浅谈电动液压动力单元的一体化演变

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，动力单元电池将首先在中小功率场合获得广泛应用。

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[1 -2]，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[3 -6]。传统的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[7 -8]。

2 电动液压动力单元的发展

2. 1 概述

早在20 世纪初国外就出现了将泵和电机一体化的思想。1911 年英国人 john breeze 发明了一种电机离心水泵[9]，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 - 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[10]。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 - 联轴器 - 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。

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。

1929 年，allen a canton 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[11]。1986 年 vickers 申请了一种电机双柱塞泵zhuanli[12]，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。

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50%、轴向尺寸减小61%，噪声降低约7 db。

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yf-pack，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yf-pack 与传统液压动力站相比体积减小50% ，质量减少 30%，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 10%，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12 ℃，因此热变形小。适用于矿物型油及合成型油液液压系统[19 -20]。

从2010 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入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-气泡-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

一体化电液动力单元具有噪音低、效率高、结构紧凑简单、清洁耐用等优点，克服了传统电液动力单元的许多缺点。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展的重要驱动力之一。对它们共同的基本问题进行深入研究，对于促进具有自主知识产权的高质量液压动力电池的开发和应用具有重要意义。

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