一、液壓技術(shù)發(fā)展歷史的回顧

  液壓技術(shù)的發(fā)展是與流體力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)的。對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成最早作出貢獻(xiàn)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(guó)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(xué)基礎(chǔ)。

  但流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)成為一門嚴(yán)密的學(xué)科，是在經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度、力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律建立之后才逐步形成的。

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

  1654年，德國(guó)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(gè)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(shí)現(xiàn)了壓力自動(dòng)控制。

  1733年，法國(guó)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(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)。他在1738年出版的著作《流體動(dòng)力學(xué)》中，建立了流體勢(shì)能、壓力能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，即伯努利方程。

  瑞士人歐拉(L.Euler)是經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人。他在1755年發(fā)表的著作《流體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)微分方程，即歐拉方程正確地用微分方程組描述了無(wú)粘性流體的運(yùn)動(dòng)。

  歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。

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

  1774年，英國(guó)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(guó)人拉普拉斯(P.S.Laplace)提出了“拉普拉斯變換”，后來(lái)成為線性系統(tǒng)分析的主要數(shù)學(xué)工具。

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

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

  1827年，法國(guó)人納維(C.LM.H.Navier)在流體介質(zhì)連續(xù)性、流體質(zhì)點(diǎn)變形連續(xù)性等假設(shè)的基礎(chǔ)上，第一個(gè)提出了不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)微分方程組1846年，英國(guó)人斯托克斯(G.G.Stokes)又以更合理的方法嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程。后來(lái)引用該方程時(shí)，便統(tǒng)稱為納維-斯托克斯方程(N-S方程)，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

  1883年，英國(guó)人雷諾(0.Reynolds)用實(shí)驗(yàn)證明了粘性流體存在兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)——層流和湍流，找出了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)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(jì)到19世紀(jì)，歐洲人對(duì)流體力學(xué)、近代摩擦學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械制造等所作出的一系列貢獻(xiàn)，為20世紀(jì)液壓傳動(dòng)的發(fā)展奠定了科學(xué)與工藝基礎(chǔ)。

  在帕斯卡提出靜壓傳遞原理后的147年，英國(guó)人布拉默(Joseph Braman)于1795年獲得了第一項(xiàng)關(guān)于液壓機(jī)的英國(guó)專利。兩年后，他制成了由手動(dòng)泵供壓的水壓機(jī)，到1826年，水壓機(jī)已被廣為應(yīng)用，成為繼蒸汽機(jī)以后應(yīng)用最普遍的機(jī)械。此后，還發(fā)展了許多水壓傳動(dòng)控制回路，并且采用職能符號(hào)取代具體的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，促進(jìn)了液壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

  由于水具有粘度低、潤(rùn)滑性差、易產(chǎn)生銹蝕等缺點(diǎn)，從而嚴(yán)重影響了水液壓技術(shù)的發(fā)展。因此，當(dāng)電力傳動(dòng)興起后，水壓傳動(dòng)的發(fā)展和應(yīng)用不斷地減少了。

  20世紀(jì)初，由于石油工業(yè)的興起，礦物油與水相比具有粘度大、潤(rùn)滑性能好、防銹蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)人詹尼(Janney)首先將礦物油引入液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為工作介質(zhì)，并且設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)油壓軸向柱塞泵及由其驅(qū)動(dòng)的油壓傳動(dòng)裝置，并于1906年應(yīng)用到軍艦的炮塔控制裝置上，揭開了現(xiàn)代油壓技術(shù)發(fā)展的序幕。

  液壓油的引入改善了液壓元件摩擦副的潤(rùn)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(shù)及復(fù)合材料的引入，動(dòng)、靜壓軸承設(shè)計(jì)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(shù)在20世紀(jì)得到迅速發(fā)展。

  由于車輛、艦船、航空等大型機(jī)械功率傳動(dòng)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(dá)及軸向變量馬達(dá)等的相繼出現(xiàn)，使液壓傳動(dòng)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(jìn)了機(jī)械制造工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化概念和技術(shù)的形成與發(fā)展。1936年，美國(guó)人威克斯(Harry Vickers)發(fā)明了以先導(dǎo)控制壓力閥為標(biāo)志的管式系列液壓控制元件，20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了板式以及疊加式液壓元件系列，20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)化功能控制單元為特征的模塊化集成單元技術(shù)。

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

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

  早在1922年，美國(guó)人米諾爾斯基(N.Minoraky)就提出了用于船舶駕駛伺服機(jī)構(gòu)的比例、積分、微分(PID)控制方法。1927年，美國(guó)人布萊克(HS Black)提出了改善放大器性能的負(fù)反饋方法。1930年，德國(guó)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(yīng)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。1948年，美國(guó)科學(xué)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(duì)液壓控制技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(shí)際需要，促使液壓仿形刀架、電液伺服元件及系統(tǒng)相繼問(wèn)世，特別值得一提的是美國(guó)MIn 的Blackbum、Iee及Shearer在電液伺服機(jī)構(gòu)方面的工作。電液伺服機(jī)構(gòu)首先應(yīng)用于飛機(jī)、火炮液壓控制系統(tǒng)，后來(lái)也用于機(jī)床及仿真裝置等伺服驅(qū)動(dòng)中。電液伺服閥實(shí)際上是帶內(nèi)部反饋的線性電液放大器件，身增益大、響應(yīng)快，但價(jià)格較貴，對(duì)油質(zhì)要求很高。于是，在20世紀(jì)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(jià)格更低，對(duì)油質(zhì)也無(wú)特殊要求。此后，比例閥廣泛用于工業(yè)控制。

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

  在20世紀(jì)60年代，由于針對(duì)非線性、時(shí)變系統(tǒng)和多輸入/多輸出復(fù)雜系統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論的進(jìn)展及微處理機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得先進(jìn)的數(shù)字實(shí)時(shí)控制策略的實(shí)現(xiàn)成為可能，因而模型參照自適應(yīng)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(dòng)與控制系統(tǒng)中。

  由于微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，微處理機(jī)、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(jī)械電子一體化產(chǎn)品，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線傳輸與上位機(jī)實(shí)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(dòng)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(duì)負(fù)載、環(huán)境以及自身變化的自適應(yīng)能力。

  20世紀(jì)是液壓技術(shù)逐步走向成熟的世紀(jì)，液壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓展從組合機(jī)床、注射成型設(shè)備、機(jī)械手、自動(dòng)加工及裝配線到金屬和非金屬壓延，從材料及構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)到電液仿真試驗(yàn)平臺(tái)，從建筑、工程機(jī)械到農(nóng)業(yè)、環(huán)保設(shè)備，從能源機(jī)械調(diào)速控制到熱力與化工設(shè)備過(guò)程控制，從橡膠、皮革造紙機(jī)械到建筑材料生產(chǎn)自動(dòng)線，從家用電器、電子信息產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線到印刷、包裝及辦公自動(dòng)化設(shè)備，從食品加工、醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)到休閑及體育訓(xùn)練機(jī)械，從采煤機(jī)械到石油鉆探及采收設(shè)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(dòng)與控制技術(shù)已成為現(xiàn)代機(jī)械工程的基本要素和工程控制的關(guān)鍵技術(shù)之一

  液壓技術(shù)不斷地從機(jī)器制造、材料工程、微電子、計(jì)算機(jī)及物質(zhì)科學(xué)吸取新的成果，接受社會(huì)和工程需求的強(qiáng)力推動(dòng)，接受不斷發(fā)展的機(jī)械和電氣傳動(dòng)與控制的挑戰(zhàn)，不斷發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)以便滿足客觀需求，將自身逐步推進(jìn)到新的水平。

  二、自主創(chuàng)新是我國(guó)液壓技術(shù)發(fā)展的必由之路

  我國(guó)液壓工業(yè)始于20世紀(jì)50年代，其產(chǎn)品最初主要應(yīng)用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備，后來(lái)才應(yīng)用于拖拉機(jī)和部分工程機(jī)械上。自從1964年從國(guó)外引進(jìn)一些液壓元件生產(chǎn)技術(shù)，同時(shí)全國(guó)組織聯(lián)合設(shè)計(jì)組進(jìn)行液壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)以來(lái)，我國(guó)液壓元件生產(chǎn)才從低壓到高壓形成系列，并在各類機(jī)械裝備上得到應(yīng)用。改革開放以后，從20世紀(jì)80年代起，為促進(jìn)液壓、氣動(dòng)和密封行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)先后從國(guó)外引進(jìn)了六十余項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，其中液壓技術(shù)四十余項(xiàng)，經(jīng)消化、吸收和技術(shù)改造，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)，并成為液壓行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。再加上國(guó)家大量企改資金的投入，使我國(guó)一批主要液壓企業(yè)的工藝裝備得到改善，技術(shù)水平進(jìn)一步提高，為形成起點(diǎn)高、專業(yè)化、批量生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。在國(guó)家鼓勵(lì)各種所有制企業(yè)共同發(fā)展的方針指引下，我國(guó)液壓行業(yè)已形成了國(guó)企、民企和三資企業(yè)三足鼎立的局面。國(guó)企的主導(dǎo)產(chǎn)品是以20世紀(jì)80年代的引進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，之后進(jìn)行了跟蹤性仿制，其產(chǎn)品處于國(guó)際中檔水平民企產(chǎn)品的技術(shù)有些來(lái)源于國(guó)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(shù)主要來(lái)源于國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，產(chǎn)品處于20世紀(jì)后期中高檔水平。

  總之，我國(guó)液壓行業(yè)已具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)，并形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，在中低檔產(chǎn)品市場(chǎng)上，國(guó)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(guó)外產(chǎn)品性能差別較大。特別是從主機(jī)不斷發(fā)展的需要來(lái)看，仍然存在不少問(wèn)題。例如，企業(yè)的自主創(chuàng)新能力比較薄弱，尤其是對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)投入不夠產(chǎn)品的創(chuàng)新程度低，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少產(chǎn)品性能、品種及規(guī)格仍然不能滿足主機(jī)的配套需要，有很大一部分高檔產(chǎn)品要依靠進(jìn)口，有些產(chǎn)品的進(jìn)口甚至受到國(guó)外的封鎖和限制水液壓技術(shù)、微型液壓技術(shù)以及電液集成元器件的研制等方面，我國(guó)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。

  現(xiàn)在看來(lái)，我國(guó)液壓技術(shù)在經(jīng)歷了幾十年依靠進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)品，然后消化、吸收的發(fā)展歷程之后，仍然無(wú)法根本改變液壓技術(shù)落后的局面。面對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)格的安全性、可靠性、環(huán)境保護(hù)及節(jié)約能源的要求面對(duì)我國(guó)要由制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)，要把國(guó)家建設(shè)成為創(chuàng)新型國(guó)家的歷史使命，我國(guó)液壓行業(yè)必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，堅(jiān)持走自主創(chuàng)新、跨越式發(fā)展之路。要產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，建立鼓勵(lì)創(chuàng)新的機(jī)制，加強(qiáng)液壓基礎(chǔ)技術(shù)的教育，培養(yǎng)一大批綜合素質(zhì)好、創(chuàng)新能力強(qiáng)、基礎(chǔ)扎實(shí)的液壓技術(shù)人才。只有這樣，我國(guó)液壓技術(shù)才可能有大的發(fā)展，不僅有可能很快跨人國(guó)際先進(jìn)水平的行列，而且能真正為我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展提供良好的配套服務(wù)。