现代水压传动技术经过近20 年的发展，因水的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高、易腐蚀等缺点而导致的阻碍水压传动技术发展的一些关键基础技术问题，如腐蚀、气蚀、泄漏、摩擦磨损、水击、水质污染、绝缘等已经得到有效解决，水压传动技术由以海水为工作介质应用于海洋水下作业机器人发展到目前以自来水为工作介质应用于焊接机器人、水力加工、食品、锻压、垃圾装运、清扫、水压举升、核动力、轧钢、冶金、矿业等装备上，水压传动技术得到了迅速发展和推广。随着水压传动技术的进一步丰富和完善以及应用领域的不断拓展，人们对水压传动系统的功能要求越来越强，控制的精度要求越来越高，将电液伺服控制技术应用于水压传动系统,建立和发展与水压传动系统相适应的水压伺服控制元件及控制技术已成为水压传动技术发展过程中必不可少的组成部分，也是当前国际水压传动与控制技术领域的一个重要学科前沿。目前，国际上只有日本等极少数国家在水压伺服控制阀设计、制造、特性研究及控制系统开发等方面开展了一系列研究工作，并成功应用于海洋水下作业工具和灭火机器人系统上。

1、发展历史与现状

为了适应海洋环境，提高水下作业的效率和灵活性，满足大深度水下作业的需要，美国在20世纪60年代就有直接以海水作为液压系统工作介质驱动水下作业机器人的设想，并率先开始海水液压传动技术的研究，成为现代水压传动技术发展的开端。自20世纪80年代初开始水压传动技术研究以来，通过选用新型工程材料、适宜的表面改性技术及合理的结构设计，国外一些发达国家如美国、日本、英国、丹麦、德国、芬兰等已研制和开发出一些水压控制阀产品，其性能已达到或接近同类油压控制阀产品的性能，并在一些工业生产中得到推广应用。但在水压伺服控制技术研究和应用方面，目前只有日本等极少数国家针对一些关键技术问题开展了较为系统和深入的研究，取得了一些研究成果。

日本三菱重工、小松制作所、荏原综合研究所以及神奈川大学、横浜国立大学等都是较早开展水压伺服控制技术研究和开发的单位。三菱重工业(株)高砂研究所的Takeo Oomichi和Akio Tanaka在充分考虑水的理化性能及驱动特性后研制出一种新型水压伺服控制阀及性能实验系统。伺服阀采用伺服电机驱动滚珠丝杠取代原来的电磁力矩马达驱动喷嘴- 挡板阀系统来直接推动功率级滑阀阀芯的移动，从而实现对流量的控制；功率级滑阀采用两个正重叠阀口串联的结构形式，大大减少了流量的泄漏，如图1 所示。伺服阀的工作压力21MPa,流量100L /min，阀内泄漏量小于1L/min，工作频率超过30Hz，寿命超过2000h，具有良好的动态响应特性和较长的使用寿命，其性能已经达到或超过传统油压伺服控制阀的性能。

2、新技术的应用

随着电液伺服阀向高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰方向发展以及现代工业如精密位置控制、航空航天、海洋作业和军事装备等领域对超高速电液伺服阀的需求，传统的力(矩) 马达转换器工作频宽已很难满足要求，研究和开发具有新型驱动技术和新型驱动结构的电液伺服阀已成为电液伺服控制技术发展的前沿课题，也是水压伺服控制技术研究的关键技术。

随着先进制造技术、现代设计技术和微电子技术的发展以及新型功能材料的应用，研究和开发具有高频响应的电液伺服阀成为现实，出现了以新型功能材料为基础的新型驱动器技术和以创新结构设计为基础的新型驱动结构，奠定了现代电液伺服控制技术发展的基础。其中，以新型功能材料为基础的电液伺服阀驱动及控制技术是目前提高电液伺服阀整体性能的主要技术手段，也是当前研究的热点和焦点。目前，已获得应用的新型功能材料主要有压电陶瓷材料( PZT) 、电致伸缩材料( PMN ) 、超磁致伸缩材料(GMM ) 、形状记忆合金( SMA ) 、电流变流体( ERF) 等，它们都具有高频响、高精度及大输出力等优异性能，在流体控制元件上都有一定的研究和应用报道 。其中，PZT和PMN都是电介质，在一定电场作用下都能产生轴向机械应变，应变大小均与外加电场有关，但PZT存在严重的磁滞现象，应用于伺服阀时主要以PMN为主。SMA是通过采用通电加热和强制冷却的方法来驱动执行器运动，虽然变形量较大，但响应速度较慢，变形不连续，从而其应用范围。ERF是直接通过电场来改变ERF的粘度来实现无移动件驱动，响应快，稳定性好，但目前的ERF的性能还不能完全满足工程应用的要求，在伺服阀上的应用还仅处于研究和探讨阶段。目前，在电液伺服阀上研究和应用比较多的是压电陶瓷( PZT) 、电致伸缩材料( PMN) 和超磁致伸缩材料( GMM) ,它们都有着比较成熟和广泛的报道。特别是GMM还具有压磁效应- 逆磁致伸缩效应，可以做成传感器。将传感和致动功能通过计算机有机的结合起来，可制成具有传感和执行功能的自传感驱动器，以达到无传感器闭环控制和同位控制、提高系统响应速度和控制精度、增强系统可靠性、简化系统和降低成本等目的，是目前智能材料和结构领域致力发展的一个新方向。

实践证明，基于新型功能材料的电液伺服阀可大大提高液压伺服系统的整体性能。在水压伺服控制阀设计、研究和开发过程中，直接应用新型的驱动技术和新型的结构设计，可以缩短技术开发的进程，加快现代水压伺服控制技术发展的步伐，以适应当前及今后现代工业技术发展的需求。由于PNT和PMN 转换器的输出位移小、工作电压高、电绝缘性能要求高，加之材料本身的居里点温度低及易产生漂移和磁滞现象，在应用于水压伺服控制阀的研究与开发时具有一定的局限性。新型功能材料GMM转换器具有高频响、高精度、大输出力等优异性能，特别是GMM转换器还具有非接触式驱动、结构相对简单和易于微型化等特点及其自传感驱动特性，更适合于水压伺服控制阀的研制与开发，但在应用过程中，尚存在热变形抑制、微位移放大、非线性补偿和轴向预压力施加以及磁路、线圈、转换器内部及转换器与伺服阀间的相关参数匹配、优化和伺服阀内部反馈等关键技术问题，需要通过系统研究加以解决。

3、应用前景

目前，全世界只有近20个企业生产水压元件及系统，水压产品所占的市场份额还不足整个液压元件市场的5%。但由于环保、安全及可持续发展的要求，在一些对安全、清洁、环保要求较高的行业，如食品加工、制药、化学工业、造纸、钢铁、核能工业、消防工程、航运及海洋工程、地质钻探、环卫工业等特殊领域，水压传动技术具有油压所无法比拟的竞争力，已开始引起人们的广泛重视，并得到应用。因此，随着水压传动技术的普及推广，人们对水压传动系统的性能要求会越来越高，研究和开发具有高频响、高可靠性和高精度的水压伺服控制元件及控制技术以实现液压参数的遥控和闭环控制是今后水压传动与控制技术发展的必然趋势。

由于海水液压传动技术与海洋环境相容、无环境污染、安全、操作简单、性能稳定，在海洋环境条件下具有独特使用优势，在水下作业、海洋资源调查、海洋石油勘探与开发、海上救捞、海洋波能利用、盐业工程、船舶工程、海洋平台建设等海洋工程领域具有极其广阔的应用前景。特别是随着海洋作业深度的增加、海底矿产资源勘探开发进程的加快及深潜技术的发展，加之深海海洋环境复杂，高压、黑暗、海底暗流、海水腐蚀以及海洋生物侵扰等恶劣的海洋条件给海洋水下作业工具的性能提出了更高的要求，积极研究与开发海水液压伺服控制元件及控制技术是实现高性能和高可靠性水下作业机器人的关键技术，能够大大提升水下作业工具的性能，增加作业的深度及作业的灵活性、准确性、安全性和可靠性，提高作业效率。

在核能开发和利用过程中，核反应堆和冷却池的日常运行及一些非正常作业都是由功率较大的液压驱动机器人操纵一些放射性的元件来完成。随着核能的和平利用及核能工业的发展，作业灵活、安全、可靠的水压伺服驱动机器人将具有更独特的应用前景。此外，由于水压伺服控制技术的高频响应、高精度以及较强的抗干扰特性，在钢材轧制和塑料加工等需要精密成型以及在焊接机器人、工业机器人、电子封装及自动装配等需要精密定位和高速控制的领域也具有十分广阔的发展和应用前景。

4、结束语

水压伺服控制技术发展的关键就是研制开发与水的理化性能相适应的具有良好控制特性的高可靠性、长寿命的水压伺服控制阀及控制技术，涉及材料科学、表面工程技术、现代设计方法、先进制造技术、驱动技术、微电子技术、传感技术以及计算机控制技术等学科领域，其性能的优劣将直接影响水压伺服控制技术的普及和推广。因此，通过采用新型驱动技术及适宜的控制技术、选用合理的工程材料及表面改性技术以及结构的再设计技术，建立相应的研究和实验条件，开展相关的设计、制造、模拟仿真及实验和应用研究，逐步建立和完善水压伺服控制理论和技术，形成水压伺服控制技术研究的基础条件，对今后研制和生产不同规格和性能的水压伺服控制元件，建立相应的设计、制造、实验和应用的技术标准和规范，产生积极的推动作用。同时，对拓展水压传动技术的应用领域，加快水压传动技术发展的进程，促进水压传动技术的普及和推广，也将起着非常重要的作用。