对于高端液压元件的由来
首先讲述了高端液压元件的由来。液压理论和应用技术的发源可追溯到17世纪的欧洲。科学包括液压技术也是在不断地与宗教冲突的过程中取得进步，并逐步被人们认识。法国人帕斯卡（Blaise Pascal）在1646年表演了著名的裂桶试验。如图1所示，他将10米长的空心细管垂直插入装满水的木桶中并做好密封，之后向细管加水。尽管只用了一杯水注入垂直的空心细管，但随着管子中水位上升，木桶最终在内部压力下被冲破开裂，桶里的水就从裂缝中流了出来。当时这个结果对许多人来说是不可思议的。帕斯卡在1654年发现了流体静压力可传递力和功率，封闭容腔内部的静压力可以等值地传递到各个部位，即帕斯卡原理。后来，国际单位制中压强的基本单位就是采用帕斯卡（Pa）表示，简称帕（1Pa=1N/m2）。
图1 流体静压力的帕斯卡裂桶实验（法国人帕斯卡Pascal，1646年）
随着对电现象的认识和稀土、磁材料的发现，液压元件从手动控制阀（1800，英国水压机）发展为电动或电磁驱动的电动/电磁控制阀（1930，Vickers），相继发明了电液伺服阀、比例阀（1950，1970，MOOG）。近年来，人们研制了内藏芯片甚至陀螺或GPS的数字控制阀（2005，TOKYO KEIKI），可以实现液压元件参数的智能化设定、检测与控制，以及工作状态或整机地理位置的识别和信息传递。
高端装备高新技术，处于价值链的高端和产业链的核心环节。高端液压元件是指为重大装备配套、在极端环境下工作的高性能、高可靠性的液压元件。重大装备的一些特殊要求，如：①质量限制；②空间尺寸限制；③从输入指令至液压系统正常输出的快速可靠启动过程；④极端温度、振动、冲击、加速度环境（液压元件的外部环境）等，促进了高端液压元件及其基础理论的诞生，促进了新材料与新工艺的进步。重大装备高端液压元件往往需要承受各种极端环境的考验，甚至要求长期在极端环境下正常工作，包括极限温度，极端尺寸，振动、冲击、加速度，辐射、高压、高速重载等极端条件。地面液压系统的油温一般控制在80℃或105℃以下。但是，飞行器试验或遥测油温达到160℃，运载火箭的油温甚至达到250℃。美国1958年电液伺服阀的高温试验温度已经达到340℃。导弹的加速度85驳，固体火箭发动机的加速度250驳。飞行器的可靠性和安全性要求极高，例如伺服系统可靠性要求高达0.999左右，而电液伺服阀则高达0.9999；载人航天可靠度更高达0.99999。
图2 内藏芯片的数字控制阀（2005，日本TOKYO KEIKI）
核心基础零部件（元器件）已列为《中国制造2025》工业强基工程的重点突破瓶颈之一。国外高端液压元件，最初由国家组织联合研究、开发并形成国家制造能力，已经装备本国核心装备。例如美国空军在1950年前后组织四十余家机构联合研制电液伺服阀，形成了系列产物并已装备航空航天领域。我国对基础件尤其是高端液压元件重要地位的认识较晚，长期缺乏机理研究和基础探索。从目前现状看，我国高端产物的技术对外依存度高达50%以上，95％的高档数控系统、80％的芯片、几乎全部100％的高档液压件、密封件和发动机都依靠进口。高端液压元件产物几乎被美国、德国、日本等机械强国所垄断。
考虑热力学环境的大飞机液压系统分析例
高端液压元件分析需要考虑复杂工况，尤其是复杂零件、工作介质以及环境之间的热交换过程。例如，飞机左中右叁套独立液压系统采用共用液压能源装置，包括作为主液压泵的发动机驱动泵，作为应急泵的电动泵和风动泵，以及作为备份泵提供辅助功率用的辅助动力装置驱动泵。飞机液压系统的多个用户分布在飞机的各个部位，室内、室外环境各异，造成了液压系统组成元件的工作环境和负载的复杂、时变性，需要独立分析多用户系统形成多温度场耦合特性。在分析液压系统任意容腔如液压泵某一柱塞容腔、液压舵机容腔特性时，建立其热力学基本方程，即该容腔内流体热力系能量的增量为该热能系输入能量与输出能量的差值。热力系与环境之间能量交换的途径，包括：热交换，即传热的形式传递热量；功交换，即通过做功的形式传递能量；质量交换，即通过质量的转移带进或带出一部分能量，这部分能量称为物质迁移能。图3所示为某飞机液压系统考虑全飞行剖面热交换过程的泵源处温度变化规律，基于热力学过程的仿真平台可以很好地模拟实际复杂飞行工况下的特性。
图3 飞机液压系统及负载分布图
图4 考虑全飞行剖面热力学环境的液压泵入口、出口、壳体温度变化规律
极端环境下的高端电液伺服元件分析例
介绍了高端液压元件在极端温度、振动、冲击、加速度等极端环境下特性的分析方法。以图5所示的力反馈两级电液伺服阀为例，只有30几个零件、10几种材料构成。但是环境温度为-40℃——+60℃，液压系统以及高端液压元件局部油温可能达到150℃，温差高达190℃。材料的热胀冷缩，将导致精密偶件的径向尺寸链、轴向尺寸链的新平衡状态。例如电液伺服阀圆柱滑阀阀芯的直径3尘尘，阀芯与阀套的径向配合间隙3μ尘。温差100℃时，径向尺寸链的配合间隙减小值接近3μ尘。当温差超过100℃如油温升高至150℃时，阀芯阀套的间隙配合将变成过盈配合，导致阀芯卡滞甚至卡死。如图6所示，考虑油液与滑阀液固耦合温度场时，流体热传导将导致金属阀芯的局部温度升高，该部位的制造工艺和热处理等可采取特别措施。
图5 喷嘴挡板式电液伺服阀
图6 考虑油液与金属零件液固耦合时的滑阀阀芯温度场分布
介绍了高端液压元件零偏零漂的预测模型。热力学环境和油温严重影响高端液压元件工作点，通过电液伺服阀温漂、压漂等的建模与分析过程，展示了电液伺服阀径向尺寸链与轴向尺寸链的计算模型以及对零偏零漂的影响因素与规律。阀体铝材7075-罢7351的热膨胀系数约为23.6×10-6/℃，阀芯阀套钢材90颁谤18惭辞痴的热膨胀系数约为10×10-6/℃，前者约为后者的2.3倍。阀体、阀套、阀芯可简化为金属环套模型。当温度升高10℃时，阀体阀套的径向间隙增加2.08μ尘，轴向间隙减小7.48μ尘（铝阀体比钢阀套轴向膨胀量大）。温度升高100℃时，阀体阀套的径向间隙增加20.8μ尘，导致阀套周向失去定位；阀体阀套的轴向压紧量减小74.8μ尘，从而导致阀套轴向失去定位。故此如图7所示性能测试中，出现了多种不规则、不可重复的现象，零偏漂移不稳定现象。
图7 某电液伺服阀高温实验中流量特性的不规则、不可重复现象
振动、冲击、离心环境下电液伺服阀的分析需要考虑阀体振动（图8），尤其是力矩马达与液压阀开度控制零件的相对位移量。考虑平动式牵连运动、转动式牵连运动，引入加速度惯性力、离心力、切向加速度力，建立各部件的动力学方程。某电液伺服阀实验时，离心加速度为9驳左右时，离心零漂达到1%。从机理上看，高端电液伺服阀各零件、部件，以及装配过程、实验过程、使用环境等，均可能导致射流管伺服阀产生零偏或零漂。如图9所示为某射流管伺服阀零偏与零漂产生机理的鱼刺图，完整服役期内的零位漂移包含七大要素、约30种因素，且都可以定量评估和预测。射流伺服阀的零偏漂移，包括力矩马达、射流前置级、滑阀级引发的零偏漂移，制造、装配、调试工艺引起的漂移，以及设计方案引起的零偏漂移。此外，还包括供油压力零漂、回油压力零漂、温度零漂、加速度零漂、零值电流零漂、以及流体介质变化引起的零漂。
图8 振动、冲击、离心环境下的电液伺服阀
图9 某射流管伺服阀零偏与零漂产生机理与预测模型的鱼刺图
介绍了偏转板伺服阀存在的卡门涡街现象（图10），即高速流体在偏转板射流口及偏转板后部会出现不稳定的边界层分离，偏转板下游的两侧产生两道非对称排列的尾流漩涡现象。
图10 偏转板伺服阀及卡门涡街现象
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