工程機械中液壓系統應用第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四

目錄工程機械中液壓技術發展液壓技術在工程機械上的應用工程機械中液壓系統的四種控制技術液壓仿真軟件的現狀及發展趨第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四工程機械中液壓技術發展

隨著國民經濟的迅速發展，作為主要施工設備的工程機械在國家經濟建設中發揮著越來越重要的作用。由于液壓傳動具有功率密度高，易于實現直線運動、速度剛性大、便于冷卻散熱、動作實現容易等突出優點，因而在工程機械中得到了廣泛的應用。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四初期發展時期20世紀40~50年代，人們摸索著將簡單的液壓元件和液壓系統應用到工程機械上來解決其他方式比較難以實現的問題（如執行器的直線運動等）。液壓系統壓力一般在2~7MPa.高速發展時期

20世紀60年代，液壓系統的主要特點是高速、高壓化（提高到了20MPa），系統壓力的提高使得液壓傳動功率密度大幅度增加，液壓技術的應用逐漸由工程機械工作裝置擴展到轉向系、行走系、傳動系和制動系第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四重視環境時期20世紀70年代初、中期，工程機械液壓技術研究主要圍繞降低液壓系統及整機的工作噪聲.由于泵的工作體積與吸、壓腔的轉換會導致容腔壓力急劇變化，而這個變化傳給泵體就形成噪聲。重視可靠性時期

液壓系統經常受到塵埃、振動、高低溫、風雨雪、臭氧等的侵襲，造成液壓油污染、引發故障（70%~85%）。因此在20世紀70年代后期，降低工程機械液壓系統污染，提高系統可靠性成為這一時期的主要研究課題第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算機技術與液壓技術相結合時期

20世紀90年代，計算機技術得到了長足的發展，現代控制理論在液壓系統的應用促進了液壓技術迅速發展。這一時期研制成功了智能型液壓挖掘機，使挖掘機的作業精度及發動機的功率利用率有了顯著提高。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四液壓技術在工程機械上的應用范圍液壓技術在工程機械工作裝置中的應用

由于液壓傳動的突出優點，目前幾乎所有工程機械的工作裝置都采用了液壓傳動控制。即使以前很少采用液壓技術的塔式起重機，現也開始用低速大扭矩馬達驅動起重機的提升、變幅、回轉等機構。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四液壓技術在工程機械轉向系的應用

許多工程機械（如裝載機等）采用了轉向液壓缸來實現整機轉向控制，全液壓工程機械（如全液壓挖掘機等）則通過對內外側車輪的驅動馬達轉速的控制實現滑移轉向，甚至原地轉向，大大提高了整機的機動性和靈活性。液壓技術在工程機械行走系的應用由于靜液傳動具有滿載工況下起動平穩、功率損耗小、易于實現前進倒退的轉換、可實現無級調速、且單位傳遞功率大等優點，而廣泛應用在工程機械行走系（如全液壓裝載機，全液壓挖掘機的行走系等）。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四液壓技術在工程機械制動系的應用

由于液壓制動器動作響應快、制動平穩、可靠，因而在工程機械制動系得到了普及應用。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四工程機械液壓系統四種控制技術定量泵設計方法在早期的工程機械系統設計中，采用定量泵設計的原則是：系統的最大工作流量(Q)與最大工作壓力(P)的乘積即系統的最大輸出功率(N)不能超出柴油機額定功率(Nj)。但在一般工況下功率利用系數太低，且無法施展較強的控制功能，因而性能不佳。目前在小噸位(5～50t)汽車起重機和隨車起重機等產品中仍在使用。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四單泵恒功率控制技術單泵控制系統中，一般通過變量控制機構實現對變量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技術中，通過對變量機構兩根彈簧彈力的不同設定，能實現對變量泵輸出流量的控制，使其變量曲線上P、Q乘積的離散值趨近于常數C。力士樂公司開發的恒功率控制技術中，通過杠桿原理對變量控制機構進行了改進，使其功率曲線近似為反比例曲線，功率利用系數更高。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四雙泵恒功率控制技術

在雙泵或多泵系統中，使柴油機功率合理地分配到各泵，各執行機構協調工作，發揮其最大效能成為關鍵。目前，這方面的控制技術有不同的組合形式。(1)分功率控制技術(2)總功率控制技術(3)交叉傳感控制技術(4)負反饋交叉傳感功率控制技術第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四計算機控制功率優化控制技術

傳統的恒功率控制中，控制系統與柴油機的匹配非常保守，液壓泵的輸出轉矩要遠低于柴油機最大輸出轉矩，且當柴油機性能下降時易使柴油機轉速下降導致熄火。采用計算機功率優化控制系統，它設有多種工作選擇模式和怠速模式，用戶可按負載大小和實際工作需要進行選擇，通過檢測柴油機的工作轉速的變化可對油門和主泵排量進行按比例無級控制，從而使柴油機始終在目標轉速范圍內工作。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四液壓仿真軟件的現狀及發展趨勢

對液壓元件或系統利用計算機進行仿真的研究和應用已有30多年的歷史，隨著流體力學、現代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關學科的發展，液壓仿真技術也日益成熟，國內外主要有AMESim、Hopsan、ADAMS/Hydraulics、EASY5、Matlab/simulink、SIMUL-ZD、Dshplus、FluidSIM、automationstudio、20-sim、HyPneu等11種液壓仿真軟件。第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四法國IMAGINE公司于1995年推出基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件，即AMESim,該軟件包含IMAGINE技術，為項目設計,系統分析,工程應用提供了強有力的工具,AMESim具有多種仿真運行模式:動態仿真模式，穩態仿真模式，間斷連續仿真模式以及批處理仿真模式.AMESim提供了17種優化算法,用戶能靈活地利用智能求解器挑選最適合模型求解的積分算法.AMESim第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四(1)擁有豐富的模型庫;(2)采用C或FORTRAN編程,元件代碼底層開放,用戶可自行開發或構建符合個人需求的元件;(3)提供了多種軟件接口:如編程語言接(C/Fortran）、控制軟件接口(matlab/simulink和MatrixX)、實時仿真接口(RTLVab、xPC、dSPACE)、多維軟件接口(Adams和Simpack、VirtualLabMotion、3DVirtual)、優化軟件接口(iSIGHT、OPTIMUS)、FEM軟件接口(Flux2D)和數據處理接口(Excel)等,其方法是:讓子系統在專用軟件下搭建，利用接口對子系統的結果進行仿真分析.特點第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四EASY5EASY5是美國波音公司根據航空技術發展需要開發的多專業動態系統仿真分析軟件包,包含了70多種主要的液壓原部件（HB、HC），涵蓋了液壓系統仿真的主要方面.EASY5建立了一批對應真實物理部件的仿真模型，如泵、馬達、閥、管路、分流集流、液壓油等，用戶只要如同組裝真實的液壓系統一樣，把相應的部件圖標從庫里取出，設定參數，連接各個部件，就可以構造用戶自己的液壓系統，而不必關心具體部件背后的繁瑣的數學模型。第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四(1)強大的控制系統仿真分析能力,可以建立完整的線性或非線性控制系統模型,進行穩態分析、線性系統分析、頻域響應、根軌跡分析等(2)多學科的專業應用庫,借助專業應用庫中的預定義模型,向用戶提供獨一無二的系統級模型和研究多學科系統耦合問題的能力(3)卓越的代碼生成和求解器,可由圖形化系統模型自動生成相應的FORTRAN或C源代碼,這些代碼可以通過編譯生成可執行文件,并可被用戶調用(4)便捷的高級建模和二次開發功能,方便用戶創建自己的模型文件,并可調用外部FORTRAN或C子程序(5)與其它CAE軟件良好的集成能力,可以將不同CAE軟件所建立的模型集成到EASY5軟件中建立完成的虛擬樣機,并進行仿真。特點第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四20-sim

20-sim是由荷蘭ControllabProductsB.V.公司與荷蘭Twente大學聯合開發的動態系統建模與仿真軟件,20-sim支持原理圖、方框圖、鍵合圖和方程式建模,支持不同形式動態系統的建模、分層模型表示、向量和矩陣運算.20-sim內嵌仿真編譯器、優化功能、蒙特卡洛仿真、C源代碼生成、圖形動畫、三維動畫和控制器設計編輯器等。第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四（1）圖形建模。通過鼠標的拖拽將子模型組合成大的模型；（2）多層建模。允許無限制的子模型嵌套；（3）支持多種建模形式。支持圖標圖形、方塊圖、鍵合圖和方程組等建模方式;(4)20-sim提供了6種先進的積分算法來保證仿真的精確性和快速性;(5)20-sim支持線性、非線性、連續、離散系統以及各種混合系統；（6）內嵌編譯器使得仿真速度更快（7）動畫功能。仿真結果能通過動畫的形式輸出；（8）20-sim能將自己生成的模型轉化成C代碼輸出便于和別的程序接口（9）20-sim能將自己生成的模型轉化成S-Functions便于和Mtalab接口

特點第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四FluidSIMFluidSIM軟件是由德國Festo公司Didactic教學部門和Paderborn大學聯合開發，專門用于液壓與氣壓傳動的教學軟件，FluidSIM軟件可設計和液壓氣動回路相配套的電氣控制回路,彌補了以前液壓與氣動教學中，只見液壓(氣壓)回路不見電氣回路，從而不明白各種開關和閥動作過程的弊病.主要特點（1）CAD功能和仿真功能緊密聯系在一起(2)系統學習的概念(3)可設計和液壓氣動回路相配套的電氣控制回路第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四HopsanHopsan軟件的建模方法是元傳輸線法，源于特征法和傳輸線建模,這種方法特別適合并行計算，從而提高計算速度和實現分布計算功能,該軟件還擁有圖形建模功能，元件圖采用WMF圖元文件格式.該軟件有圖形元件庫，元件庫元素可以動態添加，用戶可以編輯軟件，設定元件圖形，連接用的油口，以及用于仿真計算的變量等.Hopsan還可以對系統的一些行為進行優化，也可以用來進行離線參數評估，通過計算比較仿真結果和測量結果的差別，并且通過優化使之最小，在一定程度上實現了仿真與實驗的連接.第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四（1）動態的圖形元件庫和圖形建模功能（2）優化方法用于對系統行為的優化和參數的離線評估（3）具有實時仿真和分布式計算功能

（Matlab、Adams）特點第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四DshplusDshplus重點是描述系統的功能單元(模擬重要因素)；回路類推法讓使用者很輕松和方便地設計模擬模型。該軟件適用于液壓系統靜態、動態計算與仿真，具有液壓元件庫，可實現液壓原理圖繪制、自定義參數、系統仿真、動畫演示等功能，在該軟件平臺上，通過搭建圖形化的液壓系統原理圖，可以方便地對液壓系統進行各種計算和分析，如靜態參數計算、動態數據采集、性能曲線繪制、數據存儲與打印等，并可以與物理硬件連接，進行實時控制仿真。（simulink）第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四HyPneuHyPneu軟件是美國Bardyne公司的產品,它是一種先進的虛擬實驗室，可以在HyPneu提供的統一集成環境中，進行靜態、動態、時域、頻域、熱分析等;HyPneu元件庫中提供了450種以上的液壓、氣動、機械、電子元件模型，涵蓋了相關分析涉及到的絕大多數元件類型;它是真正的工程軟件，只需要調整輸入輸出，就能完成所有類型的分析工作，并在完成分析工作后，直接輸出工程原理圖，無需其它軟件介入;HyPneu囊括各種常用計算單位，單位的轉化實現自動化，避免在單位轉換上極易出現的人為錯誤。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期四SIMUL-ZDSIMUL-ZD是浙江大學流體傳動及控制實驗室開發的面向物理模型的液壓系統仿真軟件包，按照用戶寫出的物理模型描述文件，借助模型庫和數據庫支持，自動生成仿真用的數學模型描述文件。SIMUL