液体静力学基础到智能电液控制系统之液压技术发展

  一、液压技术发展历史的回顾

  液压技术的发展是与流体力学、材料学、机构学、机械制造等相关基础学科的发展紧密相关的。对流体力学学科的形成最早作出贡献的是古希腊人阿基米德。公元前250年，他就发表了《论浮体》一文，精确地给出了“阿基米德定律”，从而奠定了物体平衡和沉浮的基本理论。1648年，法国人帕斯卡(B.Pascal)提出了静止液体中压力传递的基本定律————帕斯卡原理，奠定了液体静力学基础。

  但流体力学尤其是流体动力学成为一门严密的学科，是在经典力学建立了速度、加速度、力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律建立之后才逐步形成的。

  1687年，力学奠基人牛顿(I.Newton)出版了他的著作《自然哲学的数学原理》。该书的第二部分研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，针对粘性流体运动时的内摩擦力，提出了牛顿内摩擦定律，为粘性流体动力学奠定了初步的理论基础。

  1654年，德国人盖利克(0.Von Guericke)发明了真空泵，他在雷根斯堡(Regensburg)用16匹马拉拽两个合在一起的抽成真空的半球，首次向人们显示了真空和大气压的威力。

  1681年，帕潘(D.Papin)发明了带安全阀的压力釜，实现了压力自动控制。

  1733年，法国人卡米(M.Camus)提出齿轮啮合基本定律。

  瑞士人伯努利(D.Bernoulli)从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动。他在1738年出版的著作《流体动力学》中，建立了流体势能、压力能和动能之间的能量转换关系，即伯努利方程。

  瑞士人欧拉(L.Euler)是经典流体力学的奠基人。他在1755年发表的著作《流体运动的一般原理》中，提出了流体连续介质的概念，建立了流体连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，即欧拉方程正确地用微分方程组描述了无粘性流体的运动。

  欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和试验测量进行流体运动定量研究的阶段。

  1772~1794年，英国人瓦洛(C.Vario)和沃恩(P.Vaughan)先后发明了球轴承。

  1774年，英国人威尔金森(J.Wilkinson)发明了比较精密的镗床，使缸体精密加工成为可能。1779年，法国人拉普拉斯(P.S.Laplace)提出了“拉普拉斯变换”，后来成为线性系统分析的主要数学工具。

  1785年，法国人库仑(C.A.de Coulomb)用机械啮合概念解释干摩擦，首次提出了摩擦理论。1788年，英国人瓦特(J.Watt)用离心式调速器控制阀门，调节蒸汽机转速。

  1797年，英国人莫利兹(H.Maudslay)发明了包含丝杠、光杠、进刀架和导轨的车床，可车削不同螺距的螺纹。

  1827年，法国人纳维(C.LM.H.Navier)在流体介质连续性、流体质点变形连续性等假设的基础上，第一个提出了不可压缩流体的运动微分方程组1846年，英国人斯托克斯(G.G.Stokes)又以更合理的方法严格地导出了这些方程。后来引用该方程时，便统称为纳维-斯托克斯方程(N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。

  1883年，英国人雷诺(0.Reynolds)用实验证明了粘性流体存在两种不同的流动状态——层流和湍流，找出了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数———雷诺数，以及判断层流和湍流的临界雷诺数，并且建立了湍流基本方程————雷诺方程。

  自16世纪到19世纪，欧洲人对流体力学、近代摩擦学、机构学和机械制造等所作出的一系列贡献，为20世纪液压传动的发展奠定了科学与工艺基础。

  在帕斯卡提出静压传递原理后的147年，英国人布拉默(Joseph Braman)于1795年获得了第一项关于液压机的英国专利。两年后，他制成了由手动泵供压的水压机，到1826年，水压机已被广为应用，成为继蒸汽机以后应用最普遍的机械。此后，还发展了许多水压传动控制回路，并且采用职能符号取代具体的结构和设计，促进了液压技术的进一步发展。

  由于水具有粘度低、润滑性差、易产生锈蚀等缺点，从而严重影响了水液压技术的发展。因此，当电力传动兴起后，水压传动的发展和应用不断地减少了。

  20世纪初，由于石油工业的兴起，矿物油与水相比具有粘度大、润滑性能好、防锈蚀能力强等优点，促使人们开始研究采用矿物油代替水作为液压系统的工作介质。

  1905年，美国人詹尼(Janney)首先将矿物油引入液压传动系统作为工作介质，并且设计制造了第一台油压轴向柱塞泵及由其驱动的油压传动装置，并于1906年应用到军舰的炮塔控制装置上，揭开了现代油压技术发展的序幕。

  液压油的引入改善了液压元件摩擦副的润滑性能，减少了泄漏，从而为提高液压系统的工作压力和工作性能创造了有利条件。由于结构材料、表面处理技术及复合材料的引入，动、静压轴承设计理论和方法的研究成果，以及丁腈橡胶等耐油密封材料的出现，使油压技术在20世纪得到迅速发展。

  由于车辆、舰船、航空等大型机械功率传动的需求，需要不断提高液压元件的功率密度和控制特性。1922年，瑞士人托马(H.Thoma)发明了径向柱塞泵。随后，斜盘式轴向柱塞泵、斜轴式轴向柱塞泵、径向液压马达及轴向变量马达等的相继出现，使液压传动的性能不断得到提高。

  汽车工业的发展及第二次世界大战中大规模武器生产的需要，促进了机械制造工业标准化、模块化概念和技术的形成与发展。1936年，美国人威克斯(Harry Vickers)发明了以先导控制压力阀为标志的管式系列液压控制元件，20世纪60年代出现了板式以及叠加式液压元件系列，20世纪70年代出现了插装式系列液压元件，从而逐步形成了以标准化功能控制单元为特征的模块化集成单元技术。

  由于高分子复合材料的发展以及复合式旋转和轴向密封结构的改进，至20世纪80年代，液压传动与控制系统的密封技术已日趋成熟，基本满足了各类工程的需求。

  20世纪，控制理论及其工程实践得到了飞速发展，从而也为电液控制工程的进步提供了理论基础和技术支持。

  早在1922年，美国人米诺尔斯基(N.Minoraky)就提出了用于船舶驾驶伺服机构的比例、积分、微分(PID)控制方法。1927年，美国人布莱克(HS Black)提出了改善放大器性能的负反馈方法。1930年，德国人温斯(C.Wornsch)提出了压力和流量调节方法。1932年，美籍瑞典人奈奎斯特(HNyguist)提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。1948年，美国科学家埃文斯(W.R.Evans)提出了根轨迹分析方法同年，香农(C.E Shannon)和维纳(N.Wiener)出版了《信息论》与《控制论》。

  线性控制理论的形成对液压控制技术的发展产生了深远影响。由于仿形切削加工、航海与航空航天伺服控制系统的实际需要，促使液压仿形刀架、电液伺服元件及系统相继问世，特别值得一提的是美国MIn 的Blackbum、Iee及Shearer在电液伺服机构方面的工作。电液伺服机构首先应用于飞机、火炮液压控制系统，后来也用于机床及仿真装置等伺服驱动中。电液伺服阀实际上是带内部反馈的线性电液放大器件，身增益大、响应快，但价格较贵，对油质要求很高。于是，在20世纪60年代后期，发展了采用比例电磁铁作为电液转换装置的比例控制元件，其鲁棒性更好，价格更低，对油质也无特殊要求。此后，比例阀广泛用于工业控制。

  由于液压传动及控制系统是动力装置与工作机械之间的中间环节，为了提高实时工作效率，最好能做到既与工作机械的负荷状态相匹配，又与原动机的高效工作区相匹配，从而达到系统效率最高。因此，在20世纪70年代出现了负载敏感系统、功率协调系统，在20世纪80年代出现了二次调节系统。

  在20世纪60年代，由于针对非线性、时变系统和多输入/多输出复杂系统的现代控制理论的进展及微处理机技术的进步，使得先进的数字实时控制策略的实现成为可能，因而模型参照自适应控制、最优控制模糊控制等现代控制策略相继被引人流体传动与控制系统中。

  由于微电子技术的不断进步，微处理机、电子功率放大器、传感器与液压控制单元相互集成，形成了机械电子一体化产品，通过标准的现场总线、无线传输与上位机实行数字交互，形成智能化数字控制电液控制系统，不但提高了系统的静、动态控制精度，而且提高了系统智能化程度及可靠性和鲁棒性，提高了系统对负载、环境以及自身变化的自适应能力。

  20世纪是液压技术逐步走向成熟的世纪，液压技术的应用领域不断得到拓展从组合机床、注射成型设备、机械手、自动加工及装配线到金属和非金属压延，从材料及构件强度试验机到电液仿真试验平台，从建筑、工程机械到农业、环保设备，从能源机械调速控制到热力与化工设备过程控制，从橡胶、皮革造纸机械到建筑材料生产自动线，从家用电器、电子信息产品自动生产线到印刷、包装及办公自动化设备，从食品加工、医疗监护系统到休闲及体育训练机械，从采煤机械到石油钻探及采收设备，从航空航天器控制到船舶、火车和家用小汽车等，液压传动与控制技术已成为现代机械工程的基本要素和工程控制的关键技术之一

  液压技术不断地从机器制造、材料工程、微电子、计算机及物质科学吸取新的成果，接受社会和工程需求的强力推动，接受不断发展的机械和电气传动与控制的挑战，不断发挥自身的优势以便满足客观需求，将自身逐步推进到新的水平。

  二、自主创新是我国液压技术发展的必由之路

  我国液压工业始于20世纪50年代，其产品最初主要应用于机床和锻压设备，后来才应用于拖拉机和部分工程机械上。自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术，同时全国组织联合设计组进行液压产品设计以来，我国液压元件生产才从低压到高压形成系列，并在各类机械装备上得到应用。改革开放以后，从20世纪80年代起，为促进液压、气动和密封行业的迅速发展，我国先后从国外引进了六十余项先进技术和产品，其中液压技术四十余项，经消化、吸收和技术改造，现均已批量生产，并成为液压行业的主导产品。再加上国家大量企改资金的投入，使我国一批主要液压企业的工艺装备得到改善，技术水平进一步提高，为形成起点高、专业化、批量生产打下良好基础。在国家鼓励各种所有制企业共同发展的方针指引下，我国液压行业已形成了国企、民企和三资企业三足鼎立的局面。国企的主导产品是以20世纪80年代的引进技术为基础，之后进行了跟踪性仿制，其产品处于国际中档水平民企产品的技术有些来源于国企，有些是仿制的，产品属于中低档水平三资企业的产品技术主要来源于国外先进工业国家，产品处于20世纪后期中高档水平。

  总之，我国液压行业已具备一定的技术基础，并形成了一定的生产规模，在中低档产品市场上，国内产品基本上能自给自足，并有少量出口但不少高档产品或是空缺，或是与国外产品性能差别较大。特别是从主机不断发展的需要来看，仍然存在不少问题。例如，企业的自主创新能力比较薄弱，尤其是对关键核心技术的研发投入不够产品的创新程度低，有自主知识产权的产品少产品性能、品种及规格仍然不能满足主机的配套需要，有很大一部分高档产品要依靠进口，有些产品的进口甚至受到国外的封锁和限制水液压技术、微型液压技术以及电液集成元器件的研制等方面，我国还远远落后于西方发达国家。

  现在看来，我国液压技术在经历了几十年依靠进口国外先进技术、产品，然后消化、吸收的发展历程之后，仍然无法根本改变液压技术落后的局面。面对当前日益严格的安全性、可靠性、环境保护及节约能源的要求面对我国要由制造大国转变为制造强国，要把国家建设成为创新型国家的历史使命，我国液压行业必须转变发展模式，坚持走自主创新、跨越式发展之路。要产学研结合，建立鼓励创新的机制，加强液压基础技术的教育，培养一大批综合素质好、创新能力强、基础扎实的液压技术人才。只有这样，我国液压技术才可能有大的发展，不仅有可能很快跨人国际先进水平的行列，而且能真正为我国装备制造业的发展提供良好的配套服务。