微型液壓技術(shù)發(fā)展概況

楊友勝，戰(zhàn) 凱

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，青島 266100；2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

液壓傳動(dòng)技術(shù)具有功率密度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無級(jí)調(diào)速穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等特點(diǎn)[1]，是三大動(dòng)力傳動(dòng)與控制技術(shù)之一，在礦山、鍛壓等重型機(jī)電設(shè)備中占有重要地位.然而，傳統(tǒng)液壓存在體積質(zhì)量大、污染環(huán)境、噪聲大、傳動(dòng)效率低等突出問題[2]，不適合海洋機(jī)電裝備、仿生機(jī)器人、裝備機(jī)械對(duì)其驅(qū)動(dòng)元件的輕量化、微型化、高效率、低能耗的嚴(yán)格要求.隨著鈦合金、高強(qiáng)度鋁材、高分子復(fù)合材料等出現(xiàn)，增材制造、電液集成化設(shè)計(jì)、先進(jìn)成形與連接以及傳感、測(cè)量和過程控制等先進(jìn)制造以及摩擦密封等技術(shù)發(fā)展的日趨成熟[3]，上述問題基本得到了解決，使得液壓元件的整體性能、質(zhì)量、可靠性、使用壽命也有了很大的提高，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[4].

材料學(xué)科的進(jìn)步為液壓元件的選材提供了更多的選擇，先進(jìn)制造的發(fā)展為液壓技術(shù)的微型化、高效率、高性能提供了技術(shù)保障，摩擦學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科的研究為微型液壓技術(shù)的發(fā)展提供了必要的學(xué)科基礎(chǔ)[5].液壓技術(shù)與現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，多學(xué)科交叉融合，移植先進(jìn)技術(shù)成果，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，對(duì)航天航空、機(jī)器人、海洋機(jī)電和石油裝備等領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用.目前，液壓技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中顯示出了無比的優(yōu)越性，成為國家工業(yè)發(fā)展中關(guān)鍵的支撐技術(shù)[6].

結(jié)合應(yīng)用需求，本文介紹了國內(nèi)外微型液壓元件、性能及其應(yīng)用，詳細(xì)闡述了液壓技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為微型液壓技術(shù)的發(fā)展提供參考.

1 微型液壓元件

1.1 國外

液壓元件是現(xiàn)代傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響機(jī)電產(chǎn)品和國防裝備的性能和發(fā)展.隨著材料科學(xué)與制造技術(shù)的進(jìn)步，液壓元件正在朝著微小型化、智能化、高壓化、高功率密度化、環(huán)境友好化方向發(fā)展.美國、德國、法國、意大利、日本、中國等國家相繼開展了微型液壓元件的基礎(chǔ)研究工作，目前已有部分研制成熟的微型液壓元件在市場(chǎng)上成功應(yīng)用[3,7].下面介紹目前國內(nèi)外在這方面的主要研究成果.

國外微型液壓元件研究時(shí)間早，政府扶持力度大，發(fā)展快，技術(shù)相對(duì)成熟，產(chǎn)品已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化型譜，在市場(chǎng)上占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位[8-9].

1.1.1 Fluid-O-Tech公司

意大利Fluid-O-Tech公司的MG系列外嚙合齒輪泵[10]，自吸式磁力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可形成完全密封泵腔，如圖1所示.外殼和內(nèi)部采用不銹鋼AISI 316L，可在各種腐蝕性介質(zhì)中工作，安全性能高.該泵質(zhì)量?jī)H380 g，最低排量0.3 mL/r，最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min，最高壓力1.5 MPa，能承受120 ℃的高溫流體且膨脹系數(shù)低.該泵具有無噪聲、無脈動(dòng)、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn).主要用于醫(yī)療及外科設(shè)備、噴墨打印機(jī)、潤滑冷卻系統(tǒng)和食品設(shè)備等.

1.1.2 Micropump公司

美國Micropump公司研制的GA系列外嚙合齒輪泵[11]為磁力驅(qū)動(dòng)，采用獨(dú)特的“Suction shoe”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示，在出口壓力的作用下，驅(qū)動(dòng)齒輪端面壓緊在“Suction shoe”結(jié)構(gòu)上，可自行彌補(bǔ)磨損，補(bǔ)償齒輪移位，能在高壓的工況下高效運(yùn)行并提高使用壽命.質(zhì)量?jī)H0.31 kg，最小排量0.017 5 mL/r，最高轉(zhuǎn)速5 500 r/min，最高壓力2.1 MPa，該系列泵可提供平穩(wěn)、無脈動(dòng)流量，在低流速下可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，也適用于高溫操作.主要應(yīng)用于航空和航天、生物、化工、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、食品和飲料等領(lǐng)域.

1.1.3 LEE公司

美國LEE公司的LHD系列微型電磁閥[12]，基于HDI(高密度內(nèi)層互連)平臺(tái)設(shè)計(jì)，有二端口(插入式和端面式)和三端口(插入式、端面式和端口式)2種系列.在額定電壓下，閥門將在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)液流換向.工作介質(zhì)為空氣、某些氣體以及溫和液體.該閥質(zhì)量不超過4.5 g，工作環(huán)境溫度為4～49 ℃，在工作壓差0.07 MPa時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為3～4 ms，額定功率為0.55～0.85 W，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、功耗低、壽命長(zhǎng)、內(nèi)部體積小、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).應(yīng)用于氧氣輸送系統(tǒng)、氣體分析設(shè)備、病人監(jiān)護(hù)儀、氣相色譜儀和透析機(jī)等設(shè)備.

Lee 250系列微型先導(dǎo)電磁閥(見圖3)，采用先導(dǎo)螺線管線圈，以及Lee獨(dú)有的專利Multi Seal技術(shù)，可在軸向和徑向上提供可靠的密封，消除O形圈和支撐環(huán)，并通過允許2個(gè)端口密封在同一中心線上，從而最大限度減小閥端口的尺寸.其質(zhì)量輕，僅64 g，功耗7.8 W(28 V電壓)，最高可用于35 MPa的液壓系統(tǒng).其可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、性能好、功耗低.應(yīng)用于航空航天液壓和燃油系統(tǒng)、石油勘探/生產(chǎn)、太空運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、高性能賽車等領(lǐng)域.

1.1.4 Moog公司

Moog公司[13]的E024系列伺服閥是在航空伺服閥的基礎(chǔ)上研發(fā)而成，有2種不同系列規(guī)格.結(jié)構(gòu)緊湊，采用雙增益反饋控制技術(shù).如圖4所示，當(dāng)滑閥響應(yīng)壓力差移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)反饋彈簧桿端部的球頭一起移動(dòng)，與銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)相反產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使擋板在兩噴嘴間的偏移量減少，實(shí)現(xiàn)力反饋.當(dāng)反饋彈簧桿、噴嘴作用于擋板的力矩，彈簧管的反力矩以及電磁力矩之間保持平衡時(shí)，滑閥便一直保持這一開度不再移動(dòng).通過這種反饋方式，可以改變線圈內(nèi)電流的大小，來精確控制輸出流量，能夠顯著提高關(guān)鍵系統(tǒng)的分辨率和響應(yīng).該閥質(zhì)量?jī)H92 g，工作壓力為14～28 MPa，低輸入信號(hào)為10 mA，流量范圍為0.3～7.5 L/min，響應(yīng)時(shí)間小于2.6 ms，能夠承受165 ℃的高溫環(huán)境，抗振能力強(qiáng)，具有可重復(fù)特性控制、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn).

E024閥已被應(yīng)用于波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的四足仿生機(jī)器人Bigdog、意大利理工研發(fā)的HyQ、雷神公司的軍用外骨骼Sarcos XOS2[14-15]，如圖5所示.安裝在機(jī)器人上的液壓執(zhí)行元件，借助E024電液伺服閥的調(diào)壓功能，獲取各肢體所需的動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)扭矩控制和平衡.此外，該閥廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的控制面驅(qū)動(dòng)、油氣勘探、賽車、醫(yī)療、海底設(shè)備等領(lǐng)域.

1.1.5 Takako公司

日本Takako公司[16]開發(fā)的TFH 系列微小型柱塞泵，采用軸向柱塞結(jié)構(gòu)，鋁制外殼，端面配流.缸體和配流盤之間采用球面閥板，具有自動(dòng)調(diào)心功能，提高了泵性能的穩(wěn)定性，在低速和高速情況下減少泄漏量，實(shí)現(xiàn)高效率，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)性好，適合于伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng).該泵質(zhì)量最輕為0.27 kg，最小排量為0.4 mL/r.有5種不同排量規(guī)格型號(hào)，其中最大排量6.3 mL/r，最高轉(zhuǎn)速2 000～3 000 r/min，最高工作壓力21 MPa，容積效率 95%以上.該泵具有自我調(diào)整能力強(qiáng)、可靠性高、抗污能力強(qiáng)等特點(diǎn).圖6為TFH微型泵與電機(jī)的典型應(yīng)用，采用一體化設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕、緊湊高效.廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線輸送設(shè)備、醫(yī)療器材、工業(yè)車輛、外骨骼機(jī)器人、踝足矯形器等場(chǎng)合.

1.1.6 JUNG-FLUID公司

德國JUNG-FLUID公司開發(fā)的IPZ系列內(nèi)嚙合微型齒輪泵[17]，采用VITON氟素橡膠密封圈，適宜輸送黏度10～500 mm2/s的非腐蝕性或非磨蝕型液體.有0、1、2共3種系列排量規(guī)格，可作為單泵或雙泵使用，如圖7所示，排量為0.06～2.30 mL/r，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)8 000 r/min，最高壓力為12 MPa，允許溫度范圍-30 ℃～70 ℃.具有精確度高、容積效率高、運(yùn)行安靜且平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、脈動(dòng)低(<4%)等特點(diǎn).

1.1.7 LEDUC公司

法國LEDUC公司PB系列[18]微型柱塞泵，采用軸向柱塞結(jié)構(gòu).最小排量為0.012 mL/r，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，最高峰值壓力35 MPa，其中一款型號(hào)(PB33HP)能達(dá)到100 MPa，共有14種排量規(guī)格.該泵能夠在極端溫度和環(huán)境條件下運(yùn)行，最高可承受200 ℃的工作溫度，吸油能力強(qiáng)，輸入轉(zhuǎn)矩隨泵出口壓力增大而增大.目前主要應(yīng)用于石油勘探、海洋調(diào)查、航空和航天、食品和便攜工具等領(lǐng)域.

LEDUC公司研發(fā)出MH450 DS微型液壓馬達(dá)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小.其質(zhì)量為0.7 kg，排量為0.46 mL/r，轉(zhuǎn)速為350～6 500 r/min，最高壓力40 MPa，最大工作溫度150 ℃.該馬達(dá)性能可靠，適用于輕工、電子、醫(yī)藥、石油化工，以及國防工業(yè)等領(lǐng)域.圖8為該公司的微型元器件的應(yīng)用案例.

1.1.8 BIERI公司

瑞士BIERI公司研發(fā)的AKP系列微型軸向柱塞泵[19]，如圖9所示，采用閥配流、動(dòng)斜盤式設(shè)計(jì)，雙向旋轉(zhuǎn)，并對(duì)滾動(dòng)軸承和吸氣閥進(jìn)行了優(yōu)化，提高了泵的可靠性，在工作過程中可實(shí)現(xiàn)自潤滑和冷卻.最小排量0.1 mL/r，最大0.36 mL/r.轉(zhuǎn)速范圍100～5 000 r/min，最高工作壓力 50 MPa.該泵具有高容積效率、高可靠性、高密封性、低噪聲的特點(diǎn)，特別適用于低流速或高轉(zhuǎn)速時(shí)需要提高整體效率的場(chǎng)合，如石油天然氣、海上測(cè)量裝備、便攜式動(dòng)力裝置和工具以及手術(shù)臺(tái)等輸送設(shè)備.

1.2 國內(nèi)

我國的液壓行業(yè)起步較晚，經(jīng)過60多年的努力，我國液壓元件制造已形成了一個(gè)門類比較齊全、具有自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的工業(yè)體系.通過技術(shù)引進(jìn)、改造、自主研發(fā)，產(chǎn)品水平有了很大提高，取得了很大的進(jìn)步，但相對(duì)于國外，仍處于落后狀態(tài).特別是微型液壓元件的研發(fā)，核心技術(shù)較少，產(chǎn)品沒有形成有效的競(jìng)爭(zhēng)力[20].

1.2.1 清華大學(xué)

國內(nèi)的清華大學(xué)在微小型葉片泵方面做了大量的研究，羅先武、劉樹紅等通過數(shù)值模擬的方法，研究了葉尖間隙、葉輪軸面流道形狀、長(zhǎng)短葉片、前蓋板等因素對(duì)徑向葉片式超小型泵水力性能的影響[21-23]，以及泵內(nèi)的黏性流動(dòng)[24]，并研制出一款動(dòng)壓懸浮式雙流動(dòng)泵，優(yōu)化了相關(guān)設(shè)計(jì)[25-26]；靳靈鈞等[27]研制了一款微型柱塞泵，外徑φ45 mm，長(zhǎng)100 mm，質(zhì)量(0.3±0.05)kg，額定出口壓力(7±1)MPa，工作溫度可達(dá)175 ℃，試驗(yàn)樣機(jī)反應(yīng)良好.該柱塞泵設(shè)計(jì)新穎，具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速高、壓力高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景.

1.2.2 中國海洋大學(xué)

中國海洋大學(xué)楊友勝等研制了一款微型水液壓內(nèi)嚙合球齒泵，所圖10所示.主要由前后端蓋、泵體、內(nèi)外轉(zhuǎn)子、月牙塊和轉(zhuǎn)軸等組成，有兩排球齒，該泵可實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動(dòng).其嚙合處按球齒排數(shù)分部開來，位于內(nèi)外轉(zhuǎn)子中間，液體從進(jìn)口運(yùn)送到出口存于轉(zhuǎn)子的中部，能有效避免該部分液體從軸向間隙泄漏，降低了泵的軸向間隙泄漏，能提高泵的容積效率.該泵理論排量為0.16 mL/r，額定壓力14 MPa，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，采用雙排球齒，容積效率≥80%，能夠克服水液壓泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自吸能力差、泄漏量大、易磨損等缺陷，適用于空間小、要求質(zhì)量輕的場(chǎng)合.

該水液壓內(nèi)嚙合球齒泵已被應(yīng)用于自行研制的水液壓浮力驅(qū)動(dòng)裝置，如圖11所示.工作性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，達(dá)到預(yù)期使用效果，市場(chǎng)前景廣闊.

中國海洋大學(xué)于2015年研制出一款微型旋轉(zhuǎn)式水液壓伺服閥[28-29]，如圖12所示，采用由微型電機(jī)直驅(qū)的旋轉(zhuǎn)式閥芯結(jié)構(gòu)，通過光電編碼器測(cè)定閥芯的角位移，用于電機(jī)的電壓控制來實(shí)現(xiàn)反饋.其額定工作壓力14 MPa，流量5 L/min，最大瞬時(shí)工作壓力21 MPa，閥口全開時(shí)，通過最大流量時(shí)壓力損失不大于額定壓力的10%(1.4 MPa)，最小穩(wěn)定控制流量 0.2 L/min，動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率大于100 Hz，額定工作壓力時(shí)，零位內(nèi)泄漏量小于額定流量的10%(0.5 L/min)，主要應(yīng)用于仿生機(jī)器人和水下機(jī)械手等.

中國海洋大學(xué)楊友勝等研制了一款微型海水先導(dǎo)式減壓閥，主要由主閥座、主閥芯、調(diào)節(jié)桿、先導(dǎo)閥彈簧等組成，如圖13所示.該閥的關(guān)鍵在于主閥座與主閥芯以及流體流回水箱的設(shè)計(jì)，在閥芯上開設(shè)均壓槽，一方面可減小閥的內(nèi)泄，另一方面可避免由于液體在流過閥芯與閥孔間隙時(shí)產(chǎn)生徑向不平衡力而導(dǎo)致的卡緊現(xiàn)象.主閥座與閥體之間互相配合打孔，使得先導(dǎo)閥腔可以順利回流到水箱，同時(shí)縮小整體體積.其額定壓力為14 MPa，額定流量2 L/min.該閥結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、輸出壓力穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，主要應(yīng)用于便攜式水下電液作業(yè)工具等場(chǎng)合.

1.2.3 海之力公司

貴陽海之力液壓有限公司[8,30]HYC-MP1F系列微型定量泵，雙向旋轉(zhuǎn).該泵設(shè)計(jì)時(shí)采用了球面配流，包含7個(gè)柱塞、波形彈簧及缸體末端斜孔等結(jié)構(gòu)，如圖14所示.球面配流結(jié)構(gòu)發(fā)揮自動(dòng)調(diào)心的功能，減小缸體傾斜角度，減少泄漏，保護(hù)柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了較高容積效率，并在保證油泵滿足工作性能要求前提下充分減小體積質(zhì)量.配流盤采用斜槽結(jié)構(gòu)，可減小油封帶與配流窗分布圓直徑，提高自吸能力，也降低滑動(dòng)摩擦功耗[31].其最小排量 0.36 mL/r，最高轉(zhuǎn)速8 000～12 000 r/min，壓力最高35 MPa，容積效率達(dá)93%以上.功率密度大，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出流量脈動(dòng)低，在高、中、低速運(yùn)行狀態(tài)下均具有良好性能.主要針對(duì)小型重載機(jī)器人(如外骨骼機(jī)器人)、航空航天、特種設(shè)備伺服控制系統(tǒng)等特殊應(yīng)用需求而研發(fā)，強(qiáng)調(diào)小型化和輕量化.

1.2.4 歐瑞克公司

南京歐瑞克公司的G200系列外嚙合微型齒輪泵[32]，通過直流有刷電機(jī)軸直接傳動(dòng)，靜密封，殼體采用鋁合金精密制造，如圖15所示.其排量0.3～1.6 mL/r，最高壓力0.5 MPa，共有4種不同型號(hào).具有小流量、低壓力、微型化等特點(diǎn).主要應(yīng)用于水凈化、冷卻潤滑、飲水機(jī)、制冰機(jī)、食品加工等.

1.2.5 索富公司

上海索富公司NP 系列外嚙合齒輪泵[33]，采用磁力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，具有高精度的陶瓷軸，結(jié)構(gòu)緊湊，齒輪泵與電機(jī)集成一體化，如圖16所示.該泵排量最低0.2 mL/r.最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4 000 r/min，最高壓力 1.5 MPa，工作溫度范圍-40～150 ℃.該泵耐腐蝕性能強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間干運(yùn)轉(zhuǎn)自吸，噪聲低，出口壓力無脈動(dòng)，具有超高的使用壽命和耐磨性，主要應(yīng)用于噴墨、水清洗、化工介質(zhì)輸送等領(lǐng)域.

1.2.6 博泰公司

無錫博泰公司的B2W101S0F球形微泵[34]原理如圖17所示.采用空間機(jī)構(gòu)使2個(gè)半球構(gòu)成的容腔發(fā)生周期性變化，是一種新型容積式泵[35]，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).該泵排量為0.07～10.00 mL/r，最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min，最高壓力 5 MPa，主要應(yīng)用于介質(zhì)輸送領(lǐng)域的清洗、海水淡化、細(xì)水霧滅火等場(chǎng)合.

1.3 國內(nèi)外液壓泵對(duì)比

通過以上綜述，將國內(nèi)外微型液壓泵性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示.可以看出國內(nèi)微型液壓泵技術(shù)發(fā)展迅速，與國外相比差距明顯減少，總體水平得到很大提升.目前發(fā)達(dá)國家正在大力開展數(shù)字化、智能化微型液壓元件的研究工作，但我國在該領(lǐng)域的科技競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)不足，提高我國的自主創(chuàng)新能力、掌控技術(shù)話語權(quán)仍有很長(zhǎng)的路要走.

表1 微型液壓泵性能參數(shù)對(duì)比

2 液壓技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

我國的裝備制造業(yè)正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整、改革創(chuàng)新的歷史性轉(zhuǎn)折，對(duì)液壓技術(shù)的要求更加嚴(yán)格，傳統(tǒng)液壓技術(shù)已經(jīng)不再適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展[36].隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排以及安全生產(chǎn)的日益重視，純水液壓技術(shù)成為現(xiàn)代液壓領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，使未來液壓技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)代水液壓技術(shù)的研究和應(yīng)用范疇.以水為介質(zhì)的純水液壓技術(shù)，其具有清潔、無污染、價(jià)格低廉、難燃性好等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用于冶金、采礦、醫(yī)藥、食品機(jī)械、電子、海洋開發(fā)等對(duì)環(huán)境污染要求嚴(yán)格的領(lǐng)域[37-38].

微型化是現(xiàn)代液壓技術(shù)研究的重要目標(biāo)之一，微型液壓元件的開發(fā)和應(yīng)用將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于我國液壓工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展具有極其重要意義.微型液壓技術(shù)具有體積小、質(zhì)量輕及動(dòng)力密度大等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以帶來很多傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單高效的方案，除了能在航天、深潛設(shè)備中應(yīng)用外，還能廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、石油鉆探采樣、機(jī)器人、便攜水下作業(yè)工具、便攜液壓動(dòng)力站等領(lǐng)域，具有十分光明的應(yīng)用前景[39-41].

3 應(yīng)用展望

3.1 仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動(dòng)

機(jī)器人技術(shù)是未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，正在從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域向醫(yī)療服務(wù)、減震救災(zāi)、娛樂教育、軍工等領(lǐng)域擴(kuò)展和開發(fā)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)具有重要意義.雖然機(jī)器人技術(shù)這些年發(fā)展迅速，但難以滿足高精度、高速、高智能化的作業(yè)要求[42-43].

液壓系統(tǒng)擁有的高功率/密度比、高帶寬、快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，在一定程度上彌補(bǔ)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺陷，已廣泛地運(yùn)用在仿生機(jī)器人領(lǐng)域[44].美國[45]研制出的一款液壓驅(qū)動(dòng)的四足仿生機(jī)器人BigDog，采用總泵加16個(gè)液壓執(zhí)行器的方案進(jìn)行控制力和扭矩輸出.挪威科技大學(xué)[46]研發(fā)的用于火災(zāi)撲救的蛇形機(jī)器人Anna Konda搭載20個(gè)液壓馬達(dá)，整體采用鉸鏈機(jī)構(gòu)，它的每個(gè)關(guān)節(jié)由2個(gè)雙作用水力液壓缸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其較高的靈敏性.山東大學(xué)[15,47]研制出液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人SCalf，采用單杠發(fā)動(dòng)機(jī)通過鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)變量柱塞泵，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)配合工作.

目前仿生機(jī)器人正在朝著多功能性、相似性、微型化和多變性的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的液壓技術(shù)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前機(jī)器人的需求，各國開始將目光轉(zhuǎn)向電動(dòng)靜液電液伺服作動(dòng)器(electro-hydrostatic actuator,EHA)的研究，將電機(jī)、泵、油箱和液壓缸進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，其具有體積小、節(jié)能效果明顯、液動(dòng)力大等特點(diǎn).新興EHA技術(shù)結(jié)合了液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，會(huì)極大推動(dòng)新一代機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展[48-49].

3.2 海洋機(jī)電

在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，現(xiàn)代化的海洋機(jī)電設(shè)備是開發(fā)和利用深海資源的重要技術(shù)手段[50].常見海洋機(jī)電裝備的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式有電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)2種[51]，其中液壓驅(qū)動(dòng)具有功率密度高、輸出力/力矩大、調(diào)速方便、工作平穩(wěn)、沖擊小、啟動(dòng)/制動(dòng)/換向快速、實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[52]，在海洋機(jī)電裝備，如深水鉆探設(shè)備、海底采油裝置、各種深潛器等方面應(yīng)用較為廣泛.

目前，深海作業(yè)設(shè)備是世界各國研究的熱點(diǎn)之一.國外，美國PERRY公司[53]研發(fā)了深海大于3 000 m級(jí)別的不同功率液壓泵的油壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).日本Komatsu, Ltd.[54]研制了采用海水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)機(jī)械手，該機(jī)械手的自由度為 7個(gè)，手部自由度11個(gè)，最大作用范圍1 m，它的各關(guān)節(jié)由海水液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，位置控制精度要比油液系統(tǒng)高.芬蘭[55]開發(fā)用于驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)工具水下機(jī)器人的自持式海水液壓水下動(dòng)力站，并設(shè)計(jì)出新型軸向柱塞式海水液壓泵及馬達(dá).國內(nèi)華中科技大學(xué)[56]針對(duì)4 500 m級(jí)深潛水器的要求，研制出超高壓浮力調(diào)節(jié)海水泵，在1 000 r/min時(shí)，空載流量為6.3 L/min，48 MPa時(shí)為5.7 L/min，總效率為81%.浙江大學(xué)[57]針對(duì)深海液壓系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，采用真空注油和高壓注油相結(jié)合的方法，配合過濾、除水、除氣等功能，設(shè)計(jì)出一套深海液壓系統(tǒng)專用注油裝置.中國海洋大學(xué)針對(duì)潛水器浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓泵工作壓力高，電機(jī)功率、艙體壁厚、體積及質(zhì)量大等問題，提出一種壓力補(bǔ)償式液壓浮力驅(qū)動(dòng)方案.此外，大連海事大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等也結(jié)合自己的優(yōu)勢(shì)相繼開展了海水或淡水液壓技術(shù)研究.

可以預(yù)計(jì)，隨著國家對(duì)海洋開發(fā)的重視，未來液壓技術(shù)應(yīng)用于深海作業(yè)工具的范疇將繼續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)海洋探索程度的加強(qiáng)對(duì)液壓技術(shù)也提出了更高更嚴(yán)格的要求.與油液壓系統(tǒng)不同，海水液壓系統(tǒng)在深海應(yīng)用一般采用開式系統(tǒng)，直接從海洋中獲取介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率高、無污染、維護(hù)方便，工作性能更加可靠.正是具有以上優(yōu)越性，海水液壓技術(shù)成為當(dāng)今國際上深海裝備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的重要發(fā)展方向[50,58].

3.3 石油裝備

隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展和能源消耗的不斷擴(kuò)大，石油的需求量大幅度增加，現(xiàn)已成為各國爭(zhēng)相開發(fā)和儲(chǔ)存的重要戰(zhàn)略資源.近年來，我國加快石油鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)，液壓技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，如伸縮式井下牽引器的液壓控制技術(shù)、液壓式防噴自動(dòng)控制技術(shù)和液壓聯(lián)動(dòng)式隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)等已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是在滿足井下石油鉆采作業(yè)強(qiáng)度、工作效率和可靠性等方面仍存在一些問題和不足[59].

目前，國內(nèi)外已建立起石油裝備設(shè)計(jì)理論和方法，通過交流變頻、液壓驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的交叉結(jié)合，進(jìn)一步提高石油鉆機(jī)的整體設(shè)計(jì)和制造水平，擴(kuò)大作業(yè)范圍，增加了鉆井工作的可靠性.加拿大Tesco公司的新型套管石油鉆機(jī)以及HMIS 475型液壓頂驅(qū)、美國Baker Hughes公司的HR型液壓式擴(kuò)孔器、挪威Aker Mari-time公司的新型多液缸石油鉆機(jī)、德國Wirth公司的液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、意大利Drillmec公司推出的HH系列全液壓鉆機(jī)，我國的F-2200HL新型三缸鉆井泵為典型的石油液壓裝備代表[59-60].

從國內(nèi)外的石油裝備發(fā)展趨勢(shì)來看，液壓驅(qū)動(dòng)不僅極大地簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、減小質(zhì)量和體積，也可與機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)一步提高石油裝備的機(jī)械化、自動(dòng)化水平[61].當(dāng)前我國石油裝備領(lǐng)域取得了很好的成就，但自主研發(fā)創(chuàng)新能力較低、先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，所面臨的問題十分嚴(yán)峻.因此我國在完善現(xiàn)有技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)以全液壓驅(qū)動(dòng)為重點(diǎn)，朝著信息化、智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，提高我國鉆井技術(shù)的國際競(jìng)爭(zhēng)力[62].

3.4 醫(yī)藥器械

近年來微型液壓技術(shù)與微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)相結(jié)合，成功研制出微泵、微閥等高精尖產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療供藥系統(tǒng)、DNA合成系統(tǒng)、生化分析、臨床檢測(cè)等領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[63].

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)醫(yī)用微型醫(yī)療器械研究較為廣泛，成果顯著.美國Netuka等[64]設(shè)計(jì)全磁懸浮左心室輔助系統(tǒng)來為晚期心力衰竭患者提供治療.離心式微型流量泵采用磁懸浮轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)用以提供脈沖來增強(qiáng)血液相容性.伊朗德黑蘭大學(xué)的Tahmasebipour等[65]設(shè)計(jì)出新型單、雙向電磁無閥微泵，主要應(yīng)用于藥物輸送系統(tǒng).該泵采用PDMS-Fe3O4納米復(fù)合材料，在0.1 Hz頻率下最大流量為1.25 μL/min，通過試驗(yàn)研究了影響該微型泵性能的主要參數(shù).日本的Tanaka等[66]研制出一種微型流體驅(qū)動(dòng)集成裝置，將自組織過程構(gòu)建的3D心肌細(xì)胞橋接結(jié)構(gòu)進(jìn)行泵輸送.國內(nèi)清華大學(xué)[67]研制出面向航天醫(yī)學(xué)應(yīng)用的體液預(yù)處理芯片及儀器，集成了驅(qū)動(dòng)液體和控制流路的微泵微閥，實(shí)現(xiàn)了從預(yù)處理到輸出樣品整個(gè)過程的自動(dòng)操作，滿足航天環(huán)境強(qiáng)度要求.四川大學(xué)金恒林等[68]設(shè)計(jì)一種新型的仿生左心室輔助血泵，采用液壓驅(qū)動(dòng)彈性隔膜結(jié)構(gòu)，具有供血平穩(wěn)、性能可靠、防止血栓等特點(diǎn).江蘇大學(xué)何秀華等[69]設(shè)計(jì)一種基于合成射流壓電激勵(lì)器的微泵結(jié)構(gòu)，并提出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法，用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了該方法的可行性.

微流控技術(shù)是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、生物藥學(xué)等領(lǐng)域[70].我國應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，以微型泵、閥等元件研究為基礎(chǔ)，逐步發(fā)展微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從理論到實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)我國在該領(lǐng)域的彎道超車[63,71].

4 結(jié)論

液壓技術(shù)經(jīng)過多年的快速發(fā)展，正在朝著智能化、綠色化、微型化趨勢(shì)發(fā)展，現(xiàn)已成為一種關(guān)鍵的工業(yè)支撐技術(shù)，在我國機(jī)械制造業(yè)和國防事業(yè)發(fā)展占據(jù)重要地位.隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略的實(shí)施，流體傳動(dòng)與控制的相關(guān)技術(shù)受到了各領(lǐng)域高度重視，進(jìn)一步推動(dòng)液壓技術(shù)的發(fā)展，加快我國集成化液壓元件、系統(tǒng)的突破，對(duì)工業(yè)制造的升級(jí)換代，搶占未來科技發(fā)展制高點(diǎn)，提升我國競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)具有重大的戰(zhàn)略意義.