PTC ASIA 2021 高新技术展区现场技术报告

液压系统群的理论与应用

——据燕山大学专家赵静一报告整理

大家很习惯地认为，液压系统很简单，就是液压泵站加上液压执行器，中间有点控制阀，通过管路、液压附件一联接就完事了。过去常规单台设备的时候是这样的。现在随着工程越来越大、新的工艺要求越来越多，新的液压设备也是层出不穷，特别是现在很多重大工程上，很多液压设备已经不是单单1到2个执行器、几个液压基本回路，而是有很多不同功能的液压系统在同时工作。在很多大型的工程机械装备上，可以看到用的都是液压系统，非常的多。

最早的时候，钱学森先生曾经提出过液压巨系统，国内有些老专家针对大的液压机提出巨系统的概念，认为压力比较高，液压泵的台数和执行器也相对多一些。但现在许多大型液压设备上采用的液压元件要比传统的巨系统多得多。比如高速铁路、高速公路、跨海大桥上的一些大型桥梁运载施工装备，如千吨级的运梁车，它的悬挂、驱动、转向和调平都是液压系统，数目高达几十个、上百个，而且常常几台车联合作业，面对同一个大负载，组成了液压系统群。

大型液压系统群最集中的就是我国500米直径球面射电望远镜（FAST）也称中国天眼，天眼下面有2225个独立的液压系统，他们集中起来对天眼的反射面进行调整，让我们的天眼成为一个活的、眼球可以变换角度的世界上最大、灵敏度最高的单体球面射电望远镜，也是目前世界上最大的液压系统群。相对于 300米直径美国Arecibo望远镜，天眼领先30年。今年初的时候，Arecibo塌了，美欧准备要建一个直径1000米大的天文望远镜，但从设计到建造需要10年时间，所以天眼至少还能领先10年。所以有专家提出今后要建一个天眼群，再建5、6天眼，组成一个更大的射电望远镜群，在天文观测领域始终保持领先。

我们团队从做大型工程装备开始，就发现一台液压设备和多个液压设备协同工作的时候，液压系统就不是简单的单系统，或巨系统，而是群体系统了，随之对系统的设计分析、加工制造、安装调试等相关技术也要重新审视和研究。

那么在这些新的群系统里，好多液压系统虽然可以独立工作，但多数时候面对同一个大系统负载，这样的话，这些群组的不同工作使同一个大负载呈现出不同的运动姿态。比如一些高大建筑的顶升工作，就是用好多液压系统一块儿工作，实现同步顶升，这个大家都熟悉，现在顶升又有了新的应用。大建筑的拆除，特别是楼群非常密集的时候，我们常用的办法是爆破，爆破控制不好的话倒塌会偏，而且爆破灰尘度大。现在呢，采用顶升的方法，一层一层地拆，让它慢慢往下降，这样对周围没有影响，而且没有灰尘。所以说现在液压群组的应用越来越多了。

解决这些工程问题，就引出了一些新的定义。比如说什么是群系统？由三个及以上相同或相似子系统构成、面向共同载荷的复杂系统叫做群系统。如果群系统的子系统的个数是一个有限整数，则叫做有限群系统，否则叫做无限群系统。

群系统的研究主要面临以下问题：

◆此类复杂系统的设计与应用中，大多数处于研制、开发阶段，可借鉴的经验极少，在试验和投产初期故障较多；

◆系统运行中有较详实的现场记录，但对于数据的处理和如何挖掘有价值的信息和数据需要做深入研究；

◆复杂系统的状态具有不确定性，运行环境复杂且通常是变化的，环境变化的干扰效果具有不确定性。

工程应用案例分析

★精密装备快速运输

我们也做了一些群系统的工程应用（见图1）。大型工程运输车辆分几类，我们见到的大车辆有的是挂车形式的，前面有个拖车，后面有挂车。后面挂车的转向、承重轮有些是带动力的，有些是不带动力的。

图1 精密装备快速运输

图1右上这张图是给C919大飞机做的快速运输车，从西安到上海，要求时速达到90km，一般像大型路载车很少有要求这么高时速的，而且路上的颠簸、减震、刹车缓冲都必须和机身有联系要确保中机身的安全。它这里面就要有缓冲系统、减震系统，包括车身的展开升降系统，图1中间是运20的机身运输车。

图1最下面这个是模块，一个模块相当于200吨，5个模块拼成1000吨，那么一台1000吨的模块里面的轴线是30个，一个轴线上8个轱辘，30个轴线应该是有60个液压模块，这个时候，比如说悬挂，在不同的模块中，它就体现出不同的曲线， 2台车又翻了一倍，对液压群系统来说，他们都是在独立工作，但是上面面对着同一个大负载。

特种车的转向模式与普通车辆是不同的，咱们开的私家车是半八字转向，就是前轮一转向，后轮跟着走，有的时候转急了，后轮就在地面上摩擦运动了。而这些大型运输车辆的转向模式非常多，可以有八字、半八字、甩头摆尾、围绕中心回转，在很小的地方它也可以斜行。

还有一种液压群系统控制的，像风电叶片运输（见图2上），叶片非常长，车在运输的时候要伸长，后面都可以转向，到地方以后，风机叶片卸下来，运输车就缩回来，伸缩式的，这里面的每个液压系统都有独立的控制块。既不能整个大液压站放在车上集中控制，又要用尽可能少的油箱完成功能，这是群系统需要解决的难题。

图2 特种装备运输

图2中间是二台平板车，驮着一个超长的天然气管材，从这个生产车间到码头，上船。它也是两个车之间要纵向分布，也要有液压系统群。

图2下面是给核电做的模块翻转运输车，除了运输，它还可以把模块立起来。其实现在的特种装备运输车也可以说是特种机器，它可以完成过去好多吊车、铲车的工作。

图3是井下巷道分体式连采机快速运输车，解决井下巷道等超低空间内大型设备的快速无轨运输。之前我们国家井下煤炭作业对国外进口设备的依赖性很强，后来就研发了很多井下大功率运输车，右下角这个车，包括车身的升降、包括转向，包括前后车整个系统群结合在一起。

图3 巷道分体式连采机快速运输车

现在矿山车可以单车，也可以联在一起，刚才咱们说的几台车的拼车都是一个人控制。像这个矿山车，就是只有前面一个司机，后面的车跟着就可以（见图4）。

图4 矿山车

我们正在做的一个项目，是海上游艇舰船入水和出水用的两栖车（见图5），这个两栖车可以下到水里，也可以在陆地上行走。因为有些船下去容易，从水里拖出来难，海边渔民的船用铲车呀、拖拉机往岸上拽，拽上来一拖就坏了。这个两栖车先下到水里，然后车身抬起来，把船运上岸。这个车里也是有二三十个独立的小系统，而且要求比较严，要求所有的液压系统防水、防爆。

图5 （游艇）舰船转运车

★旧桥不断交快速置换

图6是北京西关环岛和三元桥不断交快速施工，这个工作做的比较早。北京的所有换桥施工都要经过国家安全部批准，专家说不能再像以前，桥拆了，一年半载通不了车，这样不行。所以当时应用这个两台我们研发的1000吨液压平板车联合作业，一台车是36个轴线，2台车72个轴线，144个悬挂，两台车用一个司机，把旧桥卸下来，然后新桥安上，一共几十个小时就完成了。这里面多车同步顶升、两车同步驱动都是针对系统群的。

图6 北京西关环岛和三元桥不断交快速施工

★同步顶升安装作业技术

桥梁同步顶升后来延伸到铁塔的顶升（见图7），这是新疆的一个项目方案，丝路明珠塔300多米高，传统的建高塔是从顶上往下建， 100米以下、或者200米以下吊车还可以。它这个是先建塔尖，一点一点往上顶，最危险的时候是中间小蛮腰这个地方，当时是16个同步顶升缸，这个就是系统群的集中控制。

图7 同步顶升安装作业技术

还有就是海上钻井平台的落位安装，船拉过来的时候有海浪，这个时候要消除海浪的影响，到位以后，平台随着海浪上浮，为了精确落位，运输驳船的平台要随着海浪降下来了，液压缸要升上去，海浪升上来了，液压缸要往下降，保持平台与基础的绝对位置不变，实现精准落位，16个液压缸一定要相互配合，同时操作1万吨的大平台，液压群系统要进行非常精密的控制。

★科威特多哈海湾大桥架设和高铁道路桥梁施工架设

科威特多哈海湾要建2个海湾大桥，多哈海湾1桥和多哈海湾2桥，当时国内2家企业参加招标，其他还有英国、韩国等企业，最后国内2家各负责一个桥。这个工程需要把1700-1800吨的梁运过来安装落位（见图8左），作为运梁车不是单体重量越大越好，运梁车不能对桥梁有危害，所以采用了分体式的四车组合，相当于四个人抬轿子，轿子就是预制箱梁。在梁厂，用两台提梁机把梁放到车上，运过来以后，放到架梁机上，架梁机是双自由度，既能够上下运动，还要左右运动，7台设备联动，而且每台设备上来以后还要调整。这种装备面临一个什么问题呢？就是一个大负载的突变，本来这个车是空载的， 突然加上一个几百吨重的负载；干活的时候，这边负载突然释放，那边又加上负载了，这时候群系统里面负载怎么平衡还是挺挠头的（见图8右）。

图8 科威特多哈海湾大桥架设

★FAST液压促动器群系统寿命预测

独立液压系统最多的是天眼，每一个都相当于是独立控制的液压系统单元，（见图9）。这种液压动力单元也称是电液促动器，液压行业也叫电液作动器。现场我们利用一个有源液压测试仪对促动器进行测试，今后可能还要继续调整，因为不同时间提出的要求不一样。今后的发展趋势不是一个大系统，有一个大的液压油库、好几十台泵，管线伸老远这种。今后可能都变成这种集成式单元。

图9 FAST液压促动器群系统寿命预测

那么对于这个世界上最大的液压系统群的可靠性增长，它的压力、温度、速度、位移都要可靠，这样我们和国家天文台做了很多项目，包括寿命预测，很多都做了。保障了FAST射电望远镜的安全运行与可靠观测。 

★盾构机刀群性能和寿命预测

盾构机里的刀群，包括盾构机里的推程油缸都是群系统。

★公路铺设多机群协调控制

现在修路越来越先进了。公路铺设设备一般由二台路面加热机、一台加热翻松机、一台加热复拌机组成。把原来的沥青路面刨起来以后，送到后面直接加热复拌，加热以后放到前面摊铺机上。可一次成型新路面，旧路沥青混合料100%就地再生利用，节约资源、减少环境污染、作业时不封闭交通、经济效益显著。这里面包括摊铺、驱动行走，很多都是液压的，他们之间要有协调控制（见图10）。

图10 公路铺设多机群协调控制

★农业机械机电液-环境系统群协调控制

除了一台拖拉机在耕地耙地之外，同时还有几台车在一起作业，它们不能走偏了，必须得是横平竖直。液压系统包括提升机构、行走机构等，这就牵涉到液压系统群的精确位置控制、精确转向控制、巡航速度控制、精确轨迹控制（见图11）。

图11 农业机械机电液-环境系统群协调控制

★冶金轧制生产线

在钢厂里面呢，液压系统群应用的比较多，而且现在钢铁企业提出来要智能化、节能化、信息化，原来的大液压站，好多管线送过去，好多平时不动的液压缸在那摆着，液压油始终在泵站里转着，浪费非常大，现在我们提出来用智能化的方向来解决这些问题。

应该说液压系统群的工程应用非常多，其中很多还需要进一步完善，希望大家以后能对液压系统群做进一步的探索。

文章来源于液压气动与密封

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