电动液压动力单元的一体化演变.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S 0c t ． 2 01 l Vo l _ 3 9 No ． 1 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 3 4 电动液压动力单元的一体化演变 冀宏，张立升 ，王峥嵘 ，王金林 兰州理工大学能源与动力工程 学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 分析了传统型电动液压动力单元存在的缺点，指出电机油泵组、液压电机泵仅解决 了传统型动力单元存在的部 分问题。随着静音 、节能、人机友好等要求的不断提高，电动液压动力单元逐渐由离散式结构、电机油泵组、液压 电机泵 向一体化液压动力单元 液压动力电池方向演变。一体化液压动力单元已成为推动液压技术发展的重要方向之一，液压 动力电池将首先在中小功率场合获得广泛应用。 关键词电动液压动力单元；电机油泵组；液压电机泵 ；液压动力电池 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 9一l 1 7 4 De v e l o p me nt o f I nt e g r a t i o n o f El e c t r o - h y dr a ul i c Po we r Un i t J I Ho n g ， ． Z HANG L i s h e n g ，WANG Z h e n g r o n g ，WANG J i n l i n C o l l e g e o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e ri n g ，L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t S h o r t c o mi n g s o f c o n v e n t i o n a l e l e c t r o - h y d r a u l i c p o we r u n i t w e r e a n a l y z e d，a n d s o me i s s u e s e x i s t e d i n c o n v e n t i o n al e l e c t r o - h y d r a u l i c p o we r u n i t we r e p a rt l y r e s o l v e d b y t h e mo t o r - p u mp c o mb i n a t i o n an d h y d r a u l i c mo t o r - p u mp ．W i t h t h e i n c r e a s i n g d e ma n d f o r s i l e n c e， e n e r g y s a v i n g a n d h u man - f r i e n d， t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p o we r u n i t g r a d u all y d e v e l o p e d f r o m t h e d i s c r e t e s t r u c t u r e ，t h e mo t o r p u mp c o mb i n a t i o n an d t h e h y d r a u l i c mo t o r p u mp t o t h e h y d r a u l i c p o we r c e l 1 ．I n t e gra t e d e l e c t r o h y d r a u l i c p o w e r u n i t h a s b e c o me o n e o f t h e e s s e n t i a l a s p e c t s p r o mo t i n g t h e d e v e l o p me n t o f fl u i d p o we r t e c h n o l o gy ， an d t h e h y d r a u l i c p o w e r c e l l wi l l b e w i d e l y a p p l i e d i n me d i u m a n d s mall p o we r s y s t e m． Ke y wo r d s El e c t r o h y d r a u l i c p o w e r u n i t ；Mo t o r p u mp c o mb i n a t i o n；Hy d r a u l i c mo t o r - p u mp；Hy d r a u l i c p o we r c e l l 液压动力单元是液压系统的 “ 心脏” 。目前 ，以 电动机为原动机的液压动力单元多为离散式结构，其 由电动机 、联轴器 、液压泵 和油箱这 些独立部件连接 而成 ，存在结构复杂 、效率较低 、噪声 大 、有潜 在外 泄漏途径等问题。近年来 ，电动液压动力单元的一体 化受到 了越来越广泛 的重视和发展 。在经过 了电机油 泵组、液压电机泵的发展后 ，出现了将电动机、液压 泵、油箱及辅件高度集成于一体的液压动力站 集 成液压动力站 ，使得电动液压动力单元的体积显著 减小、泄漏减少、噪声大幅降低。一体化电动液压动 力单元适应 了液压技 术 向静音节能 、低碳制造 、人机 友好的发展趋势 ，具有重要研究价值和广阔的应 用前景 。 1 电动液压动力单元一体化发展背景 长期 以来 ，离散式 电动液压 动力单元 在液压系统 中应用最为普遍 ，其基本结构形态为 电动机、液压 泵、油箱等独立元件的连接组合。其中，电动机与液 压泵通过联轴器、连接套、支架等构成 电机油泵组 ， 再通过管道、管接头、截止阀与油箱相连。随着全球 气候变暖、能源紧缺加剧 ，人们对节能降耗、清洁环 保、低碳排放的要求不断提高，离散式液压动力单元 的结构逐渐显现 出一些难 以克服的缺点 ，主要表 现在 以下几 个方面 1 效率较低。电动机、液压泵、油箱等独立部 件多处连接使液压动力单元结构复杂，能量转换和动 力传递环节较多，易产生机械摩擦损失、管路压力损 失及泄漏损失等。 2 易出现外泄漏。液压泵与油箱之间的多处管 路连接部位以及液压泵轴伸处的密封在长期工作条件 下使密封装置腐化和磨损从而产生外泄漏，造成环境 污染 和管理维护不便。 3 易出现气穴噪声和振动 。离散式动力单元 中 电动机和液压泵靠联轴器连接，其同轴度不能得到绝 对保证 ，工作过程中易产生机械振动和噪声；复杂的 管路连接造成流体阻力增加，极易产生局部负压而引 起气泡析出，从而产生气穴噪声和振动 。传统的 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 0 基金项 目国家自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 5 1 9 4 ；甘肃省科技攻关计划 1 0 0 6 Z S B 0 1 7 作者简介 冀宏 1 9 7 2 一 ，男，博士，教授，研究方向为现代液压元件与工程机械液压技术。Em a i l j i h o n g l u t ． e n 。 1 1 8 机床与液压 第3 9卷 液压动力单元 的噪声控制往往 以独立的电动机和液压 泵为研究对象，降噪空间已不大、进一步降噪的难度 很大，并且整体的降噪效果也不很明显。 4 液压泵和电动机等壳体类零件成形工艺复 杂。液压泵、电动机均为独立元件，壳体结构复杂， 且需要分别铸造 ，增加 了铸造和加工成本 ，同时也增 加铸造过程 中碳排放量 。 与离散式电动液压动力单元配合油箱使用的结构 形式比较 ，电动液压动力单元一体化将使能量损失环 节少 ，无需大量密封 ，可实现无管连接 ，因而具有效 率高 、无外泄漏 、噪声和振动小 、低碳制造等突出优 点。近些年来 ，液压动力单元的一体化研究与发展得 到了国内外 的高度重视 ，尤其在德 、 日、美等发达 国 家，其产品开发得到大力推进，国内对液压动力单元 的一体 化研究 逐渐开展 。 2 电动液压动力单元的发展 2 ． 1 概 述 早在2 0世纪初国外就出现了将泵和电机一体化 的思想 。1 9 1 1年英 国人 J o h n B R E E Z E发 明 了一种 电 机离心水泵 ，后来又相继出现了各种将电动机和液 压泵组 合或 集成 的电动 液压 动力 单 元 ，如 电机油 泵 组 、液压电机泵等。起初的电动液压动力单元一体化 形态是 电机 一油泵组合 ，而后是 由浸油 电动机和液压 泵通过简 单 “ 嫁 接” 并集 成在 一个 壳体 内 ，电机 和 液压泵 转轴通 过花键 联接 ；随后 出现 了将液压泵集成 在电机转子内部的液压电机泵，电机和液压泵共用同 一 根转轴。随着液压技术的迅速发展 ，近几年国外出 现了将 电动机、液压泵、油箱等部件集于一身的集成 液压动力站。 2 ． 2电机 油 泵组 电机油泵组是将通用电动机和液压泵简单对接在 一 起的一体化动力单元，电机和液压泵转轴采用键联 接。此类一体化电动液压动力单元中，电动机、液压 泵在结 构上基 本没有大的变化。 电机油泵组在国外应用已较为普遍。目前国内部 分厂家也生产此类液压动力单元。图 1 为涌镇液压机 械有 限公司生 产 的变量 叶片泵 电机组结 构 图 ⋯。液 压泵轴与电动机轴不采用传统的钟罩式联轴器，而是 采用直接连接方式，旋转部分不外露。电机轴心和法 兰止口采用高精度加工确保了装配的同轴度，较好地 解决了液压泵与电动机不同心引起的噪声和振动。电 机油泵组与传统的电动机 一联轴器 一液压泵动力单元 相 比，省去 了联轴器 、泵支 座、公共底板 ，具有安装 简单 、结构紧凑 、安全可靠 、运转平稳 、噪声较低等 优点。由于电动机可以单独更换 ，提高了维护效率。 但此种结构只是将液压泵 的输入轴插入标准 电机轴 内，不能避免泵体本身存在的外泄漏，而且电机风扇 运转噪声和 电磁噪声较离散式结构并未减小 。 图 1 变量 叶片泵 电机组 2 ． 3液 压 电机 泵 液压电机泵是将浸油电动机和液压泵集成在一个 壳体内的新型一体化电动液压动力单元 ，通常电动机 和液压泵共用同一根转轴 ，省去冷却风扇 ，由油流冷 却 ，转轴无外伸端，无需动密封，从而避免了通过轴 伸处动密封产生泄漏 。 1 9 2 9年 ，A l l e n A C A N T O N发 明了一种液 压 电机 叶片泵 ，其 泵 芯 为 叶 片数 为 4的单 作 用 叶 片 泵 。 1 9 8 6年 V I C K E R S申请了一种电机双柱塞泵专利 ， 如图2所示。两个轴向柱塞泵泵芯分别集成在两个电 机转子的内部 ，并共用 同一个斜盘 ，泵排量 可通 过调 节活塞 改变斜 盘倾 角来实现。 图 2 电机双柱塞泵 1 9 9 4年美 国 V i e k e r s公 司开发 出的新产 品 I M P I n t e g r a t e d M o t o r P u m p 系列 ，获得美 国同期 产 品 开发金奖 ，如图 3所 示 。根据 V i c k e r s 公 司实 验 中心 测试，一个4 4 k W 的集成动力单元噪声 比传统的三 段式液压动力单元小 1 0～1 2 d B 。该产品在占用体积 上比传统的三段式液压动力单元小 3 0 ％ 一 5 0 ％。 图 3 V i c k e r s电机泵 第 l 9期 冀宏 等电动液压动力单元的一体化演变 1 1 9 1 9 9 8 年 日本油研公司获得一项柱塞泵发明专利 如图4 ，并于 2 0 0 4年实现产品化，其主要特点 是把旋转电机输出轴与轴向柱塞泵的轴联为一体，省 去了连轴器，并集成在一个电机的壳体中，省去了电 动机冷却风扇。体积比传统的电动机 一柱塞泵液压动 力单元减小 3 0 ％，噪声降低 1 0～l 5 d B 。 图 4电机柱塞泵 德国 V O I T H公司 2 0 0 5年推出了一种内啮合齿轮 电机泵 如图5 ，把内啮合齿轮泵集成在浸油 电动机中，体积比常规电动机 一齿轮泵液压动力单元 减小 5 0 ％，降噪效果显著 ，1 6台内啮合齿轮 电机泵 的噪声相当于 1台常规的电动机 一齿轮泵液压动力单 元 的噪声 ，如图 5所示 。 图5 内啮合齿轮电机泵 1 一 进油 口 2 一 离 心 泵 3 一 通油 孔 4 一排 油 口 图 6 液压电机叶片泵结构图 作 者 于 2 0 0 7年 研 制 了 一 种 液 压 电 机 叶 片 泵 ’ 如图 6 ，并开展 了样机基础试 验研究 。油 液由进油 口1 进入液压电机叶片泵内，经过电动机壳 体上的流道及定转子间的气隙，在转子套上离心泵 2 的作 用下把低压油输送至泵 心座底部 的通油 孔 3 ，进 而进入叶片泵 的吸油窗 口，经过叶片泵工作腔 的压 缩 ，高压油从排油 口4排出。该电机泵与同等功率电 机和液压泵组合动力单元相比 如图7 ，液压电机 叶片泵样机的体积减小 5 0 ％、轴 向尺寸减小 6 1 ％， 噪声降低约7 d B 。 图 7 液压电机叶片泵与电机油泵组 上述几种典型液压电机泵虽然具有体积紧凑、噪 声低等优点，但所具有共性问题是吸油仍然通过管路 与油箱连接实现、壳体复杂，因吸油 口尺寸小 ，容易 出现吸油不畅从而产生气穴噪声。在此基础上 ，作者 提出了液压动力电池概念 ，形成了电机专门化、液压 泵无壳化、油箱多功能化的思路 ，进一步解决液压电 机泵所存在的因吸油不畅产生气穴噪声和壳体复杂等 问题 。 2 ． 4集 成液 压动 力站 日本油研公司研制了集成液压动力站 Y F - P A C K， 将柱塞泵、电动机、油箱等集成在一起 ，同时还集成 了其他一些附件 ，如螺线管开关、换 向阀、温度计、 压力开关等 ，如图8所示。各部件之间实现了无管连 接 ，因此 不存 在泄漏。特 制 的壳体 结构 使得 Y F P A C K与传统液压动力站相比体积减小 5 0 ％ ，质量减 少 3 0 ％，安装空间减到原来 的一半 ，可以很方便地 放置在各种机床中。这种结构同时也减小了振动和气 穴噪声。集成动力单元的能量损失比传统液压动力单 元减小了 1 0 ％，具有很好的散热性能，可 以使温升 保持在一个很低的水平，整体温升 比室温低 1 2℃， 因此热变形小。适用于矿物型油及合成型油液液压系 统 一 驯 。 P T D r 0一 le 金 图 8 集成液压动力站 机床与液压 第 3 9卷 从 2 0 1 0年开始 ，作者在国家 自然科学基金的资 助下，开展了一体化电动液压动力单元内部流动与噪 声机理的研究，已设计出一种规格的一体化电动液压 动力单元 液压动力电池 ，并进入试制阶段 ，目标 是使得一体化电动液压动力单元可以像电池一样使用 方便，安静地为与液压动力电池相连接的液压系统提 供液压能 。 3 一体化电动液压动力单元的基础研究 与国外相比，国内在一体化电动液压动力单元的 研究方面起步较晚、投入较少，大部分厂家只生产传 统的动力站和少量的 电机油泵组。造成这种状况 的原 因是多方面的，比如对一体化电动液压动力单元的研 发重视不够、其通用性不如传统动力单元。随着经济 社会的发展，传统液压动力单元和现代需求的矛盾将 越来越明显。因此，一体化动力单元的研究和应用将 迈人现代液压技术发展的快车道。 液压动力电池的基础性研究仍是关键之一 ，共性 基础性问题 有 1 液压动力电池的能量损失机理，提高液压动 力电池的效率。 2 液压动力电池的噪声和振动机理 ，并根据机 理进 一步降低液压动力 电池 的噪声 。 3 液压动力电池在热传导、转子搅拌、回油扰 动复杂条件下 的多相流 液体 一气泡 一固体颗粒 内部 流场及 其控制。 4 液 压动力 电池在不 同转速 、不同温度下气泡 析出机理和气泡的生长模型，为彻底解决气穴现象提 供依 据。 节能、减振降噪、洁净耐用是一体化液压动力单 元基础性研究要解决的重点问题。解决上述问题对一 体化电动液压动力单元的发展具有较大意义。 4结论 一 体化电动液压动力单元具有噪声低、高效、紧 凑简约、洁净耐用等优点，克服了传统型电动液压动 力单元的诸多缺点。液压动力电池具有重要的研究价 值和应用前景，将成为推动液压技术创新发展和应用 领域扩大的重要推动力之一。深入开展其共性基础性 问题的研究，对促进具有自主知识产权的高品质液压 动力电池的开发与应用具有重要意义。 参考文献 【 1 】杨尔庄． 环保节能和液压技术[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 5 71 5 ． 【 2 】 杨尔庄． 环保节能、 电子化和液压技术[ J ] ． 机电产品市 场 ， 2 0 0 7 4 4 9 5 3 ． 【 3 】 杨华勇， 马吉恩， 徐兵． 轴向柱塞泵流体噪声的研究现状 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9 ， 4 5 8 7 1 7 9 ． 【 4 】N A G A I S H I K ， S U Z U K I R， T A N A K A Y ． B u b b l e E l i m i n a t i o n f o r E n v i r o n me n t a l l y F ri e n d l y De s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e ms [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h J F P S I n t e r n a t i o n al S y m p o s i u m o r H u i d P o w e r ， T o y a ma， 2 0 0 8 2 8 92 9 4． 【 5 】 冀宏 ， 丁大力， 王峥嵘， 等． 液压电机泵内置孔板离心泵 的流场解析与优化[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9 ， 4 5 6 1 9 92 0 5 ． 【 6 】 冀宏 ， 李志峰， 王峥嵘， 等． 液压电机泵中样机的性能试 验[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 0， 4 1 1 1 4 8 5 1 ． 【 7 】张大杰 ， 高殿荣， 王有杰， 等． 基于 A N S Y S 的轴向柱塞液 压电机泵电磁场数值计算与分析[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 1 2 6 9 7 4 ． 【 8 】高殿荣 ， 王有杰， 陆向辉， 等． 基于技术的新型轴向柱塞 液压电机泵流场计算与分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 5 48 ． 【 9 】B R E E Z E J o h n F r e d e ri c k ． E l e c t ri c M o t o r a n d P u m p C o n n e c t e d T h e r e t o U S ， 6 4 1 1 2 9 『 P 1 ． 1 9 1 1 7 2 8 ． 【 1 0 】h t t p ／ ／ w w w ． h y d r anl i k ． c o m ． c n ／ i n d e x c h ． h t m， 【 1 1 】C A N T O N A l l e n A ． C o m b i n a t i o n M o t o r a n d P u m p U S ， 3 4 5 1 2 9 [ P ] ． 1 9 2 9 3 7 ． 【 1 2 】V i c k e r s ． He c t r i c M o t o r D r i v e n H y d r a t d i e P u m p E P ， 0 2 7 5 4 9 8 [ P ] ． 1 9 8 6 - 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