液壓動力單元發展前景分析

液壓動力單元是液壓系統的“心臟”。目前，以電動機為原動機的液壓動力單元多為離散式結構，其由電動機、聯軸器、液壓泵和油箱這些獨立部件連接而成，存在結構復雜、效率較低、噪聲大、有潛在外泄漏途徑等問題。

因此近年來，電動液壓動力單元的一體化受到了越來越廣泛的重視和發展。在經過了電機油泵組、液壓電機泵的發展后，出現了將電動機、液壓泵、油箱及輔件高度集成于一體的液壓動力站(集成液壓動力站)，使得電動液壓動力單元的體積顯著減小、泄漏減少、噪聲大幅降低。一體化電動液壓動力單元適應了液壓技術向靜音節能、低碳制造、人機友好的發展趨勢，具有重要研究價值和廣闊的應用前景。

電動液壓動力單元一體化發展背景：

長期以來，離散式電動液壓動力單元在液壓系統中應用Z為普遍，其基本結構形態為電動機、液壓泵、油箱等獨立元件的連接組合。其中，電動機與液壓泵通過聯軸器、連接套、支架等構成電機油泵組，再通過管道、管接頭、截止閥與油箱相連。隨著全球氣候變暖、能源緊缺加劇，人們對節能降耗、清潔環保、低碳排放的要求不斷提高，離散式液壓動力單元的結構逐漸顯現出一些難以克服的缺點，主要表現在以下幾個方面:

( 1)效率較低。電動機、液壓泵、油箱等獨立部件多處連接使液壓動力單元結構復雜，能量轉換和動力傳遞環節較多，易產生機械摩擦損失、管路壓力損失及泄漏損失等。

( 2)易出現外泄漏。液壓泵與油箱之間的多處管路連接部位以及液壓泵軸伸處的密封在長期工作條件下使密封裝置腐化和磨損從而產生外泄漏，造成環境污染和管理維護不便。

( 3)易出現氣穴噪聲和振動。離散式動力單元中電動機和液壓泵靠聯軸器連接，其同軸度不能得到絕對保證，工作過程中易產生機械振動和噪聲;復雜的管路連接造成流體阻力增加，極易產生局部負壓而引起氣泡析出，從而產生氣穴噪聲和振動。傳統的液壓動力單元的噪聲控制往往以獨立的電動機和液壓泵為研究對象，降噪空間已不大、進一步降噪的難度很大，并且整體的降噪效果也不很明顯。

( 4)液壓泵和電動機等殼體類零件成形工藝復雜。液壓泵、電動機均為獨立元件，殼體結構復雜，且需要分別鑄造，增加了鑄造和加工成本，同時也增加鑄造過程中碳排放量。與離散式電動液壓動力單元配合油箱使用的結構形式比較，電動液壓動力單元一體化將使能量損失環節少，無需大量密封，可實現無管連接，因而具有效率高、無外泄漏、噪聲和振動小、低碳制造等突出優點。近些年來，液壓動力單元的一體化研究與發展得到了國內外的高度重視，尤其在德、日、美等發達國家，其產品開發得到大力推進，國內對液壓動力單元的一體化研究逐漸開展。

電動液壓動力單元的發展：

1、概述

早在20 世紀初國外就出現了將泵和電機一體化的思想。1911 年英國人JohnBREEZE 發明了一種電機離心水泵，后來又相繼出現了各種將電動機和液壓泵組合或集成的電動液壓動力單元，如電機油泵組、液壓電機泵等。起初的電動液壓動力單元一體化形態是電機－ 油泵組合，而后是由浸油電動機和液壓泵通過簡單“嫁接”并集成在一個殼體內，電機和液壓泵轉軸通過花鍵聯接;隨后出現了將液壓泵集成在電機轉子內部的液壓電機泵，電機和液壓泵共用同一根轉軸。隨著液壓技術的迅速發展，近幾年國外出現了將電動機、液壓泵、油箱等部件集于一身的集成液壓動力站。

2、電機油泵組

電機油泵組是將通用電動機和液壓泵簡單對接在一起的一體化動力單元，電機和液壓泵轉軸采用鍵聯接。此類一體化電動液壓動力單元中，電動機、液壓泵在結構上基本沒有大的變化。電機油泵組在國外應用已較為普遍。目前國內部分廠家也生產此類液壓動力單元。圖1為某液壓機械有限公司生產的變量葉片泵電機組結構圖。液壓泵軸與電動機軸不采用傳統的鐘罩式聯軸器，而是采用直接連接方式，旋轉部分不外露。電機軸心和法蘭止口采用高精度加工確保了裝配的同軸度，較好地解決了液壓泵與電動機不同心引起的噪聲和振動。電機油泵組與傳統的電動機－ 聯軸器－ 液壓泵動力單元相比，省去了聯軸器、泵支座、公共底板，具有安裝簡單、結構緊湊、安全可靠、運轉平穩、噪聲較低等優點。由于電動機可以單獨更換，提高了維護效率。但此種結構只是將液壓泵的輸入軸插入標準電機軸內，不能避免泵體本身存在的外泄漏，而且電機風扇運轉噪聲和電磁噪聲較離散式結構并未減小。

3、液壓電機泵

液壓電機泵是將浸油電動機和液壓泵集成在一個殼體內的新型一體化電動液壓動力單元，通常電動機和液壓泵共用同一根轉軸，省去冷卻風扇，由油流冷卻，轉軸無外伸端，無需動密封，從而避免了通過軸伸處動密封產生泄漏。1929 年，Allen ACANTON 發明了一種液壓電機葉片泵，其泵芯為葉片數為4 的單作用葉片泵。1986 年VICKERS 申請了一種電機雙柱塞泵專利，如圖2 所示。兩個軸向柱塞泵泵芯分別集成在兩個電機轉子的內部，并共用同一個斜盤，泵排量可通過調節活塞改變斜盤傾角來實現。

1994 年美國Vickers 公司開發出的新產品IMP(Integrated Motor Pump)系列，根據Vickers 公司實驗中心測試，一個44 kW 的集成動力單元噪聲比傳統的三段式液壓動力單元小10 ～ 12 dB。該產品在占用體積上比傳統的三段式液壓動力單元小30% ～ 50%。

1998 年日本油研公司獲得一項柱塞泵發明專利(如圖4)，并于2004 年實現產品化，其主要特點是把旋轉電機輸出軸與軸向柱塞泵的軸聯為一體，省去了連軸器，并集成在一個電機的殼體中，省去了電動機冷卻風扇。體積比傳統的電動機－ 柱塞泵液壓動力單元減小30%，噪聲降低10 ～ 15 dB。

4、集成液壓動力站

日本油研公司研制了集成液壓動力站YF-PACK，將柱塞泵、電動機、油箱等集成在一起，同時還集成了其他一些附件，如螺線管開關、換向閥、溫度計、壓力開關等，如圖8 所示。各部件之間實現了無管連接，因此不存在泄漏。特制的殼體結構使得YFPACK與傳統液壓動力站相比體積減小50%，質量減少30%，安裝空間減到原來的一半，可以很方便地放置在各種機床中。這種結構同時也減小了振動和氣穴噪聲。集成動力單元的能量損失比傳統液壓動力單元減小了10%，具有很好的散熱性能，可以使溫升保持在一個很低的水平，整體溫升比室溫低12℃，因此熱變形小。適用于礦物型油及合成型油液液壓系統。

從2010 年開始，作者在國家自然科學基金的資助下，開展了一體化電動液壓動力單元內部流動與噪聲機理的研究，已設計出一種規格的一體化電動液壓動力單元(液壓動力電池)，并進入試制階段，目標是使得一體化電動液壓動力單元可以像電池一樣使用方便，安靜地為與液壓動力電池相連接的液壓系統提供液壓能。

一體化電動液壓動力單元的基礎研究：

與國外相比，國內在一體化電動液壓動力單元的研究方面起步較晚、投入較少，大部分廠家只生產傳統的動力站和少量的電機油泵組。造成這種狀況的原因是多方面的，比如對一體化電動液壓動力單元的研發重視不夠、其通用性不如傳統動力單元。隨著經濟社會的發展，傳統液壓動力單元和現代需求的矛盾將越來越明顯。因此，一體化動力單元的研究和應用將邁入現代液壓技術發展的快車道。液壓動力電池的基礎性研究仍是關鍵之一，共性基礎性問題有:

( 1)液壓動力電池的能量損失機理，提高液壓動力電池的效率。

( 2)液壓動力電池的噪聲和振動機理，并根據機理進一步降低液壓動力電池的噪聲。

( 3)液壓動力電池在熱傳導、轉子攪拌、回油擾動復雜條件下的多相流(液體－ 氣泡－ 固體顆粒)內部流場及其控制。

( 4)液壓動力電池在不同轉速、不同溫度下氣泡析出機理和氣泡的生長模型，為徹底解決氣穴現象提供依據。節能、減振降噪、潔凈耐用是一體化液壓動力單元基礎性研究要解決的重點問題。解決上述問題對一體化電動液壓動力單元的發展具有較大意義。

一體化電動液壓動力單元具有噪聲低、高效、緊湊簡約、潔凈耐用等優點，克服了傳統型電動液壓動力單元的諸多缺點。液壓動力電池具有重要的研究價值和應用前景，將成為推動液壓技術創新發展和應用領域擴大的重要推動力之一。深入開展其共性基礎性問題的研究，對促進具有自主知識產權的高品質液壓動力電池的開發與應用具有重要意義。