气动伺服控制的由来

气动伺服控制起源于第二次世界大战前后导弹与火箭飞行体姿态控制燃气伺服系统，该系统采用燃气发生器、气动伺服阀和燃气马达组成燃气伺服系统。该系统有一个内藏缓燃火药的燃气发生器，当燃气发生器内固体燃料点火燃烧后，获得的14MPa高压、1065℃高温燃气经二级减压阀减压至4MPa，通过燃气射流管伺服阀控制气流，驱动膨胀型燃气叶片马达工作，改变主推力喷管的方向，完成飞行姿态控制。

近50年来，欧美为开发宇宙空间，采用冷气或热燃气工作介质的火箭姿态控制、飞行器推力向量控制的气动伺服机构。中国自行研制的长征系列运载火箭姿态控制采用气瓶气源驱动气动涡轮和液压泵产生液压能源。英国人W.Grove在1839年首先提出利用氢和氧反应进行发电的原理，形成了现在的氢氧燃料电池。20世纪以来，氢能源用于航天火箭发动机，采用液氢和液氧组成的小型燃料电池，为空间飞行提供动力能源。目前，气动伺服控制已经广泛应用于宇航、飞行器和一般工业领域。1960年开始，气动伺服控制逐步替代响应缓慢的气动系统，形成了具有较高精度、较大功率和一定响应速度的气动控制技术。1963年日本焊接协会将气动系统应用于汽车生产线的车身点焊机设备，气动电磁阀和气动比例阀相继问世。

气动控制理论的研究始于1956年，美国J.L.Shearer首先研究了气动马达的特性。日本荒木献次（1971年，1979年）研究了力反馈式气动伺服阀，采用弹簧和容腔补偿方法将频宽从70Hz提高到190Hz，进行了滑阀不均等重合量（正重合、零重合及负重合）和气动阀控缸频率特性的研究。日本香川立治在1981年研究了气阻气容回路热力学特性。作者和日本荒木献次在1997年针对气动回路气腔的放气时间为充填时间的数倍以上的气动非对称现象，提出采用非对称气动伺服阀进行焊接机气动控制。目前国内外高速气动控制的基础研究尚处于起步阶段，主要原因在于气动低速和非线性现象，尤其是气动阀控缸伺服系统的气动非对称现象诸机理不明确。

氢能源汽车超高压输氢气动系统

近年来，生态环境恶化、地球能源短缺，特别是世界石油资源不断枯竭，各国科学家竞相研究以氢为原料的燃料电池作为替代石油的新能源汽车，开发超高压气动输氢系统。燃料电池直接利用燃料电池堆中0.16MPa气态氢和空气中的氧进行化学反应产生电能，经逆变器和控制器等装置，给电动机供电，电动机将电能转化为机械能；再经传动系统和驱动桥等带动车轮转动，驱动车辆行驶。

在地面车载环境下，氢气的安全储存与运输需要解决储氢容器、气动控制阀、气体充填与释放规律等关键技术。由于气态高压储氢成本低且制取方便，氢能源汽车采用气态形式高压储氢，采用铝合金内胆和碳纤维树脂增强外包层的高压碳纤维缠绕储氢气瓶。但目前我国高性能碳纤维尚未完全实现国产化，应用受到一定限制。

目前，通常气动控制压力为0.5MPa，高压控制压力也仅为5MPa左右。但是，氢能源汽车多采用超高压储氢，如表所列通常车内能提供给储氢气瓶的空间约为160L，为保证一次加氢后行使距离达200km，储氢压力需达35MPa以上；要保证一次加氢后行驶距离500km时，储氢压力则要求高达70MPa。图1所示为同济大学研制的超越号燃料电池汽车输氢系统，该系统采用两级高压气动减压阀组进行减压，通过高压储氢瓶、气瓶阀及管路向燃料电池供给0.16MPa的低压氢气。图2所示为同济大学2010年研制的车载超高压气动控制阀。工作时，高压气体由气源经过一级减压阀和节流器完成输氢系统的第一次减压，气体压力由70MPa或35MPa减到5MPa，再经过二级减压阀和节流器后，气体压力减压到质子交换膜燃料电池的工作压力0.16MPa。

车载输氢系统及35MPa或70MPa超高压氢气压力控制阀在研制过程中，解决了超高压真实气体的状态方程即真实气体范德瓦尔斯方程（荷兰人范德瓦尔斯于1873年发现，并于1910年获得诺贝尔物理学奖）的计算结果和实验结果之间存在较大误差的问题，发现由于高压气体分子间距和分子间作用力，以氢气作为工作介质时减压阀节流后的气体出口温度将升高，即发生氢节流制热的现象。取得了在车辆极端低温（-40℃）和极端高温（+60℃）、储存、运送和行驶过程中的振动、冲击和离心等极端环境下超高压气动压力精确控制方法。重点研制了超高压气动压力控制阀原型样机。采用锥型阀芯圆柱滑阀的结构方法，包括高压气动减压阀的技术方案和制造技术。燃料电池汽车车速越高所百公里耗氢量越大，相同供氢压力下，低速行驶时的行驶距离较高速行驶时的行驶距离长。行驶速度为60km/h时，每百公里消耗氢气质量1.1kg。低于60km/h的低速行驶，储氢压力为35MPa时，行驶距离达324km以上；储氢压力70MPa时，行驶距离可达498km。加氢站气源压力35MPa时，加氢时间240s；气源压力70MPa时，加氢时间190s。研究成果直接为超高压输氢系统和储氢系统提供了一种先进适用的配套部件，为车载高压储氢燃料电池汽车研制及其产业化提供技术支撑。

气动液压打桩锤

15世纪初，人们利用绳索抬起重物进行打桩。柴油锤、蒸汽锤和液压锤应运而生。为满足大直径桩如直径5m以上钢管桩的贯入，近年来，作者研究了一种将气动技术和液压技术相结合的气动液压打桩锤，包括产品、基本原理和关键技术，以及桩土间的作用机理。图3所示为高速气动液压复合锤组成图。

气动液压打桩锤的一个完整工作周期包括上升、下降和保压3个阶段。换向阀8打开，换向阀6关闭，液压泵10启动，开始向系统供高压油，初始阶段，由于锤体上升速度较小，液压缸有杆腔需要的高压油较少，泵输出的高压油一部分进入液压缸有杆腔2，一部分进入高压蓄能器9，甚至有可能部分高压油通过溢流阀11溢流进入油箱。当锤体速度增大到仅由泵供油无法满足要求的时候，高压蓄能器即停止充油，转而开始向液压缸有杆腔供油。在上升过程中，氮气室一直被压缩并储存能量。锤体上升至最大行程后，阀8关闭，阀6打开，锤体在压缩氮气和自身重力双重作用下加速下降，下降至最低行程时打击桩头。

下降过程中，泵10仍然向系统供油，首先是给高压蓄能器充油，使高压蓄能器达到预定的初始工作压力，以备下次循环时使用，之后多余的高压油则经溢流阀流回油箱。保压阶段，打击动作完成之后，为了防止锤体的回跳，同时关闭换向阀6和8，使锤体在桩上面停留一段时间。保压阶段结束后，换向阀8打开，换向阀6仍然关闭，系统进入下一个工作循环。

采用新开发的气动液压复合捶击技术，可以实现加速度1g以上的液压锤打击能力。本文提供实例的平均加速度可以达到1.8g，且在相同的行程和锤重的情况下，气动液压复合技术具有更高的打击频率，打击能量较普通锤提高一倍。

大直径双动力头气动潜孔锤

压缩空气和气动技术伴随凿岩机的诞生而拓展。1813年英国人理查.特里维锡科首先发明了以蒸汽为动力的冲击式凿岩机，使得冲击动作真正成为一种连续的动作。1844年，英国人布隆顿发明了一种以压缩空气为动力的凿岩机。1857年，意大利工程师巴特里特和杰曼.萨梅特实验成功了第一个气动凿岩机，并在法国和意大利两国连接边境的隧道正式使用以压缩空气为动力的一体式凿岩机。压缩空气压力由最初的0.5～0.6MPa，60年代的0.7～0.88MPa，70年代的1.4～1.75MPa，增加到现在的2.1～2.6MPa。气动潜孔锤用于地质岩芯勘探与入岩桩基础施工，爆破孔深度从几米、十几米延伸到勘探钻孔的几百米。

作者和北京建筑机械化研究院研究的双动力头大直径潜孔锤即采用了双动力头钻机与600mm以上大直径潜孔锤联合施工的钻进技术。气动系统驱动活塞上下往复作用，锤体冲击作用于岩石，在岩石上形成图示的凹坑，同时在钻头旋转作用下切除岩石凹坑的突出部分，实现岩石的破碎。

图4所示为作者开发的大直径气动潜孔锤结构图。配气座3、内缸4及活塞6包围的空间是潜孔锤冲击器的后气室，外缸5、活塞6、衬套8及钻头9包围的空间为潜孔锤冲击器的前气室。一个冲击周期内需要经历一次回程及一次冲程，前后气室状态有10个阶段完成回程和冲程动作。冲程部分也分为5个阶段：前气室排气、后气室进气阶段，前气室封闭、后气室进气阶段，前、后气室封闭阶段，前气室进气、后气室封闭阶段，前气室进气、后气室排气阶段。回程部分也分为5个阶段：前气室进气、后气室排气阶段，前气室进气、后气室封闭阶段，前、后气室封闭阶段，前气室封闭、后气室进气阶段，前气室排气、后气室进气阶段。所开发的大直径气动潜孔锤孔径600mm，缸径370mm，供气压力1.6MPa,活塞行程170mm，活塞重量为230kg。