一. 液壓——制造業(yè)的基礎(chǔ)器件
液壓是利用液體不可壓縮的特性，利用巴斯卡定律和能量守恒的原理建立起來的一門科學(xué)。因?yàn)楦邏阂后w攜帶了巨大的能量，所以在工業(yè)中獲得十分廣泛的應(yīng)用。
液壓件是制造業(yè)的核心部件，它具有重量輕、輸出力量大、使用方便、運(yùn)行平穩(wěn)、便于控制等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、航空、航天、航海、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)形成了極為龐大的液壓產(chǎn)業(yè)。液壓元件的規(guī)格和種類繁多，產(chǎn)品有成百上千種。
1. 液壓的基礎(chǔ)元件為液壓泵。它是將電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換為液壓能，分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。
2. 液壓的執(zhí)行元件為液壓缸和液壓馬達(dá)。液壓缸完成直線運(yùn)動(dòng)，分為柱塞缸、活塞缸、單作用缸、多級(jí)缸等。液壓馬達(dá)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分為齒輪馬達(dá)、葉片馬達(dá)、柱塞馬達(dá)等。
3.液壓的功能元件是各種液壓閥。它主要是控制油流的方向和大小，用來控制油缸或油馬達(dá)的方向、速度和位置，分為方向閥、壓力閥、單向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、比例閥、伺服閥、插裝閥等。
液壓技術(shù)已經(jīng)有近200年的歷史，它是隨著社會(huì)和技術(shù)的進(jìn)步逐漸發(fā)展和完善起來的，尤其是高端軍事領(lǐng)域和高端裝備制造以及各種自動(dòng)化設(shè)備的需要，促進(jìn)了高端伺服液壓的快速發(fā)展。
二. 我國液壓工業(yè)的現(xiàn)狀
液壓技術(shù)是國家的基礎(chǔ)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到裝備制造業(yè)的強(qiáng)弱，是衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一。世界上所有制造強(qiáng)國都是液壓強(qiáng)國，如美國、德國、日本、法國等。我國的液壓產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀卻不容樂觀。
上世紀(jì)60年代初，我國開始引進(jìn)液壓技術(shù)，首先引進(jìn)日本系列的液壓產(chǎn)品，在山西榆次建立了第一個(gè)液壓產(chǎn)業(yè)基地，隨著液壓在中國獲得應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，大量的民營企業(yè)開始仿制國外的低端產(chǎn)品，目前已形成1000多家液壓件廠的龐大產(chǎn)業(yè)，大量生產(chǎn)低端液壓元件。
改革開放后，我國80年代引進(jìn)了德國系列的產(chǎn)品，建立了北京華德液壓，但產(chǎn)品還是屬于中低端技術(shù)水平。德國液壓產(chǎn)品隨著德國成套設(shè)備大規(guī)模引進(jìn)，開始占領(lǐng)中國的主要市場(chǎng)，這就是目前德國“博士—力士樂”系列。在德國大規(guī)模占領(lǐng)中國市場(chǎng)后，美國技術(shù)逐漸進(jìn)入中國市場(chǎng)，這就是美國的”依頓—威格士”系列。后期還有意大利的“阿托斯系列”等進(jìn)入中國市場(chǎng)。
目前，中國的高端液壓市場(chǎng)都是國外產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，比如冶金、軍事、石油、電力、海洋、重型機(jī)械等領(lǐng)域，尤其是工程機(jī)械領(lǐng)域，中國20噸以上挖掘機(jī)所用的液壓件基本控制在日本川崎和德國力士樂手中。中國工程機(jī)械受制于國外液壓企業(yè)，近5000億元產(chǎn)值的大部分利潤被外企拿走，成了中國的“鎖喉之痛”。其原因在于，我國的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略長(zhǎng)期以來重主機(jī)、輕配件，對(duì)液壓產(chǎn)業(yè)的重視程度不足，缺乏基礎(chǔ)研發(fā)投入。加上高端液壓產(chǎn)品研發(fā)投入巨大(幾千萬到數(shù)億元)，涉及的領(lǐng)域又多(機(jī)、電、液、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、加工技術(shù)、熱處理技術(shù)、表面處理技術(shù)、基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝等)，致使許多企業(yè)沒有勇氣和能力去研發(fā)高端液壓產(chǎn)品。
隨著國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域都獲得了巨大發(fā)展。中國已成為世界制造大國，但液壓技術(shù)落后世界(據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)落后10-15年)，已經(jīng)嚴(yán)重制約了中國制造業(yè)的發(fā)展，更制約了中國從制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。在行業(yè)協(xié)會(huì)和許多有識(shí)之士的積極推動(dòng)下，國家已經(jīng)將液壓產(chǎn)業(yè)納入“十二五”發(fā)展規(guī)劃，明確提出發(fā)展目標(biāo)，制定了多項(xiàng)攻關(guān)計(jì)劃，并第一次將“數(shù)字液壓”也列入其中。
從2009年起，全國各地，如遼寧阜新、山西榆次、四川瀘州、山東常林、江蘇常州等地，以及徐工、三一等企業(yè)，爭(zhēng)相投入數(shù)十億到上百億元資金發(fā)展液壓產(chǎn)業(yè)，總投入超過300億元。與此同時(shí)，各大主機(jī)廠也掀起了并購世界液壓公司的高潮，如三一重工收購德國大象、普茨邁斯特;山東濰柴收購德國林德;徐州重工收購德國FT(Fluitronics)公司、荷蘭AMCA公司等，資金總數(shù)也超過百億，目的都是希望快速縮短液壓產(chǎn)業(yè)與國外的差距。
2012年，行業(yè)協(xié)會(huì)集中全國的液壓專家，編制了國家液壓傳動(dòng)與控制20年發(fā)展路線圖，希望按照跟蹤、仿制、創(chuàng)新、超越四步走的路線，到2030年達(dá)到世界先進(jìn)水平。2013年1月，工信部牽頭，三個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)手，42個(gè)主機(jī)廠和液壓企業(yè)、全國的資深專家等參與，在天津工程機(jī)械研究院成立了工程機(jī)械的攻關(guān)平臺(tái)，希望用3-5年的時(shí)間，以舉國之力攻克制約工程機(jī)械發(fā)展的高端液壓技術(shù)難題，扭轉(zhuǎn)高端液壓元件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面。
據(jù)報(bào)道，中國目前液壓行業(yè)的總產(chǎn)值還不如德國力士樂公司一家在全球的液壓件銷售額，液氣密行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)中國液壓等機(jī)械基礎(chǔ)件行業(yè)現(xiàn)狀的說法是“我們還沒有掌握核心技術(shù)，我們還受控于人”。
三. 數(shù)字液壓— 一種新的液壓
21世紀(jì)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)的時(shí)代，液壓技術(shù)必然要與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這是發(fā)展方向。數(shù)十年來，德國、日本、法國、美國等對(duì)數(shù)字液壓都進(jìn)行了研究，但一直沒有突破性進(jìn)展。其原因在于，國外走了一條元件數(shù)字化的道路。元件數(shù)字化不能充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的優(yōu)越性，其控制思想和控制方法沒有任何改變，只是將液壓傳動(dòng)鏈條中的一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了數(shù)字化，這種數(shù)字化液壓元件融入傳統(tǒng)的模擬液壓鏈條中，不能充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的優(yōu)越性，無法與傳統(tǒng)技術(shù)的比例閥和伺服閥競(jìng)爭(zhēng)。
我們數(shù)字液壓走的是一條全程數(shù)字化道路，30年前研制成功了第一代數(shù)字缸，并完成了理論研究，建立了數(shù)學(xué)模型(1)，第一代數(shù)字缸是機(jī)械位移傳感器與數(shù)字伺服閥構(gòu)成直接速度和位移反饋，并于1990年用于航天部的裝彈機(jī)構(gòu)上。一直生產(chǎn)使用至今。
第一代數(shù)字缸的工作原理和信號(hào)流如下圖：
第一代數(shù)字缸精度非常高，定位精度可以達(dá)到微米級(jí)，但它也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是行程做不長(zhǎng)，速度太慢，不適宜廣泛的工業(yè)應(yīng)用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，于1990年推出了外反饋的第二代數(shù)字缸，克服了速度慢，行程短的不足，2000年用于海軍六自由度訓(xùn)練平臺(tái)模擬試驗(yàn)臺(tái)。但第二代數(shù)字缸外反饋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，不適宜大批生產(chǎn)。又于2003年發(fā)明了第三代數(shù)字缸，即雙內(nèi)反饋數(shù)字缸，將反饋機(jī)構(gòu)裝進(jìn)缸內(nèi)。這一代數(shù)字缸綜合了前兩代數(shù)字缸的優(yōu)點(diǎn)，克服了缺點(diǎn)，可以將高速度、長(zhǎng)行程、可靠性統(tǒng)一起來。第三代數(shù)字缸已用于某軍事裝備上。至此，前后共花費(fèi)了近20年的時(shí)間，才完成了數(shù)字液壓缸的工業(yè)性應(yīng)用準(zhǔn)備。
此后，我們對(duì)第三代數(shù)字缸不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，終于獲得用戶的認(rèn)可，將其用于冶金、機(jī)械、石油、海洋、軍事等諸多領(lǐng)域中，均取得成功。
第三代數(shù)字液壓缸是將伺服閥、機(jī)械位置傳感器與油缸做成一個(gè)整體，油缸在移動(dòng)過程中，機(jī)械位置傳感器與數(shù)字伺服閥構(gòu)成自動(dòng)閉環(huán)控制，計(jì)算機(jī)或控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)與油缸的速度和位置構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，脈沖的頻率就是油缸的速度，脈沖的總數(shù)就是油缸的行程，精確對(duì)應(yīng)。從而將傳統(tǒng)液壓復(fù)雜的、通過電傳感器而實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制變成了簡(jiǎn)單的開環(huán)控制。
第三代數(shù)字缸的成功應(yīng)用，支撐了數(shù)字技術(shù)的深入研究和發(fā)展。但中國還有大量已在使用的各種傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)的主機(jī)，能否不做大的改動(dòng)，就將這些落后的液壓主機(jī)變成先進(jìn)的數(shù)字液壓主機(jī)?這一想法使我們確立了新的研究方向，在“數(shù)字液壓”全程數(shù)字化方向的指引下，又進(jìn)而研制成功分散的數(shù)字液壓系統(tǒng)，發(fā)明了油缸內(nèi)置數(shù)字傳感器、數(shù)字伺服閥、數(shù)字專用的數(shù)字控制器等等。
利用這一套數(shù)字液壓系統(tǒng)，原有的液壓主機(jī)無需任何改動(dòng)就能變成先進(jìn)的數(shù)字液壓主機(jī)。這種數(shù)字液壓系統(tǒng)由普通液壓缸+數(shù)字傳感器+數(shù)字伺服閥+數(shù)字控制器等構(gòu)成。它的控制原理與控制一體化數(shù)字缸一樣，仍然采用開環(huán)控制，沒有任何復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)。如此一來，就進(jìn)一步擴(kuò)大了數(shù)字液壓的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前我們已經(jīng)開發(fā)出了多種精度、多種行程、多種規(guī)格的整體式數(shù)字液壓缸，也相繼發(fā)明了油缸內(nèi)置數(shù)字傳感器、雙驅(qū)動(dòng)數(shù)字伺服閥、單驅(qū)動(dòng)數(shù)字伺服閥、大流量插裝數(shù)字伺服閥、數(shù)字油馬達(dá)、數(shù)字?jǐn)[動(dòng)馬達(dá)、數(shù)字變量泵、數(shù)字敏感伺服閥、數(shù)字敏感伺服缸、數(shù)字振動(dòng)缸、數(shù)字超高頻振動(dòng)缸、數(shù)字超長(zhǎng)行程多級(jí)缸等10多種核心液壓元件，基本覆蓋了傳統(tǒng)液壓的所有領(lǐng)域。由于這些元件加工簡(jiǎn)單、制造容易、性能優(yōu)良、使用可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜、通用性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)，獲得用戶的認(rèn)可。以下是已經(jīng)發(fā)明成功的部分?jǐn)?shù)字液壓系列元件：
數(shù)字液壓的應(yīng)用實(shí)例
一項(xiàng)發(fā)明是否先進(jìn)，必須經(jīng)過市場(chǎng)的嚴(yán)格檢驗(yàn)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字液壓也必須經(jīng)受應(yīng)用實(shí)踐的嚴(yán)格考核，才能證明它的先進(jìn)性和適用性。以下是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例：
(1)水電領(lǐng)域的筒形閥
在水電領(lǐng)域的水輪機(jī)發(fā)電裝置中，有一個(gè)關(guān)斷水流的設(shè)備叫筒形閥。這是一個(gè)8-10米直徑的圓筒，重達(dá)數(shù)十噸。圓筒中間是水輪機(jī)，外端是強(qiáng)大的水流，筒形閥升降要求響應(yīng)速度快，受控性好，是用來開關(guān)水流，實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)起、停的關(guān)鍵設(shè)備。筒形閥靠6只液壓缸高精度上下同步升降，升降高度一般是1米到2.6米，每缸之間的同步升降誤差要求很高。如果升降不同步，筒形閥就會(huì)卡在縫隙內(nèi)造成故障。筒形閥有很多優(yōu)點(diǎn)，但解決多油缸高精度同步是一大難題。水電行業(yè)長(zhǎng)期不能解決，只好引進(jìn)國外機(jī)械同步專利，但效果不好，只好成套購買國外液壓產(chǎn)品，但由于價(jià)錢昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)試麻煩，更主要的是效果也不好。
用戶只好尋找新的出路，與我們合作開展了數(shù)字液壓在水輪機(jī)上的應(yīng)用。2009年7月在30萬千瓦機(jī)組上一次投運(yùn)成功，所有指標(biāo)均處于先進(jìn)水平，且設(shè)備重量輕、調(diào)試時(shí)間短，價(jià)格便宜，精度高，控制簡(jiǎn)單，無故障運(yùn)行2年多后，2011年被鑒定為“全球首創(chuàng)”。目前已推廣應(yīng)用了17套，為用戶節(jié)省了約5000萬元的費(fèi)用。
除上面的典型應(yīng)用實(shí)例外，還用于航天系統(tǒng)的導(dǎo)彈發(fā)射裝置中的多自由度裝彈機(jī)構(gòu)、海軍六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、石油深井測(cè)量、海底地質(zhì)測(cè)量、冶金高爐控制、連鑄液壓振動(dòng)、蕪湖鑄管設(shè)備等等數(shù)十個(gè)項(xiàng)目均取得成功，解決了用戶的難題，得到用戶好評(píng)。尤其值得一提的是2014年1月16日媒體報(bào)道：“國產(chǎn)數(shù)控減搖鰭助力中國釣魚島亮劍”， 作為維權(quán)主力船之一的“中國海警2337”號(hào)首次用上了國產(chǎn)新型數(shù)控減搖鰭。該技術(shù)實(shí)際就是5年前我們提供給有關(guān)大學(xué)的機(jī)械反饋數(shù)字伺服閥的應(yīng)用實(shí)例。目前，有關(guān)方面又引進(jìn)了我們的一體化數(shù)字缸正擬用到艦船舵機(jī)的控制中，說明數(shù)字液壓技術(shù)已經(jīng)引起了包括海軍等多方面的重視。
四. 數(shù)字液壓的意義
液壓是工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是制造強(qiáng)國的必需。近20年來，世界傳統(tǒng)液壓技術(shù)沒有突破性的進(jìn)步，其發(fā)展幾乎走到了盡頭。
傳統(tǒng)液壓有個(gè)天生的缺陷，即不能與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)很好地結(jié)合，尤其是伺服元件結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，牽連領(lǐng)域太多，制造材料要求苛刻，制造難度太大，調(diào)試使用維護(hù)麻煩，售價(jià)之高讓用戶難以接受，大規(guī)模推廣困難。
而數(shù)字液壓與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)組網(wǎng)特別方便，又沒有特別需要高強(qiáng)度鑄件的要求，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用料一般，制造容易，抗污染能力強(qiáng)，成本低廉，調(diào)試方便，操控智能化，故障率低，維護(hù)容易，壽命較長(zhǎng)，控制精度、響應(yīng)速度及節(jié)能降耗等性能良好。突破了傳統(tǒng)高端液壓元件的設(shè)計(jì)障礙、材料障礙、工藝障礙、制造障礙。現(xiàn)有的數(shù)字液壓元件包括缸、泵、閥、油馬達(dá)、傳感器、控制器，幾乎覆蓋了傳統(tǒng)液壓的所有應(yīng)用領(lǐng)域，不但濃縮了液壓產(chǎn)業(yè)，而且擴(kuò)展了液壓的應(yīng)用領(lǐng)域。
數(shù)字液壓技術(shù)若能得到全面推廣，中國的高端重型裝備、高端工程機(jī)械、高端重型主機(jī)、高端軍事裝備、各種高端自動(dòng)化作業(yè)線將可全面升級(jí)，意義重大，影響深遠(yuǎn)。
- 本文出自愛液壓論壇