流體傳動與控制技術如何贏得未來
流體傳動與控制技術如何贏得未來
——訪上海交通大學流體動力控制方向負責人 施光林博士
作為中國液壓氣動密封件工業協會專家委員會委員，施光林是在液壓氣動和控制領域積累了深厚理論和實踐經驗的專家，同時他非常關注前沿技術，在節能、數字化、遠程控制、混合驅動控制等方面均有成功的科研項目，並實現了產學研結合，是一位非常接地氣的應用型專家。他用的智慧和經驗，在實踐中不斷激發創新靈感，為眾多行業企業帶來了新產品和新技術。
從高中開始，施光林就對帕斯卡原理產生了濃厚的興趣，高考時毅然選擇了液壓專業，堅持從事該領域的科研和教學工作至今，矢志不移。
施光林擔任上海交通大學機電控制與物流裝備研究所流體動力控制方向負責人已有多年。該所前身為機電控制研究所，隸屬於上海交通大學機械與動力工程學院，是國內大學最早開展液（氣）壓傳動與控制的教學與研究機構之一。施光林及其團隊主要從事新型液壓元件和電（氣）液伺服/比例/數字控制系統研究，尤其在數字配流液壓馬達及液壓泵的研究方面頗有建樹。近年來，作為項目負責人的科研項目近40多項，其中包括：國家自然科學基金項目2項（項目名稱：數字配流與調速式低速大扭矩液壓馬達的機理與特性研究，項目號：50775137；項目名稱：隨機低轉速驅動的數字配流徑向柱塞恆流量泵的關鍵問題研究，項目號：51475285），以及多項國際合作項目和橫向合作項目。
流體傳動與控制技術如何贏得未來？相信施光林能給大家帶來有指導意義的見解。
對流體動力專業的本能熱愛
1980年，施光林從家鄉安徽銅陵市考入甘肅工業大學（現為蘭州理工大學），學習液壓專業。從高中接觸帕斯卡原理開始，他就對其深感興趣，所以高考填志願時，他填報了液壓專業。1984年，他本科畢業後服從分配留校從事教學工作，併兼任過學生輔導員和班主任；1990年考取了本校的碩士研究生，師從液壓界知名專家王明智教授；1994年考入西安交通大學攻讀博士學位，師從液壓行業知名專家史維祥教授；1998年來到上海交通大學機械工程博士後流動站從事博士後研究，聯繫導師為液壓界知名學者鍾廷修教授；2000年正式在上海交通大學任教至今。
施光林作為上海交通大學機電控制與物流裝備研究所流體動力控制研究方向的負責人及博士生導師，作為第一作者和第二作者共發表學術論文近90篇（包括國際會議論文27篇，SCI收錄9篇、EI收錄25篇、ISTP收錄6篇）；編著書1本；發明專利9項；軟體著作權登記4項。
用勤勞和智慧不斷挑戰自我
依託上海交通大學機電控制與物流裝備研究所流體動力控制實驗室，施光林帶領團隊近20位教師、博士研究生、碩士研究生，近年來完成了許多具有技術突破的科研項目，其中產學研合作項目可觀。以下為一些典型科研項目：
◆ARJ21飛機發動機1:1反推載入地面模擬系統：2007年成功研發了該反推載入地面模擬系統，主要涉及液壓控制整體方案設計、液壓控制系統的硬體開發及相應控制演算法與軟體的開發。該系統採用典型的電液伺服控制技術和雙通道同步載入方式，成功實現了左右反推載入地面模擬裝置按照既定載入曲線實現同步高精度載入的要求。這套系統至今仍在使用。
◆C919飛機起落架冗餘控制系統：該項目完全是自主創新，設計中有很多特有技術，並且成功地通過了項目驗收，為C919飛機起落架控制系統的設計奠定了理論基礎。
◆數字配流與調速型擺線液壓馬達：該項目與鎮江大力液壓馬達股份有限公司合作研發，並聯合申請了國家「十二五」科技成果轉化項目，得到國家1200萬元人民幣的專項經費支持。這種新型的擺線液壓馬達在進行數字配流的同時還實現了轉速的調節，既可以用作執行元件又可以用作控制元件。該項目已於2016年8月正式通過國家驗收。
◆數字配流恆流量調節型低速液壓泵（國家自然科學基金項目）：普通液壓泵的轉速很高，不適用於某些低速負載的要求，比如風能和海洋潛流能等的應用中,風力機和水輪機的旋轉軸的轉速不高，一般工作轉速在20～60r/min，不大於100r/min，尤其轉速還是隨機多變的。因此，開發一種適用於隨機低轉速輸入下的數字配流且恆流量輸出的低速液壓泵具有工程應用價值。目前，在國家自然科學基金項目的支助下，施光林帶領團隊正在進行相關的理論研究和數字配流恆流量調節型低速徑向柱塞泵、數字配流恆流量調節型低速軸向柱塞泵的樣機研究。
數字配流徑向柱塞液壓馬達、泵
◆液壓打樁錘：兩年多來一直與江蘇巨威機械有限公司合作研發節能、環保、低雜訊、低排放，替代傳統的柴油打樁錘的新型液壓錘，以滿足替代進口產品及海洋施工、陸地施工的需要。施光林團隊主要負責總體方案的設計、液壓控制系統的設計以及控制演算法及軟體的開發等。目前，120kJ液壓打樁錘樣機已於2018年春節前完成研製與調試，正在總體優化中；另外，800kJ差動液壓打樁錘也已設計和加工完畢，2018年5月底前將完成樣機的聯合調試和後續的產品優化。
◆高壓三螺桿液壓泵：近年來與黃山工業泵製造有限公司合作研發一種額定壓力20MPa，輸出流量100L/min，雜訊在60分貝的單導程高壓三螺桿液壓泵，以彌補螺桿泵作為動力式泵時壓力不夠高、容積效率低的缺憾。為了這款泵的順利研發，兩年前還與黃山工業泵製造有限公司合作研發了國內第一個螺桿泵高壓試驗台，試驗壓力可高達31.5MPa。
◆高效節能型液壓動力裝置：針對多負載且變負載的工作需求，在國家04專項的支助下，正在開展「面向負載的高效節能型液壓動力裝置」的研究工作，主要就是要突破原有的多負載液壓系統「一台大泵配一台電機加多個減壓閥」的傳統結構，改用若干個伺服電機或變頻電機驅動小泵的結構形式，對應多變負載的不同需求，依據控制演算法由計算機對新型液壓動力裝置進行智能調配，並通過改變伺服電機或變頻電機的轉速，直接改變液壓泵的輸出流量，以滿足多變負載對壓力與速度的不同需求，而不再需要流量控制閥且系統所配置的溢流閥處於安全閥工況，系統沒有溢流損失和節流損失，達到高效節能的目的。
◆智能型主動潤滑系統：機械設備中的潤滑系統的潤滑方式一般都是被動式的，即採用定時定量供應潤滑油，並不考慮系統是否真的需要潤滑或潤滑是否充分，因此極有可能造成潤滑油的浪費或潤滑不足。面對這種現狀，在國家04專項的支助下，提出了智能型主動潤滑的概念，並開展智能型主動潤滑系統的研究。即通過在潤滑點增加適當的壓力感測器、溫度感測器等在線感知潤滑點當前的潤滑狀態，基於所構建的潤滑失效評價模型，智能控制潤滑系統對待潤滑的各個潤滑點進行實時精確的主動潤滑。
聚焦數字液壓技術
從以上典型科研項目中可以看出，施光林圍繞低速泵和低速液壓馬達的數字配流技術開展了多年的研究，並成功獲得了兩個國家自然科學基金項目的支助。
近年來，有關數字液壓受到行業人士的關注，關於數字液壓的定義也在圈內引發討論。施光林對數字液壓也有自己的理解。
早在20世紀70年代末、80年代初，中國高校的一些液壓教科書就提到過液壓伺服控制和數字控制技術，作為產品，最早是當時數控機床上用的電液脈衝馬達，提到的數字控制技術大多是指脈衝式步進液壓缸。現在經常提到的數字液壓缸，其原理就是通過步進電機或伺服電機驅動控制閥芯轉動或直線運動，而反饋機構一般集成在液壓缸的活塞裡面，以實現閉環控制。
1998年，施光林的博士後研究課題就是有關柴油機高壓燃油電子噴射系統中的高速電磁開關閥，從那時起他的研究興趣就一直跟數字液壓技術有關。柴油機高壓燃油電子噴射系統採用高速電磁開關閥（亦稱數字閥）控制，即將傳統的機械控制式噴油方式改為時間控制式噴流方式，不僅增大了控制的靈活性，而且大大提高了柴油機的動力性能和降低了排放污染。考慮到國內那時還不具備開發高速電磁開關閥的基礎條件，產業鏈不健全，尤其是稀土材料不過關等因素，施光林中斷了高速電磁開關閥的產品研發，但在基於高速電磁開關閥的系統應用及低速泵和液壓馬達的數字配流技術方面的研究仍在不斷進行中。
數字液壓閥實際包括兩大類，一類通過步進電機驅動，輸入的控制信號是1、0數字信號，從這個意義上，可以稱之為數字液壓閥，然而此類閥的閥口開度是呈連續變化的；另一類不用步進電機驅動，而是採用電磁鐵驅動並進行脈衝寬度調製（PWM）控制，控制信號也是1、0數字信號，閥口卻為全開或全閉狀態，因此也被稱為數字液壓閥。
數字液壓閥的控制精度不可能達到電液伺服閥的控制精度，因為目前國內數字液壓閥的製造還有難度，而且數字液壓閥是脈衝控制，控制流量是呈台階式的，不像電液比例閥、電液伺服閥那樣，輸出流量是一條曲線或一條直線。但是數字液壓閥也可以實現計算機遠程控制，而且可靠性高，特別是高速電磁開關閥的閥口是全開/全閉型，抗污染能力強，非常適合工況惡劣、連續工作時間長的移動機械。
未來工程機械需要精確化控制，位置精度一定要有，但不是非常高，普通的開關控制閥肯定不行，數字液壓元件、比例液壓元件、伺服液壓元件都在可選範圍內，但是，電液比例閥、電液伺服閥的成本高，而且抗污染能力差，因此數字液壓閥就成為最佳選擇。但是在高精度控制要求的領域，電液比例閥、電液伺服閥仍是優選。數字液壓閥的價格一般只需人民幣幾百元或千元，而高性能進口電液伺服閥每隻要高達人民幣萬元甚至十幾萬元。然而，目前國產工程機械幾乎還沒有配套的數字液壓閥，只是一小部分用了數字開關閥。
把數字液壓閥用到液壓泵上改造後，就稱為數字液壓泵。傳統液壓泵一般採用機械配流，即用配流盤或配油軸，但結構複雜，加工工藝要求高。也有的液壓泵採用單向閥配流，即稱為閥配流泵。數字配流液壓泵也是一種數字液壓泵，是採用多個高速電磁開關閥，依據液壓泵的配流規律，通過計算機控制高速電磁開關閥的通斷，以實現液壓泵的配流關係。數字配流液壓泵不再採用機械配流方式，配流機構大為簡化，加工工藝要求降低，成本亦就降低了。數字液壓泵的核心部件和控制部件就是數字液壓閥。
近年來在北歐幾個國家，每年都會召開一次「數字流體動力研討會」，例如，2016年就在芬蘭的坦佩雷理工大學（Tampere University of Technology）召開了「第八屆數字流體動力研討會（The 8th Workshop on Digital Fluid Power）」，2017年則在丹麥的奧爾堡大學（Aalborg University）召開了「第九屆數字流體動力研討會（The 9th Workshop on Digital Fluid Power）」。每次都有來自全球十多個國家的學者們聚集在一起探討與交流液壓與氣動領域的數字控制技術的基礎理論、應用與發展。
聚焦遠程控制技術
流體傳動技術的基礎理論已經研究得比較透徹了，如何守住流體傳動與控制技術這塊陣地，關鍵是要積極地與其他新興技術結合，並準確找到新的應用領域。節能和數字液壓將是未來流體傳動技術發展的大方向，這也是施光林的主要科研方向，即如何將流體傳動技術應用到更多領域，實現節能和數字化。
施光林提議，除了節能和數字化，無線遠程控制也是行業人士必須關注的技術。遠程控制是未來工業發展的趨勢，如工程機械和農業機械等都要應用遠程控制，實現無人駕駛和操控。過去液壓專業涉及的控制，大多是電液伺服系統自身的控制，現在提到的控制是要讓元件、系統與負載結合，實現遠程、高效、精確控制。
遠程控制技術已經到來，而且普及速度很快，一定要引起注意，否則產品就會落後，甚至被淘汰，又重蹈技術引進的覆轍。建議行業企業從元件開發到系統控制，都要做好結合無線遠程控制的準備。比如要讓液壓系統具備無線遠程控制功能，其對應的液壓元件，包括驅動器，都要帶無線遠程控制功能介面，然而國內大部分液壓製造企業都沒做好此類技術儲備。
還有一個需要關注的技術就是光控技術，主要是應用光控技術的液壓伺服元件。光控技術的優勢是抗干擾能力強，傳輸速度快，適用於控制多負載、多驅動單元，避免系統驅動單元間產生相互干擾。
2013年，施光林指導一位碩士研究生開展了「基於Internet的電液位置控制系統」的課題，研究的是控制指令不由計算機直接發給控制器，而是在網路上走一圈後再發給控制器，在此過程中數據是否有延遲或丟包，延遲和丟包是遠程控制的兩大難題，尤其是快速運動控制系統。這個課題研究的重點就是有關延遲和丟包問題的預測和補救措施。
2017年10月起，施光林所負責的「上海交通大學——金華市金東區機電技術聯合研發基地」，正在圍繞一種室內小轎車停車庫的智能搬運低底盤作業車「移動機器人」進行技術攻關。該移動機器人採用智能路徑規劃與操作、自充電、遠程控制與故障自診斷等技術，而執行機構採用液壓驅動與伺服電機驅動的混合驅動技術，以實現小轎車的整體舉升、搬運和入位操作。
目前，遠程控制技術的研究主要集中高校和研究院所。國外有幾家流體傳動知名公司的控制技術水平較高，比如美國穆格公司、德國費斯托公司等，國內企業開展這方面的研究與產品開發的還較少。
從未放棄氣動技術
從本科開始，施光林的專業學科內容就包括液壓和氣動，而且他本人也從未放棄氣動技術研究，主要研究氣動控制系統。
上海交通大學的SMC技術中心就是由施光林牽頭籌備創建的，2002年正式建成，由施光林擔任負責人。2002年8月以後，因他本人去美國密西根大學做高級訪問學者，便不再負責SMC技術中心的事務。之後，施光林所在團隊與德國費斯托公司在氣動技術領域開展了較長時間的合作。如費斯托公司贈送給施光林所在團隊的實驗室4根3.6m國內最長的氣動人工肌肉，藉此，施光林所在團隊成功研製了國內第一個基於氣動人工肌肉的三自由度飛行模擬器，後來還研發了基於氣動數字閥和氣動比例閥控制的氣動機械手，主要應用在定位精度要求不高的農業領域。
在上海PTC ASIA展會的「高新技術展區」，上海交通大學每次都有科研成果展出，2017年展出的是一款氣-電複合驅動執行器，這也是施光林近期的一項重要科研成果。該產品結合了步進電機（或伺服電機）驅動的高精度和氣缸驅動的快速性優點，通過結構的合理設計，在不損失氣缸和電機各自優良性能的前提下，實現了利用這種複合驅動的新型執行器，實現了在氣缸驅動下被控對象的長空載行程的高速驅動，並在設置的合理位置自動轉換為步進電機（或伺服電機）驅動下被控對象的短行程載入的高精度驅動。這個產品設計的靈感就來自實際應用中對負載的需求，比如很多生產線都要用到起步高速、後期高精度的傳動件。
在PTC ASIA展會「高新技術展區」展出的氣動採摘機器人
氣動技術更貼近控制技術
費斯托公司是氣動技術引領者，從這家公司的產品結構變化可以看到氣動技術未來發展方向。費斯托公司已經從傳統氣動元件向控制技術轉型，研發尖端產品，比如人工智慧、仿生機械，元器件方面最成功的就是閥島控制器，同時在具備全系列控制產品的基礎上，不斷提升系統集成水平。施光林所在團隊曾在費斯托公司的支助下研發柔性多自由機械手。
受一家奉化氣動企業的委託，施光林所在團隊也研發過一款氣動閥島，開發好原理樣機後就轉移給企業了，同時還留了一套在實驗室，供研究生們學習時參考。
縱觀幾家國際氣動品牌，傳統氣動元件並沒有太多突破，近些年在氣動比例、伺服元件、電缸、終端執行機構方面的投入研發力度較大。氣動新產品中，節能效果突出的低功耗電磁閥值得關注。
氣動技術中研發和製造難度最高的是超高壓系統，目前英國諾冠公司能提供超高壓氣動元件滿足客戶需求，用於火焰切割設備的特殊氣體控制，如高壓氧氣、氬氣、氦氣。超高壓氣動元件目前在國內仍是薄弱環節。
結合新興技術贏得未來
液壓傳動技術在小功率領域確實受到了電氣傳動技術的衝擊，這個問題不能迴避。事實上在小功率場合，電氣傳動技術的確有很大優勢，結構簡單，不需要壓力源，即插即用，也基本沒有污染。但在大功率場合和特殊行業仍是液壓傳動技術的天下，比如軍事領域，若需要功率大、體積小的傳動部件，液壓傳動技術無法替代，其中典型案例就是應用在飛機上的起落架，目前不可能被其他傳動技術取代。
施光林在課堂上經常跟學生講，設計液壓系統前，一定要深入了解用戶需求，包括負載特性、工況條件、性能要求、壽命要求等，然後再選擇最合理、最匹配的設計方案。液壓系統有很多類型，按控制方式有泵控系統和閥控系統，要根據對象特點來選擇合適的系統。
總之，掌握液壓基礎理論以後，就要在應用過程中不斷創新設計，提高液壓系統的功能和性能，並且不斷地尋找新的應用領域，讓液壓技術和其他新興技術相結合，使液壓技術的適用範圍更寬廣，促進液壓技術更長遠的發展。
混合驅動（也叫複合驅動）也是近幾年施光林非常重視的研發方向，讓液壓驅動和電機驅動、液壓驅動和氣動驅動、氣動驅動和電機驅動結合起來，根據負載的要求，創新設計理念，進行混合驅動。上面提到的氣-電複合驅動執行器，就是典型的混合驅動。未來的負載驅動將是多元化的，混合驅動將是一個重要方向。
在實踐中激發創新靈感
施光林坦言，因經常做產學研項目，與企業合作較多，又有機會與歐洲高校和企業接觸，在實際應用中激發了很多靈感，創新能力不斷增強。
施光林發自內心喜歡流體傳動與控制技術，研究重心以橫向課題為主，也有一些縱向課題，因為縱向課題可以體現一個團隊的科研水平。
前面提到的項目成果，都是施光林依據用戶切身需求去定向研發的，首先是理論驗證，其後是樣機研製，然後通過實驗不斷找出問題並改進，不斷地反覆，最後投入實際應用。
身為理論和實踐結合的應用型專家，施光林在近40年的學習和科研生涯中，不斷挑戰自我，切切實實為流體傳動與控制技術進步貢獻著智慧和汗水。
該文刊登於我刊2018年第5期
本刊記者 萬磊
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