現代水壓傳動技術經過近20 年的發(fā)展，因水的粘度低、潤滑性差、導電性強、汽化壓力高、易腐蝕等缺點而導致的阻礙水壓傳動技術發(fā)展的一些關鍵基礎技術問題，如腐蝕、氣蝕、泄漏、摩擦磨損、水擊、水質污染、絕緣等已經得到有效解決，水壓傳動技術由以海水為工作介質應用于海洋水下作業(yè)機器人發(fā)展到目前以自來水為工作介質應用于焊接機器人、水力加工、食品、鍛壓、垃圾裝運、清掃、水壓舉升、核動力、軋鋼、冶金、礦業(yè)等裝備上，水壓傳動技術得到了迅速發(fā)展和推廣。隨著水壓傳動技術的進一步豐富和完善以及應用領域的不斷拓展，人們對水壓傳動系統(tǒng)的功能要求越來越強，控制的精度要求越來越高，將電液伺服控制技術應用于水壓傳動系統(tǒng),建立和發(fā)展與水壓傳動系統(tǒng)相適應的水壓伺服控制元件及控制技術已成為水壓傳動技術發(fā)展過程中必不可少的組成部分，也是當前國際水壓傳動與控制技術領域的一個重要學科前沿。目前，國際上只有日本等極少數國家在水壓伺服控制閥設計、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，并成功應用于海洋水下作業(yè)工具和滅火機器人系統(tǒng)上。

1、發(fā)展歷史與現狀

為了適應海洋環(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60年代就有直接以海水作為液壓系統(tǒng)工作介質驅動水下作業(yè)機器人的設想，并率先開始海水液壓傳動技術的研究，成為現代水壓傳動技術發(fā)展的開端。自20世紀80年代初開始水壓傳動技術研究以來，通過選用新型工程材料、適宜的表面改性技術及合理的結構設計，國外一些發(fā)達國家如美國、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品，其性能已達到或接近同類油壓控制閥產品的性能，并在一些工業(yè)生產中得到推廣應用。但在水壓伺服控制技術研究和應用方面，目前只有日本等極少數國家針對一些關鍵技術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、橫浜國立大學等都是較早開展水壓伺服控制技術研究和開發(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動特性后研制出一種新型水壓伺服控制閥及性能實驗系統(tǒng)。伺服閥采用伺服電機驅動滾珠絲杠取代原來的電磁力矩馬達驅動噴嘴- 擋板閥系統(tǒng)來直接推動功率級滑閥閥芯的移動，從而實現對流量的控制；功率級滑閥采用兩個正重疊閥口串聯(lián)的結構形式，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，具有良好的動態(tài)響應特性和較長的使用壽命，其性能已經達到或超過傳統(tǒng)油壓伺服控制閥的性能。

2、新技術的應用

隨著電液伺服閥向高壓、大流量、高頻響、高低溫環(huán)境適應性、抗干擾方向發(fā)展以及現代工業(yè)如精密位置控制、航空航天、海洋作業(yè)和軍事裝備等領域對超高速電液伺服閥的需求，傳統(tǒng)的力(矩) 馬達轉換器工作頻寬已很難滿足要求，研究和開發(fā)具有新型驅動技術和新型驅動結構的電液伺服閥已成為電液伺服控制技術發(fā)展的前沿課題，也是水壓伺服控制技術研究的關鍵技術。

隨著先進制造技術、現代設計技術和微電子技術的發(fā)展以及新型功能材料的應用，研究和開發(fā)具有高頻響應的電液伺服閥成為現實，出現了以新型功能材料為基礎的新型驅動器技術和以創(chuàng)新結構設計為基礎的新型驅動結構，奠定了現代電液伺服控制技術發(fā)展的基礎。其中，以新型功能材料為基礎的電液伺服閥驅動及控制技術是目前提高電液伺服閥整體性能的主要技術手段，也是當前研究的熱點和焦點。目前，已獲得應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用報道 。其中，PZT和PMN都是電介質，在一定電場作用下都能產生軸向機械應變，應變大小均與外加電場有關，但PZT存在嚴重的磁滯現象，應用于伺服閥時主要以PMN為主。SMA是通過采用通電加熱和強制冷卻的方法來驅動執(zhí)行器運動，雖然變形量較大，但響應速度較慢，變形不連續(xù)，從而其應用范圍。ERF是直接通過電場來改變ERF的粘度來實現無移動件驅動，響應快，穩(wěn)定性好，但目前的ERF的性能還不能完全滿足工程應用的要求，在伺服閥上的應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道。特別是GMM還具有壓磁效應- 逆磁致伸縮效應，可以做成傳感器。將傳感和致動功能通過計算機有機的結合起來，可制成具有傳感和執(zhí)行功能的自傳感驅動器，以達到無傳感器閉環(huán)控制和同位控制、提高系統(tǒng)響應速度和控制精度、增強系統(tǒng)可靠性、簡化系統(tǒng)和降低成本等目的，是目前智能材料和結構領域致力發(fā)展的一個新方向。

實踐證明，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計、研究和開發(fā)過程中，直接應用新型的驅動技術和新型的結構設計，可以縮短技術開發(fā)的進程，加快現代水壓伺服控制技術發(fā)展的步伐，以適應當前及今后現代工業(yè)技術發(fā)展的需求。由于PNT和PMN 轉換器的輸出位移小、工作電壓高、電絕緣性能要求高，加之材料本身的居里點溫度低及易產生漂移和磁滯現象，在應用于水壓伺服控制閥的研究與開發(fā)時具有一定的局限性。新型功能材料GMM轉換器具有高頻響、高精度、大輸出力等優(yōu)異性能，特別是GMM轉換器還具有非接觸式驅動、結構相對簡單和易于微型化等特點及其自傳感驅動特性，更適合于水壓伺服控制閥的研制與開發(fā)，但在應用過程中，尚存在熱變形抑制、微位移放大、非線性補償和軸向預壓力施加以及磁路、線圈、轉換器內部及轉換器與伺服閥間的相關參數匹配、優(yōu)化和伺服閥內部反饋等關鍵技術問題，需要通過系統(tǒng)研究加以解決。

3、應用前景

目前，全世界只有近20個企業(yè)生產水壓元件及系統(tǒng)，水壓產品所占的市場份額還不足整個液壓元件市場的5%。但由于環(huán)保、安全及可持續(xù)發(fā)展的要求，在一些對安全、清潔、環(huán)保要求較高的行業(yè)，如食品加工、制藥、化學工業(yè)、造紙、鋼鐵、核能工業(yè)、消防工程、航運及海洋工程、地質鉆探、環(huán)衛(wèi)工業(yè)等特殊領域，水壓傳動技術具有油壓所無法比擬的競爭力，已開始引起人們的廣泛重視，并得到應用。因此，隨著水壓傳動技術的普及推廣，人們對水壓傳動系統(tǒng)的性能要求會越來越高，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以實現液壓參數的遙控和閉環(huán)控制是今后水壓傳動與控制技術發(fā)展的必然趨勢。

由于海水液壓傳動技術與海洋環(huán)境相容、無環(huán)境污染、安全、操作簡單、性能穩(wěn)定，在海洋環(huán)境條件下具有獨特使用優(yōu)勢，在水下作業(yè)、海洋資源調查、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、海洋平臺建設等海洋工程領域具有極其廣闊的應用前景。特別是隨著海洋作業(yè)深度的增加、海底礦產資源勘探開發(fā)進程的加快及深潛技術的發(fā)展，加之深海海洋環(huán)境復雜，高壓、黑暗、海底暗流、海水腐蝕以及海洋生物侵擾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是實現高性能和高可靠性水下作業(yè)機器人的關鍵技術，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，核反應堆和冷卻池的日常運行及一些非正常作業(yè)都是由功率較大的液壓驅動機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、可靠的水壓伺服驅動機器人將具有更獨特的應用前景。此外，由于水壓伺服控制技術的高頻響應、高精度以及較強的抗干擾特性，在鋼材軋制和塑料加工等需要精密成型以及在焊接機器人、工業(yè)機器人、電子封裝及自動裝配等需要精密定位和高速控制的領域也具有十分廣闊的發(fā)展和應用前景。

4、結束語

水壓伺服控制技術發(fā)展的關鍵就是研制開發(fā)與水的理化性能相適應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，涉及材料科學、表面工程技術、現代設計方法、先進制造技術、驅動技術、微電子技術、傳感技術以及計算機控制技術等學科領域，其性能的優(yōu)劣將直接影響水壓伺服控制技術的普及和推廣。因此，通過采用新型驅動技術及適宜的控制技術、選用合理的工程材料及表面改性技術以及結構的再設計技術，建立相應的研究和實驗條件，開展相關的設計、制造、模擬仿真及實驗和應用研究，逐步建立和完善水壓伺服控制理論和技術，形成水壓伺服控制技術研究的基礎條件，對今后研制和生產不同規(guī)格和性能的水壓伺服控制元件，建立相應的設計、制造、實驗和應用的技術標準和規(guī)范，產生積極的推動作用。同時，對拓展水壓傳動技術的應用領域，加快水壓傳動技術發(fā)展的進程，促進水壓傳動技術的普及和推廣，也將起著非常重要的作用。