术合作,济南试验机厂和**的岛津合作,红山试验机厂也在同期与英国的Instron公司进行联系洽谈(注:除了遭到惨重失败的岛津系列产品外,国内一直未见其他合作开发的产品)。总之,这段时期是我国主要几家试验机厂寻求与国外合作的时期。这个时期的电液伺服试验机的产品品种也是最繁杂;有国内自主产权的产品,有引进技术合作生产的产品,还有国外技术国内生产产品。各试验机厂家产品代表各自的合作厂家的特点,在国内试验机市场展开了一场较量。
    国内试验机行业进入与国际合作发展时期后,在面对国外先进技术的同时,并没忘记自身技术的提高。在这方面国内的很多优秀企业始终是坚持两条腿走路。一方面是大胆的引进国外的先进技术,走技术合作的道路。另一方面是借鉴先进的技术,不断的提高和完善自主知识产权的产品,用国外的先进技术带动自身的产品一起提高。
    随着电液伺服技术的成熟,国内试验机厂家利用电液伺服技术开始从单纯的材料试验向更广泛的多应用试验领域方向发展。如长春试验机研究所面向新材料研究领域开发的国内首台“电液伺服双轴四缸试验机”和“电液伺服显微观察试验机”解决了国内材料研究领域的特殊需求,填补了国内空白;面向汽车零部件试验领域开发的 “电液伺服减振器性能和疲劳试验台”、“电液伺服方向盘性能及疲劳试验台”、“电液伺服扭转疲劳试验机” 和“X--Y电液伺服双轴向振动台”等 。(注:多轴试验平台的开发是试验机领域的真正尖端) 在这个时期研制生产的电液伺服试验机的特点:
    国内电液伺服试验机的品种繁多,不仅丰富了国内电液伺服试验机的市场,同时也提高了自主产品技术的水平。
    电液伺服技术在试验应用领域得到扩展。
    在发展较快的国外测控系统方面,以美国MTS公司的控制器为例,模数混合式控制器MTS458和MTS407将逐渐被全数字化控制器TeststarII、SE和多通道GT所取代。
    国产测控系统方面,随着单片机技术和计算机技术的发展,开始向总线化、模板化技术发展,并逐步提高计算机在系统中的控制比重。(注:与TESTSTARII相比,国内的控制技术简直就是小学生的水平) 在伺服协调控制技术方面有所突破,利用该技术成功的开发出国内第一台“电液伺服双轴四缸试验机”,其中心定位精度小于0.03mm。
    主机伺服油缸在静压支撑的基础上,又开发出动压支撑油缸。
3.与国外试验机同行的技术对比
    三十年来国内电液伺服试验机的发展取得了长足的进步,但与国外试验机同行相比,特别是与美国MTS公司及英国的Instron等这样的大牌公司相比较差距还是很大的,特别是在高技术试验应用领域方面还无法与国外同行相抗衡。不论是在技术手段和产品品种方面都存在很大的差距。

    下面从几个主要方面进行比对说明:
    我们以MTS公司产品与国内的长春试验机研究所产品作一个对比。二十世纪90年代中期MTS公司就推出了TeststarII全数字控制器,并且陆续将SE和多通道GT等数字控制器推向市场。这些控制系统功能齐全、资源配置灵活、组合方便、适应面广,性能指标都非常高。

与国内动态伺服控制器的对比如下表所示:  
























功能及指标

美国 MTS公司TeststarII控制器

长春试验机研究所PLS 控制器

控制器类型

数字式

模拟和数字混合式

频率范围

0.001~1000Hz

0.001~100Hz

测量通道

扩展方便、通用性强。 具有自动调零、

自动标定和多点线性修正功能。

自动调零、自动标定

控制参数

PID设置 具有一般和高级PID参数自整定功能

手动调节,辅助控制功能、相位补偿、幅度补偿、频率反向补偿、 任意波形补偿、前馈控制

幅度补偿

    从上面列出的指标中看到,MTS公司的电液伺服试验机最高频率目前可以达到1000Hz,比国内电液伺服试验的频率高一个数量级。频率的提高涉及一系列的技术提升环节,不仅仅体现在控制系统的响应速度上,相应的主机作动器、伺服阀和液压源等各组成环节的响应速度都影响着整机的频率提高。所以说这是一个综合性能指标标志。
    数字控制器具有灵活的多参量控制补偿功能,特别是对系统的非线性修正、改善控制特性和控制状态转换方面模拟控制系统是不能比拟的。而国内的全数字式控制器目前还在研制中,距离产业化应用还有一定的距离。(注:巨大的资金和人才投入一直是这个行业持续发展的拦路虎,要知道即使将全国试验机行业的总利润加起来,还抵不上房地产开发商们在上海盖几幢大楼所赚取的利润来得更快,更省心。现阶段,试验机行业的微薄利润吸引不了唯利视图的银行和风险投资家的眼球,加上试验机行业始终在整个工业体系中处境卑微,就更无法吸引那些崇尚体现个人能力和生存价值的高科技精英们)。 软件方面  国外试验软件一般都是由专业软件技术人员设计的,其结构合理、层次比较分明、组合非常方便。界面的构造完全可以根据用户的个性化需求进行组合。如MTS公司的动态试验软件就是由微软公司技术人员设计的(注:不知道国内将华为或联想的软件开发人员挖过来需要开个什么样的价码?)非常完备成熟。针对各种典型的试验程序,已经形成各种功能软件包。这些软件包已成为一种产业,其价值非常可观。
    国内试验控制软件由于各厂家人员技术水平的差距还不够完善。在国内试验机行业中还形成不了主流,在加上国内大环境的因素,只能是随机器免费配置,本身的价值没有得到体现。
    1) 液压源方面
    目前国外的液压件正向集成化方向发展,进口的许多设备中,都将溢流阀、单向阀、节流阀等液压件集成在一起,不仅体积小、噪音低,同时也防止液压油泄露。
    国内液压件的结构变化不大(注:某些厂家把上世纪七八十年代的试验机图纸一直用到现在,难道他们家里一直在看黑白电视机?)基本上还是以橡胶密封为主,由于橡胶的老化问题,使得国内液压件泄漏的问题时有发生。这需要一个系统的完善过程。
    目前国内液压源在功能设计方面与美国MTS公司相差不大(注:个人认为这句话欠妥?应用于动态试验机的液压源无论在设计上还是功能上都相差巨大)但在噪音指标和工艺性方面差距很大。
    伺服油缸方面  伺服油缸是液压执行元件,在动态电液伺服系统中是非常关键的元件。它要求其密封性好、摩擦力小、质量轻、刚度大。
    减小摩擦力方面,MTS公司采用的方式有:静压支撑、动压支撑、特殊涂层技术等。目前国内已经掌握静压支撑、动压支撑技术,在许多设备上已经应用了这些技术。但在特殊涂层技术方面,(注:老外的复合材料涂层技术真不简单,国内厂家如果不采用一系列的关键技术,怎么能生产出真正意义上的动态试验机)国内技术还不过关,还有待进一步的研究和提高。
    在减轻作动器质量方面,国外大都是在选择特殊材料方面下工夫,如荷兰FCS公司采用钛合金材料制做作动器。这种材料质量轻,刚度大,是最理想的材料。国内试验机厂家目前还不具备这种条件。
    2) 伺服阀方面
    伺服阀是伺服系统中的关键元件,是电液转换的关键环节,直接影响到伺服系统的响应速度和稳定性。国外的一些知名的试验机厂家,为了满足高频响、大功率试验机的要求,与专业的伺服阀生产厂家共同开发试验机专用伺服阀。如美国MTS公司与世界上最大的伺服阀生产公司MOOG联合设计生产了许多特殊用途的伺服阀(注:体积相当于三盒香烟的一个伺服阀,其价格与一台国产试验机不相上下,真正的高科技产品所体现出的价值,知道了别眼红!!)如MTS-257伺服阀频率可达500Hz。根据最新资料,目前MTS公司已经开发出频响达到1000Hz的伺服阀。还有大流量的三级伺服阀,流量可达到800升/分钟。正是依*这种关键技术上的突破,使MTS公司在一些特殊应用的电液伺服试验机方面具有绝对地垄断地位。
    国内伺服阀的研究、生产和应用主要集中在航天、航空领域,主要是面向航天、航空领域。没有专门为试验机应用开发的特殊品种。所以国产电液伺服试验机主要应用在常规试验系统中,在某种程度上这也限制了国产电液伺服试验机的发展。
    目前伺服阀的种类非常多,试验机中常用的主要有液压反馈式伺服阀和比例式电液伺服阀。动态电液伺服试验机中常用的主要还是液压反馈式伺服阀。比例式电液伺服阀主要应用在静态和准静态电液伺服试验机中。
    3) 产品的品种方面
    在标准电液伺服材料试验机产品上,MTS公司拥有全系列的标准电液伺服材料试验机产品。目前国内以长春试验机研究所为例,其标准的产品系列品种也比较齐全,虽然技术指标比MTS产品差一些,但基本满足常规试验要求。该系列产品的差距还不是很大。
    在电液伺服结构试验设备和仿真模拟试验设备方面,我们与MTS的差距就大了。该设备的技术关键主要是:
    电液伺服多点协调加荷同步控制技术
    计算机随机信号处理技术
    据不完全统计,在国内汽车和航空领域中的仿真模拟试验设备中,有80%是MTS公司的产品,以航空试验设备见长的荷兰FCS公司只是在近几年才进入中国市场。
    今后国内电液伺服试验机的发展还是要经历一个过程,要在不断吸取国外先进技术的同时发展和提高我国的电液伺服试验技术。
4.国内电液伺服试验机的发展趋势
    近年来随着科学技术特别是材料科学的发展,人们更加重视动态试验,电液伺服试验机的需求也呈上升趋势。仅以长春试验机研究所近年来的销售情况看,从2000年到2003年电液伺服试验机的销售量的增长近两倍。另外,利用电液伺服技术开发的特殊专用设备也开始随着增多,国内外同行都看好了这个快速增长的市场。
    从国内电液伺服试验机生产厂家的发展情况来看 近年来国内试验机行业的格局发生了一些变化。过去的一些老牌试验厂家由于受到体制及机制等各种因素的影响,在当前激烈的市场竞争中优势逐渐尚失(注:不是丧失优势,实际上很多传统国企已经处于崩溃的边缘)而一些发展较快的民营企业却开始发展壮大起来,并开始将业务范围从原来的静态试验领域向动态电液伺服试验机领域扩展。(注:静态试验机和真正的动态试验机存在着巨大的技术壁垒,参见全文) 国外试验同行在我国加入WTO后,也将发展的战略从合作方式向独立经营方式转变。直接进入国内市场参与竞争。
    所以说今后国内电液伺服试验机会出现一个百家争鸣的局面。在国内外众多的厂家关注下,国内的电液伺服试验机水平一定会得到进一步的发展。
    从技术发展的趋势看 n我国的电液伺服发展水平目前还处在一个发展阶段,虽然在常规电液伺服标准材料试验机技术方面,我们有了一定的发展。但在电液伺服高端产品及应用技术方面,我们距离国外发达国家的技术水平还有着很大的差距。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于一体的综合性技术,要发展国内的电液伺服技术必须要从机械、液压、自动控制和计算机等各技术领域同步推进。(注:国内的整体工业技术水平就那档次,*试验机这个小行业来做这么多高新技术的引领者,确实有些勉为其难) 测量控制系统  随着数字控制理论的成熟以及高速DSP技术的发展。全数字化测控系统已经成为今后测量控制系统发展的方向。动态电液伺服全数字测量控制系统;它不仅要求硬件运算速度快、运算精度高,同时还要求在软件和数字控制理论方面要有新的突破。这样才能满足电液伺服控制系统响应快速、控制精确、稳定可*的要求。
    目前,美国MTS公司的TeststarII全数字控制器,运算频率可以达到5000次/秒,控制特性在传统的PID控制基础上,还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等辅助控制特性。因此数字控制器由于其丰富的运算功能,其控制非常灵活,是模拟控制系统已经无法比拟的。
    国内目前技术成熟的全数字动态控制器还没有进入产业化阶段,还需要有一个发展研究的过程。要从基础抓起,多通道、数字化、多自由度协调技术是电液伺服技术在模拟仿真试验技术发展中的关键技术环节。只有掌握了多通道控制技术、多自由度协调偶合及解偶技术,才能使我们的电液伺服技术向更高的台阶上迈进,才能缩小与国外同行之间的差距。实现这一目标需要有一批高素质的技术队伍(注:除了存在暴利的网络和通讯产业外,其他的一般竞争性行业要网罗如此多的高技术人才,谈何容易)要从软件、硬件、数字控制理论和实践等综合技术方面同步推进。
    液压系统  国内液压件的整体水平目前还比较落后,主要采用橡胶密封结构方式,易老化泄漏、体积笨重、集成度低。随着机械精密加工技术的成熟,在国外目前密封大都采用球面和锥面配合密封方式(注:看似简单的配合方式,需要高精度的机床来加工,不知道目前国内厂家能不能生产)结构简单,密封性能可*。今后改善国内液压件结构还需要在工艺性上下功夫,需要一个系统的完善过程。
    另外,作为电液转换的关键元件 “电液伺服阀”,是电液伺服试验机今后技术提升的关键环节。前面说过国内试验机行业目前与电液伺服阀生产企业缺少交流和探讨,只能简单的应用其现成产品。从某种意义上这也限制了国内试验机的发展。今后,我们需要加强与伺服阀生产企业的合作,共同开发适宜试验机应用的伺服阀产品,全面提升国内电液伺服试验机水平(注:如果市场的需求量太少,国内伺服阀的生产企业不会愿意冒风险来进行开发。即使直接从MOOG公司购买成熟的产品,我们还需要制造配套的液压伺服油源,研制高性能的控制器和编写动态测试软件。我们不能幻想着仅仅通过购买一个法拉利的引擎,就可以做出一部F1赛车来) 计算机技术在电液伺服系统中的应用  计算机技术的发展和应用,促进了电液伺服技术的提高。正是利用计算机技术才使电液伺服在动态仿真模拟试验等领域得到广泛的应用。计算机多自由度协调控制、计算机仿真解耦技术等技术的应用和发展,使多通道协调加载系统、道路模拟试验系统的性能得到进一步提高,促进了电液伺服系统的广泛应用。可以说电液伺服技术的发展与计算机技术的发展是密切联系在一起的,相互促进相互提高。总之,电液伺服试验机的大量需求,给我们的电液伺服试验机发展创造了很好的机遇。相信在不久的将来,在国内试验机行业同仁的共同努力下,我国电液伺服试验机的技术水平一定会有突飞猛进的发展。
2006-07-13
 

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