現(xiàn)代水壓傳動(dòng)技術(shù)經(jīng)過近20 年的發(fā)展，因水的粘度低、潤滑性差、導(dǎo)電性強(qiáng)、汽化壓力高、易腐蝕等缺點(diǎn)而導(dǎo)致的阻礙水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的一些關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)問題，如腐蝕、氣蝕、泄漏、摩擦磨損、水擊、水質(zhì)污染、絕緣等已經(jīng)得到有效解決，水壓傳動(dòng)技術(shù)由以海水為工作介質(zhì)應(yīng)用于海洋水下作業(yè)機(jī)器人發(fā)展到目前以自來水為工作介質(zhì)應(yīng)用于焊接機(jī)器人、水力加工、食品、鍛壓、垃圾裝運(yùn)、清掃、水壓舉升、核動(dòng)力、軋鋼、冶金、礦業(yè)等裝備上，水壓傳動(dòng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展和推廣。隨著水壓傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步豐富和完善以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，人們對(duì)水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的功能要求越來越強(qiáng)，控制的精度要求越來越高，將電液伺服控制技術(shù)應(yīng)用于水壓傳動(dòng)系統(tǒng),建立和發(fā)展與水壓傳動(dòng)系統(tǒng)相適應(yīng)的水壓伺服控制元件及控制技術(shù)已成為水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展過程中必不可少的組成部分，也是當(dāng)前國際水壓傳動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要學(xué)科前沿。目前，國際上只有日本等極少數(shù)國家在水壓伺服控制閥設(shè)計(jì)、制造、特性研究及控制系統(tǒng)開發(fā)等方面開展了一系列研究工作，并成功應(yīng)用于海洋水下作業(yè)工具和滅火機(jī)器人系統(tǒng)上。

1、發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

為了適應(yīng)海洋環(huán)境，提高水下作業(yè)的效率和靈活性，滿足大深度水下作業(yè)的需要，美國在20世紀(jì)60年代就有直接以海水作為液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)機(jī)器人的設(shè)想，并率先開始海水液壓傳動(dòng)技術(shù)的研究，成為現(xiàn)代水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的開端。自20世紀(jì)80年代初開始水壓傳動(dòng)技術(shù)研究以來，通過選用新型工程材料、適宜的表面改性技術(shù)及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國外一些發(fā)達(dá)國家如美國、日本、英國、丹麥、德國、芬蘭等已研制和開發(fā)出一些水壓控制閥產(chǎn)品，其性能已達(dá)到或接近同類油壓控制閥產(chǎn)品的性能，并在一些工業(yè)生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。但在水壓伺服控制技術(shù)研究和應(yīng)用方面，目前只有日本等極少數(shù)國家針對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)問題開展了較為系統(tǒng)和深入的研究，取得了一些研究成果。

日本三菱重工、小松制作所、荏原綜合研究所以及神奈川大學(xué)、橫浜國立大學(xué)等都是較早開展水壓伺服控制技術(shù)研究和開發(fā)的單位。三菱重工業(yè)(株)高砂研究所的Takeo Oomichi和Akio Tanaka在充分考慮水的理化性能及驅(qū)動(dòng)特性后研制出一種新型水壓伺服控制閥及性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。伺服閥采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠取代原來的電磁力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)噴嘴- 擋板閥系統(tǒng)來直接推動(dòng)功率級(jí)滑閥閥芯的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制；功率級(jí)滑閥采用兩個(gè)正重疊閥口串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，大大減少了流量的泄漏，如圖1 所示。伺服閥的工作壓力21MPa,流量100L /min，閥內(nèi)泄漏量小于1L/min，工作頻率超過30Hz，壽命超過2000h，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較長的使用壽命，其性能已經(jīng)達(dá)到或超過傳統(tǒng)油壓伺服控制閥的性能。

2、新技術(shù)的應(yīng)用

隨著電液伺服閥向高壓、大流量、高頻響、高低溫環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾方向發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)如精密位置控制、航空航天、海洋作業(yè)和軍事裝備等領(lǐng)域?qū)Τ咚匐娨核欧y的需求，傳統(tǒng)的力(矩) 馬達(dá)轉(zhuǎn)換器工作頻寬已很難滿足要求，研究和開發(fā)具有新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)和新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電液伺服閥已成為電液伺服控制技術(shù)發(fā)展的前沿課題，也是水壓伺服控制技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型功能材料的應(yīng)用，研究和開發(fā)具有高頻響應(yīng)的電液伺服閥成為現(xiàn)實(shí)，出現(xiàn)了以新型功能材料為基礎(chǔ)的新型驅(qū)動(dòng)器技術(shù)和以創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，奠定了現(xiàn)代電液伺服控制技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。其中，以新型功能材料為基礎(chǔ)的電液伺服閥驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)是目前提高電液伺服閥整體性能的主要技術(shù)手段，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。目前，已獲得應(yīng)用的新型功能材料主要有壓電陶瓷材料( PZT) 、電致伸縮材料( PMN ) 、超磁致伸縮材料(GMM ) 、形狀記憶合金( SMA ) 、電流變流體( ERF) 等，它們都具有高頻響、高精度及大輸出力等優(yōu)異性能，在流體控制元件上都有一定的研究和應(yīng)用報(bào)道 。其中，PZT和PMN都是電介質(zhì)，在一定電場(chǎng)作用下都能產(chǎn)生軸向機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變大小均與外加電場(chǎng)有關(guān)，但PZT存在嚴(yán)重的磁滯現(xiàn)象，應(yīng)用于伺服閥時(shí)主要以PMN為主。SMA是通過采用通電加熱和強(qiáng)制冷卻的方法來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，雖然變形量較大，但響應(yīng)速度較慢，變形不連續(xù)，從而其應(yīng)用范圍。ERF是直接通過電場(chǎng)來改變ERF的粘度來實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)件驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，但目前的ERF的性能還不能完全滿足工程應(yīng)用的要求，在伺服閥上的應(yīng)用還僅處于研究和探討階段。目前，在電液伺服閥上研究和應(yīng)用比較多的是壓電陶瓷( PZT) 、電致伸縮材料( PMN) 和超磁致伸縮材料( GMM) ,它們都有著比較成熟和廣泛的報(bào)道。特別是GMM還具有壓磁效應(yīng)- 逆磁致伸縮效應(yīng)，可以做成傳感器。將傳感和致動(dòng)功能通過計(jì)算機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來，可制成具有傳感和執(zhí)行功能的自傳感驅(qū)動(dòng)器，以達(dá)到無傳感器閉環(huán)控制和同位控制、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、簡(jiǎn)化系統(tǒng)和降低成本等目的，是目前智能材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域致力發(fā)展的一個(gè)新方向。

實(shí)踐證明，基于新型功能材料的電液伺服閥可大大提高液壓伺服系統(tǒng)的整體性能。在水壓伺服控制閥設(shè)計(jì)、研究和開發(fā)過程中，直接應(yīng)用新型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以縮短技術(shù)開發(fā)的進(jìn)程，加快現(xiàn)代水壓伺服控制技術(shù)發(fā)展的步伐，以適應(yīng)當(dāng)前及今后現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需求。由于PNT和PMN 轉(zhuǎn)換器的輸出位移小、工作電壓高、電絕緣性能要求高，加之材料本身的居里點(diǎn)溫度低及易產(chǎn)生漂移和磁滯現(xiàn)象，在應(yīng)用于水壓伺服控制閥的研究與開發(fā)時(shí)具有一定的局限性。新型功能材料GMM轉(zhuǎn)換器具有高頻響、高精度、大輸出力等優(yōu)異性能，特別是GMM轉(zhuǎn)換器還具有非接觸式驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和易于微型化等特點(diǎn)及其自傳感驅(qū)動(dòng)特性，更適合于水壓伺服控制閥的研制與開發(fā)，但在應(yīng)用過程中，尚存在熱變形抑制、微位移放大、非線性補(bǔ)償和軸向預(yù)壓力施加以及磁路、線圈、轉(zhuǎn)換器內(nèi)部及轉(zhuǎn)換器與伺服閥間的相關(guān)參數(shù)匹配、優(yōu)化和伺服閥內(nèi)部反饋等關(guān)鍵技術(shù)問題，需要通過系統(tǒng)研究加以解決。

3、應(yīng)用前景

目前，全世界只有近20個(gè)企業(yè)生產(chǎn)水壓元件及系統(tǒng)，水壓產(chǎn)品所占的市場(chǎng)份額還不足整個(gè)液壓元件市場(chǎng)的5%。但由于環(huán)保、安全及可持續(xù)發(fā)展的要求，在一些對(duì)安全、清潔、環(huán)保要求較高的行業(yè)，如食品加工、制藥、化學(xué)工業(yè)、造紙、鋼鐵、核能工業(yè)、消防工程、航運(yùn)及海洋工程、地質(zhì)鉆探、環(huán)衛(wèi)工業(yè)等特殊領(lǐng)域，水壓傳動(dòng)技術(shù)具有油壓所無法比擬的競(jìng)爭(zhēng)力，已開始引起人們的廣泛重視，并得到應(yīng)用。因此，隨著水壓傳動(dòng)技術(shù)的普及推廣，人們對(duì)水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求會(huì)越來越高，研究和開發(fā)具有高頻響、高可靠性和高精度的水壓伺服控制元件及控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)液壓參數(shù)的遙控和閉環(huán)控制是今后水壓傳動(dòng)與控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

由于海水液壓傳動(dòng)技術(shù)與海洋環(huán)境相容、無環(huán)境污染、安全、操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，在海洋環(huán)境條件下具有獨(dú)特使用優(yōu)勢(shì)，在水下作業(yè)、海洋資源調(diào)查、海洋石油勘探與開發(fā)、海上救撈、海洋波能利用、鹽業(yè)工程、船舶工程、海洋平臺(tái)建設(shè)等海洋工程領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。特別是隨著海洋作業(yè)深度的增加、海底礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)進(jìn)程的加快及深潛技術(shù)的發(fā)展，加之深海海洋環(huán)境復(fù)雜，高壓、黑暗、海底暗流、海水腐蝕以及海洋生物侵?jǐn)_等惡劣的海洋條件給海洋水下作業(yè)工具的性能提出了更高的要求，積極研究與開發(fā)海水液壓伺服控制元件及控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠性水下作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，能夠大大提升水下作業(yè)工具的性能，增加作業(yè)的深度及作業(yè)的靈活性、準(zhǔn)確性、安全性和可靠性，提高作業(yè)效率。

在核能開發(fā)和利用過程中，核反應(yīng)堆和冷卻池的日常運(yùn)行及一些非正常作業(yè)都是由功率較大的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操縱一些放射性的元件來完成。隨著核能的和平利用及核能工業(yè)的發(fā)展，作業(yè)靈活、安全、可靠的水壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人將具有更獨(dú)特的應(yīng)用前景。此外，由于水壓伺服控制技術(shù)的高頻響應(yīng)、高精度以及較強(qiáng)的抗干擾特性，在鋼材軋制和塑料加工等需要精密成型以及在焊接機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、電子封裝及自動(dòng)裝配等需要精密定位和高速控制的領(lǐng)域也具有十分廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

4、結(jié)束語

水壓伺服控制技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵就是研制開發(fā)與水的理化性能相適應(yīng)的具有良好控制特性的高可靠性、長壽命的水壓伺服控制閥及控制技術(shù)，涉及材料科學(xué)、表面工程技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)制造技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，其性能的優(yōu)劣將直接影響水壓伺服控制技術(shù)的普及和推廣。因此，通過采用新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)及適宜的控制技術(shù)、選用合理的工程材料及表面改性技術(shù)以及結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)技術(shù)，建立相應(yīng)的研究和實(shí)驗(yàn)條件，開展相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、模擬仿真及實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，逐步建立和完善水壓伺服控制理論和技術(shù)，形成水壓伺服控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)條件，對(duì)今后研制和生產(chǎn)不同規(guī)格和性能的水壓伺服控制元件，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。同時(shí)，對(duì)拓展水壓傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，加快水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程，促進(jìn)水壓傳動(dòng)技術(shù)的普及和推廣，也將起著非常重要的作用。