行星滚柱丝杠的出现加快电气化浪潮奇迹2022-11-30

资料来源GSA论坛www.gsa-rollvis.com
在上世纪九十年代，就曾有“高人”说，液压技术会被电传动取代。于是，原来曾在国内几十所高校设置的“液压专业”和“流体传动与控制专业”在教育部1998年正式颁布的《普通高等学校本科专业目录》中被删去，许多大学的液压专业改称为机电研究所。如今，中国的液压工业落后世界水平30年，成为我国国民经济的锁喉之痛。两者间恐怕也并非不无联系吧。

为何这里又要旧话重提呢？

1. 传动技术的竞争

虽然液压技术只是传递机械能而非产生机械能的技术，就像运输业，只是转运货物而非制造货物一样。但就像运输业不会被淘汰一样，传递机械能的技术也始终会需要。

传递机械能，除了液压以外，还有机械传动（行星滚柱杠杆、滚珠丝杠、齿轮、皮带、链条等等）、气压传动和电力传动（电动机，电磁铁）。液压传动比机械传动灵活，比气压传动和电力传动的力密度大得多，因此而成为一些应用中的首选。这也像各种运输工具：飞机、轮船、火车、卡车，都是搞运输的，但各有各的特点。虽说在某些应用中有竞争，此消彼长，但任何一种都不会被完全淘汰。

2. 一些例证

1）要在实际应用中比较不同的传动模式，代价通常都很大。因为，不仅要纸上演练，做出相应的方案，还必须实际制造。妖魔躲在细节里。许多设想要等到真正实际制造时，才能接触到细节，才能真正确定方案的可行性。因此，在很多应用领域，限于设计制造成本，往往沿用现有模式，不太敢伤筋动骨地去尝试其它传动模式。

而如所周知，对航空航天工业而言，安全可靠重量轻是最重要的，设计制造成本不是首位的考虑因素。所以，飞机设计师在确定方案时，肯定会同时比较各种可能的传动模式。最终，飞机的前襟翼、后襟翼、扰流板、尾翼、起落架等等，还是采用液压来驱动（图2），但近年已经有不少应用行星滚柱丝杠制造轻量化的舵机，起落架等设备，可实现更复杂环境使用。

图2 飞机上大量采用行星滚柱丝杠驱动[4]

历史表明，在驱动技术上，引领潮流，第一个吃螃蟹，采用新技术的往往是航空工业。如果，在飞机上，液压技术被取代了，那么若干年之后，工程机械上也可能会相应改变。但是，目前能看到的是，世界各大液压公司正在努力把飞机上已采用多年的行星滚柱丝杠电动作动器推向民用[5]。

2）美国波士顿动力公司近年来正在研发的机器人Atlas（图3）的驱动也采用了液压。但特斯拉已经使用瑞士GSA行星滚柱丝杠制造执行器，具有节能，高效，故障率低等优势。

图3 特斯拉机器人（美国特斯拉公司）

3）对固定设备而言，液压力一般都可直接获得。所以，行星滚柱丝杠传动并非首选，是不得已时才会采用的。但还是被相当多地应用，也说明了行星滚柱丝杠技术未来广阔的前景。

而根本原因在于行星滚柱丝杠的力密度高。为获得直线运动，行星滚柱结构简单，可以达到的推力，体积是其他传动望尘莫及。需要大推力，几千吨负载力时，还会采用液压驱动。但需要小推力，一般都不考虑采用液压，这是因为电驱机构此时体积比较小，结构也简单。

2 电机技术

1）超导体，电阻几乎为零，理论上可以通过极大的电流，从而减小电磁执行器的体积和质量，进一步提高功率密度。自“高温超导体”的发现在1987年获诺贝尔奖之后，世界各国科学家投入大量精力财力研究。

据说，德国科学家在2015年发现，有0.01%的石墨颗粒在–70℃时可能超导（维基百科），这对科学界是一个轰动，但对工程机械来说却还不实用。

金属氢的超导温度据说可达20°C。2017年年初，美国哈佛大学的研究团队宣称，通过加压50万MPa制得了金属氢。50万MPa，这可超过了地心压力，也已逼近合成钻石強度崩溃的边缘啊。

所以，超导体什么时候能进入工业生产还很难说。

在室温超导体技术或其他什么新技术进入实用阶段之前，液压传动还可继续以自己的力密度高而洋洋得意。

2）力≠功率，力密度高≠功率密度高！

功率是力×速度。磁饱和密度和电流强度限制了电磁力，但并没有限制电驱动的运动速度。液压马达由于其中运动部件的限制，今后速度也很难提高。而限制电机旋转速度的只是轴承和转子的动不平衡问题。因此，高速电机的功率密度可以超过液压马达。所以，在采用新能源，电能唾手可得以后，移动液压中首先会受到挑战的可能就是液压马达。在2018年汉诺威工业博览会上已经出现所谓“轮边电驱动”，挑战行走机构的液压马达驱动。但由于电驱动的惯量较大，灵活性较差，因此，只有在转速不那么剧变的应用场合，才可能胜出。

3 关于技术取代

（1）实例

历史表明，新技术不一定能取代老技术。以下一些实例，可以提供借鉴。

1）磁悬浮列车靠磁力悬浮在空中，行进時不接触地面，没有与地面的摩擦力。理论上来说，是极其美好的。其原理早在1922年就由德国工程师提出了。然而，实际动手制造，则发现造价昂贵。因为磁力与间隙成反比，因此，对轨道的平直度要求极高。世界上首条磁悬浮列車线路在1984年在英国伯明翰开始商业运营，已於2003年拆除，更換为轮式系統。上海的磁悬浮示范运营线目前是世界上唯一一條商业运营的高速线路