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电动化时代的高速液压泵技术趋势与挑战

见道网 2022-05-07 18:15
  • 电动化时代的到来,主要涉及的还是非道路移动机器
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由中国液压气动密封件工业协会和汉诺威米兰(中国)有限公司共同组织举办的2021 PTC ASIA展会,于2021年10月26日~29日在上海浦东新国际博览中心成功举办。展会同期举办的“PTC ASIA 2021高新技术展区@国际技术交流报告会”再次成为展会重要技术内涵和亮点,吸引了众多嘉宾前来学习交流。PTC ASIA 2021 高新技术展区现场技术报告。

电动化时代的高速液压泵技术趋势与挑战——据浙江大学专家徐兵报告录音整理

今天跟大家交流的是电动化时代的高速液压泵技术趋势与挑战,分四个部分。

驱动力与技术挑战

纯电动化时代对工业液压来讲意义不大,因为它本来用的就是电动机。今天我们讲的所谓“电动化时代的到来”,主要涉及的还是非道路移动机器(包括工程建设施工机械、农业机械、林业机械、工业车辆等)。非道路移动机器是液压产品最大的用户,也是液压技术发展最大的推动力,相比工业液压,移动液压产品的一些重要技术指标要求更高。目前国内外双碳政策与节能法规等加速了内燃机时代向电动机时代过渡的步伐。可以说未来非道路移动机器领域,以前在工业设备中所使用的液压技术,尤其是变转速的液压技术会成为主流。

广义的非道路移动机器,应该还包括机器人(目前也是液压领域的一个研究热点)。有一类机器人是承载或作业的(见图2),比如要承载几十公斤以上,目前液压仍然是这类机器人最重要的驱动系统。除了这些类生物尺寸机器人外,还有一类机器人,我们叫外骨骼也好,叫康复机械也好,实际上你别看它很小,到现在为止液压也是外骨骼设计工程师最重要的驱动与传动选择,其他传动形式在功率密度比指标上比较差。在假肢外骨骼这个方向,其实市场是蛮大的。在国际学术会议以及工业界技术会议上,关于外骨骼、康复机器里面的紧凑型液压传动研究占了很大一部分。

目前一些非道路移动机器开始采用电动机作为原动机,目前还仅仅是内燃机的简单替代,液压元件与 系统几乎没有改变,只是内燃机替换成电动机,这种技术变化相对较小的方案容易很快进入市场。但存在一个最大的问题,它没有充分利用电动机的技术优势,现代电动机比内燃机最大的优势就是转速-力矩特性非常好,能够四象限连续工作,这个特性其实给液压技术带来很多机遇。因为内燃机高效区窄以及动态响应差,所以很多创新的液压系统原理构型无法在内燃机时代应用,在电动化时代,非道路移动机器的液压系统构型会有很多创新和变化。

我们举个例子,液压传动系统大概分为四大类(见图3)。其中闭式泵控系统效率最高,泵控系统电动机可以不调速,当然也可以调速。未来调速电机肯定是要取代不调速电机、变量泵这种系统,因为它有更多的优点。现在看来,电机调速的泵控系统一定会成为非道路移动机器未来的选择,因为考虑到分布式寄生损失的影响,它的效率要比现在的泵控系统高很多。

为什么说电动化中分布式的动力机构这么重要?主要还是因为工程机械具有一个非常重要的特点,它是单动力源多执行机构,就是只有一个泵源,但有一大堆的执行器,这样的系统天生效率低,至今没有好办法。有一些好的技术方案都在实验室里,在市场上并没有得到应用。在电动化时代,“分布式驱动”取代“集中式驱动”成为可能,现在看来,分布式电液动力系统一定会成为未来机器的一个主要方向。

“广义”分布式电液控制系统有几种构型(见图4),其中分布式动力有点类似大家非常熟悉的EHA——静电液系统,它是真正的分布式,它应该是效率最高的一种类型。目前在各行各业,尤其在非道路移动机器上,大家都在进行一些实验样机的构建。这个技术本身非常古老,五六十年前就出现在美国人的一些战斗机上。现在航空航天领域,很多企业都做这方面的研究,相对来说比较成熟。即使比较成熟,它面临的挑战也是比较大的。其实EHA的核心是液压泵,而至今为止,我们液压泵的设计是不考虑变转速的,因为以前的源动力,无论是电动机还是内燃机,它几乎是不调速的。因此泵所有的设计都是针对固定工况、额定转速的,转速一变化,设计就变得非常复杂了。

那么这种EHA对泵的要求是什么样的?

宽转速范围。为什么这么说呢?因为现代调速电动机从零转速一直到额定转速,都可以保持100%以上的转速,但现有液压泵都无法在宽转速范围内工作,我们现有的商用泵最低转速基本到500~600rpm就下不去了,低转速效率很低甚至无法工作。当然也有低速(每分钟几十转)的泵,那都是特殊设计的,是个小众市场。

四象限工作。我们现有的泵很那难四象限工作,当然有一些像A4VG这样的泵,但是它也不完全是为变转速准备的,所以未来要求液压泵一定要具备四象限工作的能力。

更高的转速。为什么要高转速呢?其实不是泵需要高转速,是因为电动机要高转速。如果电动机转速不高,它的功率密度比指标就比较低。所以在移动机械上,如果电动机要想跟液压马达竞争的话,电动机一定要在20000~30000rpm以上。既然电动机要高速,那泵也只能高速。所以转速20000rpm以上的泵应该是未来液压泵最大的一个技术趋势和变化。

从设计的角度来讲,我们面临的挑战是什么呢?首先,在宽转速范围,泵该怎么设计;第二,四象限工作的泵马达,在所有工况下要兼顾高效率高性能,目前也不太会设计,一般来说泵工况很优秀,马达工况指标就比较差;第三,这么高的转速,无论轴承、轴系、还是吸排油特性等都发生了很多重要的变化。

目前在工业界,市场上的一般通用液压泵转速都在2000rpm以下;工程机械内燃机驱动的泵马达在2100~2300rpm;航空航天领域比较特殊,它有10000rpm以上的泵,比较小众,马达也是一样。

对高转速泵来讲,最重要的是吸油,怎么把油吸上来。为什么在航空航天领域没有问题,因为它是吸入口增压的,而在民用领域,一般不考虑不增压,大多数需要自吸。如果是只靠自吸达到20000rpm,到目前为止还没有可能,都需要采取一些辅助升压的措施。

不管怎么说,电动化时代对液压泵最重要的两大挑战就是大范围变速和四象限工作能力。

对工业界来讲,什么种类的泵能适应高速化和变速化呢?从原理上看,所有的液压泵都可以做到,但要考虑成本、压力等级、简便化、零件数量、噪音、外形尺寸等等。

可以说,目前齿轮泵是最受追捧的。在10000rpm、20000rpm以上,齿轮泵表现出很好的特性,而且它便宜、结实可靠。所以在航发内燃机的燃油系统,齿轮泵用的很多,基本都在高转速运行,当然它主要用于输送,不用于控制。目前主流的齿轮泵马达产品中内啮合马达转速可达10000rpm,所以齿轮泵齿轮马达应该是未来变转速液压非常重要的一个选择。这主要跟它的摩擦副有关,它的摩擦副特性非常好,非常适合于快速的启停和变化,因为它结构简单。如果是柱塞泵,结构太复杂了,它是一个复杂的串并联机构,如果它频繁正反转,对设计与制造是个很大的挑战。

叶片泵也是非常好的一种适合高转速的液压泵,早期美国军方研究过多种叶片泵形式,有的可达15000rpm左右,后来因为各种原因没有商业化了。不管怎么样,叶片机械的摩擦副特性也比较好,所以它也比较适合未来变转速的要求。另外叶片泵的低速保压能力比较强,比如在30rpm的时候,它依然比较容易保持住压力。在其他泵中,要达到这一点,必须有额外的、昂贵的设计。

柱塞泵是目前高压系统的的主要形式,因为在高压场合我们必须使用它,分径向柱塞泵和轴向柱塞泵两类。其实径向柱塞泵到现在为止都是非常小众的品种,在市场上没几家做,目前也没有高转速的产品。但在上世纪七、八十年代,美国研究了几种特殊结构的径向柱塞泵,当时的转速都可达10000rpm、20000rpm,这些泵都有非常好的性能,但最终没有出现在市场上。因此高速径向柱塞泵从原理上讲没有问题,因为它的尺寸、重量、效率还有其他一些指标都非常好。

轴向柱塞泵是我们最关心的,因为它是现有的主流泵里面研究的最成熟的,但是由于它的摩擦副型式限制了它在变转速中的一些更广泛的应用,它本身是有一些问题的。到现在为止,很少有人专门为变转速的工况研究柱塞泵。力士乐公司专门为变转速开发的轴向柱塞泵产品(基于其著名的A 10系列产品)。

另外还有一种轴向柱塞泵比较小众,这种柱塞泵是旋转配流盘的。这种泵很少有人生产,全世界可能也就一、二家,但这种泵有一个天生的优势,因为它缸体不动,所以很容易配流,而且它一般采用阀配流,现在配流数字化的研究也不少,所以如果配流阀采用连续控制的电磁阀,它的配流就可以根据工况来智能化调整,理论上泵的性能可显著提升。这种泵在哪些领域有应用呢?早期美国航空航天研究机构把这种泵做到10000rpm、20000rpm没问题,而且它效率高,因为它的配流是阀配流。目前这种泵在低速下的特性很受重视。我们浙大研究的旋转斜盘的特种泵,主要是给排水等领域,它很容易做成超高压,这跟它的结构型式有关。另外在高速泵方面我们浙江大学在超高速泵上做了三代样机,最后一代样机的指标是16000rpm,35MPa,这是实验室数据,还没到产品这个级别。它有一些比较特殊的设计,主要为了适应高速,比如说滑靴结构很独特,滑靴本身有公转、有自转,但它没有相对于斜盘的相对转速,它卡在盘子上,盘子质量也比较大,所以它的旋转很稳定,这种泵的效率非常高。

在轴向柱塞泵中,多年来轻视了一种轴向柱塞泵——斜轴泵,斜轴泵做高速泵也非常好,目前20000rpm左右的斜轴泵是法国某航空公司的产品,在航空EHA刹车单元里面都用这种泵,它的功率密度比据说可达10kW/kg。

如何设计这些液压泵?结构发明是核心,但是有价值的发明创造难度太大,大部分工程师是很难有发明创造的,他们更普遍的工作是在现有的产品基础上优化,这也是非常有价值的工作。优化要有工具和手段,目前先进的解析仿真手段非常多。在轴向柱塞泵这个领域,经过几十年国内外学者专家的努力,在先进的解析工具方面有很多创新,从模型角度来讲,经过60年的发展,现在这些模型已经比较准确了。这些模型大致可归为三类:物理流量损失模型、解析流量损失模型、数字流量分析模型,现在最准确的模型是数字流量损失模型,这个模型没有物理意义,它由几十个多项式组成,这些多项式的取值、系数是根据辨识和实验数据得来的。这个模型在学术界不怎么受欢迎,但是在工业界,它是所有模型中最准的,因此它具有实用价值。在学术界,我们更关心物理建模、解析建模。数字模型如果准了,它的意义更大,因为它比较直观,而且跟元件的物理本质是相关的,它有利于工程师理解和未来的创新设计,各有各的好处。

在工业界,目前有一些小型的专用软件获得了应用,这些软件不是商用的。比如说在配流盘设计上有专门的软件。为什么要这么做?如果把泵看作一个刚性物体,你无需先进的解析手段,但是现代产品进入到了精细化设计阶段,柱塞泵摩擦副的核心体现在微观层面(微米级的摩擦界面),界面的油膜与固体边界结构变形的耦合,决定了柱塞泵的性能、可靠性、寿命,结构变形的信息也都是反映在油膜上。所以如果没有先进的计算和数字解析软件工具,就无法分析和理解摩擦副油膜的物理场信息,也就无法优化设计摩擦副结构。现代柱塞泵产品的摩擦副结构设计已经发生了一些变化,比如说柱塞副,传统都是圆柱副,现在我们可以设计各种非圆柱的摩擦副结构,通过先进的数值分析与解析工具,对这些结构进行优化设计。否则就只能靠反复地试验,这样成本就太高了。

这里讨论的测试不是液压泵宏观参数的测试,而是摩擦副的界面油膜的物理参数测试,这样的测试难度非常大。我给大家介绍一下高速泵的测试。浙江大学研究高速泵的测试方案中,有一个很重要的测试项目:搅拌损失。一般来说2000rpm以下的液压泵不需要考虑这个问题,但是到了10000rpm以上,这个搅拌损失就会变得非常重要,搅拌损失会达到总损失的10%~20%,严重影响泵的效率。近年来我们做了不少富有价值的工作。首先是怎么测量它,另外如何分析它。柱塞泵搅拌损失是缸体引起的还是柱塞引起?一般都认为柱塞应该搅拌得更厉害,但实际上缸体是搅拌损失的最大的产生源,我们有个非常好的测试装置,比较准确地测试了搅拌损失。那么如何抑制它呢?有各种各样的方法,但最实用的方法是在缸体表面加一个嵌入式的罩结构,我们给这种方法起了个名字,叫规整流场。为什么缸体会产生这么大的损失呢?因为其界面流场发生了很大的变化,如果我们把流场规整了,那么这个损失会显著地下降。我们在缸体上设计的一个整流罩,损失就降低得非常明显,另外通过缸体表面涂层降低摩擦系数,可获得宽转速范围的综合效果。

摩擦副油膜微观参数的测试设备比较昂贵,而且设计与分析非常困难。浙江大学一直从事液压泵摩擦副的微米级油膜的测试研究,给航空航天企业做泵马达研发的时候用,我们提供一些测试油膜的设备。目前这种测试设备大部分以拟实为主,不是真实的工况,但总比模拟的好,这样可面向工业界的工程师使用,大部分的实验比较简单,可降低成本。以一个滑靴副和柱塞副为例,我们能测滑靴副的摩擦力,以及这个滑靴副三个自由度的位置和运动;还能测柱塞副的摩擦力,可支撑结构的优化设计。另外我们也测试滑靴的摩擦副,滑靴的摩擦副界面参数测量是比较难的一件事,到现在为止,我们仍然不能准确的知道滑靴自转的变化规律,我们目前有一套实验装置,设计得更精密更精巧,与国外同类装置相比,我们测量的参数范围和数量更多。

另外是测配流副,大家认为配流副比较简单,因为配流盘是不动的,那么在端盖上加三个微小位移传感器就行,但这种方法难以反映柱塞泵缸体的多自由运动状态。最近我们提出了一种方法,基本思路是:柱塞泵缸体的驱动轴是时变的反复挠曲运动形式,那么缸体的位姿就直接映射配流副的倾覆状态,我们在缸体每隔120°安装一个电涡流传感器,这样可以真实地测量缸体的位姿变化,与测量配流盘与缸体之间的夹角的方案相比,新方法明显更直观,测量的数据可反映缸体配流副的信息更多。

航空航天领域EHA技术牵引了高速泵的发展,但是一旦进入民口,这个问题就比较麻烦了,因为民口关注的是性能与成本的综合等因素。但不管怎么说,未来无论是产业界,还是学术界,高速且变速的液压泵的研究是非常重要的一个方向。

目前非道路移动机器的电动化领域,工业界主要考虑电动机取代内燃机,关心电池/电容等新增部件和系统,不怎么考虑液压元件与系统的变化。最近几年,液压系统的新构型出来很多,充分利用了电动机的四象限工作能力,另外它很容易回收能量,这时候蓄能器变得很重要了。作为液压储能元件,液压蓄能器存在一些技术的瓶颈,所以现在蓄能器研究很重要的一个热点是如何提高能量密度以及轻量化。

在非道路移动机器领域,电动机取代内燃机还有很长的道路要走,目前电动机械执行机构仍难以象液压执行机构那样适应恶劣工况和环境,工业界考虑的是在恶劣工况下成本、性能的折中,如果不考虑这一点,再好的技术也应用不到实践中。(转载请注明见道网www.seetao.com)见道网工程栏目编辑/邢文涛

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