一、液壓技術發(fā)展歷史的回顧

  液壓技術的發(fā)展是與流體力學、材料學、機構(gòu)學、機械制造等相關基礎學科的發(fā)展緊密相關的。對流體力學學科的形成最早作出貢獻的是古希臘人阿基米德。公元前250年，他就發(fā)表了《論浮體》一文，精確地給出了“阿基米德定律”，從而奠定了物體平衡和沉浮的基本理論。1648年，法國人帕斯卡(B.Pascal)提出了靜止液體中壓力傳遞的基本定律————帕斯卡原理，奠定了液體靜力學基礎。

  但流體力學尤其是流體動力學成為一門嚴密的學科，是在經(jīng)典力學建立了速度、加速度、力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律建立之后才逐步形成的。

  1687年，力學奠基人牛頓(I.Newton)出版了他的著作《自然哲學的數(shù)學原理》。該書的第二部分研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，針對粘性流體運動時的內(nèi)摩擦力，提出了牛頓內(nèi)摩擦定律，為粘性流體動力學奠定了初步的理論基礎。

  1654年，德國人蓋利克(0.Von Guericke)發(fā)明了真空泵，他在雷根斯堡(Regensburg)用16匹馬拉拽兩個合在一起的抽成真空的半球，首次向人們顯示了真空和大氣壓的威力。

  1681年，帕潘(D.Papin)發(fā)明了帶安全閥的壓力釜，實現(xiàn)了壓力自動控制。

  1733年，法國人卡米(M.Camus)提出齒輪嚙合基本定律。

  瑞士人伯努利(D.Bernoulli)從經(jīng)典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動。他在1738年出版的著作《流體動力學》中，建立了流體勢能、壓力能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關系，即伯努利方程。

  瑞士人歐拉(L.Euler)是經(jīng)典流體力學的奠基人。他在1755年發(fā)表的著作《流體運動的一般原理》中，提出了流體連續(xù)介質(zhì)的概念，建立了流體連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，即歐拉方程正確地用微分方程組描述了無粘性流體的運動。

  歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和試驗測量進行流體運動定量研究的階段。

  1772~1794年，英國人瓦洛(C.Vario)和沃恩(P.Vaughan)先后發(fā)明了球軸承。

  1774年，英國人威爾金森(J.Wilkinson)發(fā)明了比較精密的鏜床，使缸體精密加工成為可能。1779年，法國人拉普拉斯(P.S.Laplace)提出了“拉普拉斯變換”，后來成為線性系統(tǒng)分析的主要數(shù)學工具。

  1785年，法國人庫侖(C.A.de Coulomb)用機械嚙合概念解釋干摩擦，首次提出了摩擦理論。1788年，英國人瓦特(J.Watt)用離心式調(diào)速器控制閥門，調(diào)節(jié)蒸汽機轉(zhuǎn)速。

  1797年，英國人莫利茲(H.Maudslay)發(fā)明了包含絲杠、光杠、進刀架和導軌的車床，可車削不同螺距的螺紋。

  1827年，法國人納維(C.LM.H.Navier)在流體介質(zhì)連續(xù)性、流體質(zhì)點變形連續(xù)性等假設的基礎上，第一個提出了不可壓縮流體的運動微分方程組1846年，英國人斯托克斯(G.G.Stokes)又以更合理的方法嚴格地導出了這些方程。后來引用該方程時，便統(tǒng)稱為納維-斯托克斯方程(N-S方程)，它是流體動力學的理論基礎。

  1883年，英國人雷諾(0.Reynolds)用實驗證明了粘性流體存在兩種不同的流動狀態(tài)——層流和湍流，找出了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)———雷諾數(shù)，以及判斷層流和湍流的臨界雷諾數(shù)，并且建立了湍流基本方程————雷諾方程。

  自16世紀到19世紀，歐洲人對流體力學、近代摩擦學、機構(gòu)學和機械制造等所作出的一系列貢獻，為20世紀液壓傳動的發(fā)展奠定了科學與工藝基礎。

  在帕斯卡提出靜壓傳遞原理后的147年，英國人布拉默(Joseph Braman)于1795年獲得了第一項關于液壓機的英國專利。兩年后，他制成了由手動泵供壓的水壓機，到1826年，水壓機已被廣為應用，成為繼蒸汽機以后應用最普遍的機械。此后，還發(fā)展了許多水壓傳動控制回路，并且采用職能符號取代具體的結(jié)構(gòu)和設計，促進了液壓技術的進一步發(fā)展。

  由于水具有粘度低、潤滑性差、易產(chǎn)生銹蝕等缺點，從而嚴重影響了水液壓技術的發(fā)展。因此，當電力傳動興起后，水壓傳動的發(fā)展和應用不斷地減少了。

  20世紀初，由于石油工業(yè)的興起，礦物油與水相比具有粘度大、潤滑性能好、防銹蝕能力強等優(yōu)點，促使人們開始研究采用礦物油代替水作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)。

  1905年，美國人詹尼(Janney)首先將礦物油引入液壓傳動系統(tǒng)作為工作介質(zhì)，并且設計制造了第一臺油壓軸向柱塞泵及由其驅(qū)動的油壓傳動裝置，并于1906年應用到軍艦的炮塔控制裝置上，揭開了現(xiàn)代油壓技術發(fā)展的序幕。

  液壓油的引入改善了液壓元件摩擦副的潤滑性能，減少了泄漏，從而為提高液壓系統(tǒng)的工作壓力和工作性能創(chuàng)造了有利條件。由于結(jié)構(gòu)材料、表面處理技術及復合材料的引入，動、靜壓軸承設計理論和方法的研究成果，以及丁腈橡膠等耐油密封材料的出現(xiàn)，使油壓技術在20世紀得到迅速發(fā)展。

  由于車輛、艦船、航空等大型機械功率傳動的需求，需要不斷提高液壓元件的功率密度和控制特性。1922年，瑞士人托馬(H.Thoma)發(fā)明了徑向柱塞泵。隨后，斜盤式軸向柱塞泵、斜軸式軸向柱塞泵、徑向液壓馬達及軸向變量馬達等的相繼出現(xiàn)，使液壓傳動的性能不斷得到提高。

  汽車工業(yè)的發(fā)展及第二次世界大戰(zhàn)中大規(guī)模武器生產(chǎn)的需要，促進了機械制造工業(yè)標準化、模塊化概念和技術的形成與發(fā)展。1936年，美國人威克斯(Harry Vickers)發(fā)明了以先導控制壓力閥為標志的管式系列液壓控制元件，20世紀60年代出現(xiàn)了板式以及疊加式液壓元件系列，20世紀70年代出現(xiàn)了插裝式系列液壓元件，從而逐步形成了以標準化功能控制單元為特征的模塊化集成單元技術。

  由于高分子復合材料的發(fā)展以及復合式旋轉(zhuǎn)和軸向密封結(jié)構(gòu)的改進，至20世紀80年代，液壓傳動與控制系統(tǒng)的密封技術已日趨成熟，基本滿足了各類工程的需求。

  20世紀，控制理論及其工程實踐得到了飛速發(fā)展，從而也為電液控制工程的進步提供了理論基礎和技術支持。

  早在1922年，美國人米諾爾斯基(N.Minoraky)就提出了用于船舶駕駛伺服機構(gòu)的比例、積分、微分(PID)控制方法。1927年，美國人布萊克(HS Black)提出了改善放大器性能的負反饋方法。1930年，德國人溫斯(C.Wornsch)提出了壓力和流量調(diào)節(jié)方法。1932年，美籍瑞典人奈奎斯特(HNyguist)提出了根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1948年，美國科學家埃文斯(W.R.Evans)提出了根軌跡分析方法同年，香農(nóng)(C.E Shannon)和維納(N.Wiener)出版了《信息論》與《控制論》。

  線性控制理論的形成對液壓控制技術的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。由于仿形切削加工、航海與航空航天伺服控制系統(tǒng)的實際需要，促使液壓仿形刀架、電液伺服元件及系統(tǒng)相繼問世，特別值得一提的是美國MIn 的Blackbum、Iee及Shearer在電液伺服機構(gòu)方面的工作。電液伺服機構(gòu)首先應用于飛機、火炮液壓控制系統(tǒng)，后來也用于機床及仿真裝置等伺服驅(qū)動中。電液伺服閥實際上是帶內(nèi)部反饋的線性電液放大器件，身增益大、響應快，但價格較貴，對油質(zhì)要求很高。于是，在20世紀60年代后期，發(fā)展了采用比例電磁鐵作為電液轉(zhuǎn)換裝置的比例控制元件，其魯棒性更好，價格更低，對油質(zhì)也無特殊要求。此后，比例閥廣泛用于工業(yè)控制。

  由于液壓傳動及控制系統(tǒng)是動力裝置與工作機械之間的中間環(huán)節(jié)，為了提高實時工作效率，最好能做到既與工作機械的負荷狀態(tài)相匹配，又與原動機的高效工作區(qū)相匹配，從而達到系統(tǒng)效率最高。因此，在20世紀70年代出現(xiàn)了負載敏感系統(tǒng)、功率協(xié)調(diào)系統(tǒng)，在20世紀80年代出現(xiàn)了二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

  在20世紀60年代，由于針對非線性、時變系統(tǒng)和多輸入/多輸出復雜系統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論的進展及微處理機技術的進步，使得先進的數(shù)字實時控制策略的實現(xiàn)成為可能，因而模型參照自適應控制、最優(yōu)控制模糊控制等現(xiàn)代控制策略相繼被引人流體傳動與控制系統(tǒng)中。

  由于微電子技術的不斷進步，微處理機、電子功率放大器、傳感器與液壓控制單元相互集成，形成了機械電子一體化產(chǎn)品，通過標準的現(xiàn)場總線、無線傳輸與上位機實行數(shù)字交互，形成智能化數(shù)字控制電液控制系統(tǒng)，不但提高了系統(tǒng)的靜、動態(tài)控制精度，而且提高了系統(tǒng)智能化程度及可靠性和魯棒性，提高了系統(tǒng)對負載、環(huán)境以及自身變化的自適應能力。

  20世紀是液壓技術逐步走向成熟的世紀，液壓技術的應用領域不斷得到拓展從組合機床、注射成型設備、機械手、自動加工及裝配線到金屬和非金屬壓延，從材料及構(gòu)件強度試驗機到電液仿真試驗平臺，從建筑、工程機械到農(nóng)業(yè)、環(huán)保設備，從能源機械調(diào)速控制到熱力與化工設備過程控制，從橡膠、皮革造紙機械到建筑材料生產(chǎn)自動線，從家用電器、電子信息產(chǎn)品自動生產(chǎn)線到印刷、包裝及辦公自動化設備，從食品加工、醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)到休閑及體育訓練機械，從采煤機械到石油鉆探及采收設備，從航空航天器控制到船舶、火車和家用小汽車等，液壓傳動與控制技術已成為現(xiàn)代機械工程的基本要素和工程控制的關鍵技術之一

  液壓技術不斷地從機器制造、材料工程、微電子、計算機及物質(zhì)科學吸取新的成果，接受社會和工程需求的強力推動，接受不斷發(fā)展的機械和電氣傳動與控制的挑戰(zhàn)，不斷發(fā)揮自身的優(yōu)勢以便滿足客觀需求，將自身逐步推進到新的水平。

  二、自主創(chuàng)新是我國液壓技術發(fā)展的必由之路

  我國液壓工業(yè)始于20世紀50年代，其產(chǎn)品最初主要應用于機床和鍛壓設備，后來才應用于拖拉機和部分工程機械上。自從1964年從國外引進一些液壓元件生產(chǎn)技術，同時全國組織聯(lián)合設計組進行液壓產(chǎn)品設計以來，我國液壓元件生產(chǎn)才從低壓到高壓形成系列，并在各類機械裝備上得到應用。改革開放以后，從20世紀80年代起，為促進液壓、氣動和密封行業(yè)的迅速發(fā)展，我國先后從國外引進了六十余項先進技術和產(chǎn)品，其中液壓技術四十余項，經(jīng)消化、吸收和技術改造，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)，并成為液壓行業(yè)的主導產(chǎn)品。再加上國家大量企改資金的投入，使我國一批主要液壓企業(yè)的工藝裝備得到改善，技術水平進一步提高，為形成起點高、專業(yè)化、批量生產(chǎn)打下良好基礎。在國家鼓勵各種所有制企業(yè)共同發(fā)展的方針指引下，我國液壓行業(yè)已形成了國企、民企和三資企業(yè)三足鼎立的局面。國企的主導產(chǎn)品是以20世紀80年代的引進技術為基礎，之后進行了跟蹤性仿制，其產(chǎn)品處于國際中檔水平民企產(chǎn)品的技術有些來源于國企，有些是仿制的，產(chǎn)品屬于中低檔水平三資企業(yè)的產(chǎn)品技術主要來源于國外先進工業(yè)國家，產(chǎn)品處于20世紀后期中高檔水平。

  總之，我國液壓行業(yè)已具備一定的技術基礎，并形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，在中低檔產(chǎn)品市場上，國內(nèi)產(chǎn)品基本上能自給自足，并有少量出口但不少高檔產(chǎn)品或是空缺，或是與國外產(chǎn)品性能差別較大。特別是從主機不斷發(fā)展的需要來看，仍然存在不少問題。例如，企業(yè)的自主創(chuàng)新能力比較薄弱，尤其是對關鍵核心技術的研發(fā)投入不夠產(chǎn)品的創(chuàng)新程度低，有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品少產(chǎn)品性能、品種及規(guī)格仍然不能滿足主機的配套需要，有很大一部分高檔產(chǎn)品要依靠進口，有些產(chǎn)品的進口甚至受到國外的封鎖和限制水液壓技術、微型液壓技術以及電液集成元器件的研制等方面，我國還遠遠落后于西方發(fā)達國家。

  現(xiàn)在看來，我國液壓技術在經(jīng)歷了幾十年依靠進口國外先進技術、產(chǎn)品，然后消化、吸收的發(fā)展歷程之后，仍然無法根本改變液壓技術落后的局面。面對當前日益嚴格的安全性、可靠性、環(huán)境保護及節(jié)約能源的要求面對我國要由制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆妵?，要把國家建設成為創(chuàng)新型國家的歷史使命，我國液壓行業(yè)必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，堅持走自主創(chuàng)新、跨越式發(fā)展之路。要產(chǎn)學研結(jié)合，建立鼓勵創(chuàng)新的機制，加強液壓基礎技術的教育，培養(yǎng)一大批綜合素質(zhì)好、創(chuàng)新能力強、基礎扎實的液壓技術人才。只有這樣，我國液壓技術才可能有大的發(fā)展，不僅有可能很快跨人國際先進水平的行列，而且能真正為我國裝備制造業(yè)的發(fā)展提供良好的配套服務。