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行业动态
电动车化黄金时代的高速路液压泵控制技术态势与考验(调查报告)
时间: 2022-04-28 11:51 浏览次数:
那时跟他们沟通交流的是电动车化黄金时代的高速路油压泵控制技术态势与考验,分五个部份。驱动力力与控制技术考验纯电动车化黄金时代对轻工业油压来说象征意义并不大,即使它原本用的是电动车机。那时他们讲的简而言之电动车化黄金时代的来临,主要就牵涉的还亦然高架道路终端电脑(主要就包括建设项目工程施工机械电子设备、农机、林业机械电子设备、轻工业工程车等)。非高架道路终端电脑是油压商品最小的采用者,也是油压控制技

那时跟他们沟通交流的是电动车化黄金时代的高速路油压泵控制技术态势与考验,分五个部份。

驱动力力与控制技术考验

纯电动车化黄金时代对轻工业油压来说象征意义并不大,即使它原本用的是电动车机。那时他们讲的简而言之电动车化黄金时代的来临,主要就牵涉的还亦然高架道路终端电脑(主要就包括建设项目工程施工机械电子设备、农机、林业机械电子设备、轻工业工程车等)。非高架道路终端电脑是油压商品最小的采用者,也是油压控制技术产业发展最小的驱动力力,较之轻工业油压,终端油压商品的许多关键控制MA明确要求更高。现阶段海内外双碳经济政策与节能环保法律法规等快速了蒸汽机黄金时代向电动车机黄金时代过渡阶段的脚步。能说今后非高架道路终端电脑应用领域,从前在轻工业电子设备中所采用的油压控制技术,特别是变输出功率的油压控制技术会正式成为非主流(见图1)。

图1 非高架道路终端电脑电动车化

狭义的非高架道路终端电脑,如果还主要就包括电脑人(现阶段也是油压应用领域的两个科学研究领涨板块)。有两类电脑人是贯穿或工作台的(见图2),比如说要贯穿几十公斤以内,现阶段油压依然是此类电脑人最关键的驱动力控制系统。除那些类生物尺寸电脑人外,还有两类电脑人,他们叫外骨骼也好,叫康复机械电子设备也好,实际上你别看它很小,到现在为止油压也是外骨骼设计工程师最关键的驱动力与传动选择,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轻工业界控制技术会议上,关于外骨骼、康复电脑里面的紧凑型油压传动科学研究占了很大一部份。

图2 重载与外骨骼电脑人也是终端电脑电动车化最热门的应用

现阶段许多非高架道路终端电脑开始采用电动车机作为原动机,现阶段还仅仅是蒸汽机的简单替代,油压元件与 控制系统几乎没有改变,只是蒸汽机替换成电动车机,这种控制技术变化相对较小的方案容易很快进入市场。但存在两个最小的问题,它没有充分利用电动车机的控制技术优势,现代电动车机比蒸汽机最小的优势是输出功率-力矩特性非常好,能够四象限连续工作,这个特性其实给油压控制技术带来很多机遇。即使蒸汽机高效区窄以及动态响应差,所以很多创新的油压控制系统原理构型无法在蒸汽机黄金时代应用,在电动车化黄金时代,非高架道路终端电脑的油压控制系统构型会有很多创新和变化。

他们举个例子,油压传动控制系统大概分为四大类(见图3)。其中闭式泵控控制系统效率最高,泵控控制系统电动车机能不调速,当然也能调速。今后调速电机肯定是要取代不调速电机、变量泵这种控制系统,即使它有更多的优点。现在看来,电机调速的泵控控制系统一定会正式成为非高架道路终端电脑今后的选择,即使考虑到分布式寄生损失的影响,它的效率要比现在的泵控控制系统高很多。

图3 油压传动控制系统的基本构型级理论效率

为什么说电动车化中分布式的动力机构这么关键?主要就还是即使工程机械电子设备具有两个非常关键的特点,它是单动力源多执行机构,是只有两个泵源,但有一大堆的执行器,这样的控制系统天生效率低,至今没有好办法。有许多好的控制技术方案都在实验室里,在市场上并没有得到应用。在电动车化黄金时代,分布式驱动力取代集中式驱动力正式成为可能,现在看来,分布式电液动力控制系统一定会正式成为今后电脑的两个主要就方向。

狭义分布式电液控制控制系统有几种构型(见图4),其中分布式动力有点类似他们非常熟悉的EHA——静电液控制系统,它是真正的分布式,它如果是效率最高的一种类型。现阶段在各行各业,特别在非高架道路终端电脑上,他们都在进行许多实验样机的构建。这个控制技术本身非常古老,五六十年前就出现在美国人的许多战斗机上。现在航空航天应用领域,很多企业都做这方面的科学研究,相对来说比较成熟。即使比较成熟,它面临的考验也是比较大的。其实EHA的核心是油压泵,而至今为止,他们油压泵的设计是不考虑变输出功率的,即使从前的源动力,无论是电动车机还是蒸汽机,它几乎是不调速的。因此泵所有的设计都是针对固定工况、额定输出功率的,输出功率一变化,设计就变得非常复杂了。

图4 狭义分布式电液控制控制系统的三种形式

那么这种EHA对泵的明确要求是什么样的?

宽输出功率范围。为什么这么说呢?即使现代调速电动车机从零输出功率一直到额定输出功率,都能保持100%以内的输出功率,但现有油压泵都无法在宽输出功率范围内工作,他们现有的商用泵最低输出功率基本到500~600rpm就下不去了,低输出功率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。他们现有的泵很那难四象限工作,当然有许多像A4VG这样的泵,但是它也不完全是为变输出功率准备的,所以今后明确要求油压泵一定要具备四象限工作的能力。

更高的输出功率。为什么要高输出功率呢?其实不是泵需要高输出功率,是即使电动车机要高输出功率。如果电动车机输出功率不高,它的功率密度比指标就比较低。所以在终端机械电子设备上,如果电动车机要想跟油压马达竞争的话,电动车机一定要在20000~30000rpm以内。既然电动车机要高速路,那泵也只能高速路。所以输出功率20000rpm以内的泵如果是今后油压泵最小的两个控制技术态势和变化。

从设计的角度来说,他们面临的考验是什么呢?首先,在宽输出功率范围,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,现阶段也不太会设计,一般来说泵工况很优秀,马达工况指标就比较差;第三,这么高的输出功率,无论轴承、轴系、还是吸排油特性等都发生了很多关键的变化。

现状

现阶段在轻工业界,市场上的一般通用油压泵输出功率都在2000rpm以下;工程机械电子设备蒸汽机驱动力的泵马达在2100~2300rpm;航空航天应用领域比较特殊,它有10000rpm以内的泵,比较小众,马达也是一样。

对高输出功率泵来说,最关键的是吸油,怎么把油吸上来。为什么在航空航天应用领域没有问题,即使它是吸入口增压的,而在民用应用领域,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,到现阶段为止还没有可能,都需要采取许多辅助升压的措施。

不管怎么说,电动车化黄金时代对油压泵最关键的两大考验是大范围变速和四象限工作能力。

结构型式

对轻工业界来说,什么种类的泵能适应高速路化和变速化呢?从原理上看,所有的油压泵都能做到,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。

能说,现阶段齿轮泵是最受追捧的。在10000rpm、20000rpm以内,齿轮泵表现出很好的特性,而且它便宜、结实可靠。所以在航发蒸汽机的燃油控制系统,齿轮泵用的很多,基本都在高输出功率运行,当然它主要就用于输送,不用于控制。现阶段非主流的齿轮泵马达商品中内啮合马达输出功率可达10000rpm,所以齿轮泵齿轮马达如果是今后变输出功率油压非常关键的两个选择。这主要就跟它的摩擦副有关,它的摩擦副特性非常好,非常适合于快速的启停和变化,即使它结构简单。如果是柱塞泵,结构太复杂了,它是两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考验。

叶片泵也亦然常好的一种适合高输出功率的油压泵,早期美国军方科学研究过多种叶片泵形式,有的可达15000rpm左右,后来即使各种原因没有商业化了。不管怎么样,叶片机械电子设备的摩擦副特性也比较好,所以它也比较适合今后变输出功率的明确要求。另外叶片泵的低速保压能力比较强,比如说在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。

柱塞泵是现阶段高压控制系统的的主要就形式,即使在高压场合他们必须采用它,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亦然常小众的品种,在市场上没几家做,现阶段也没有高输出功率的商品。但在上世纪七、八十年代,美国科学研究了几种特殊结构的径向柱塞泵,当时的输出功率都可达10000rpm、20000rpm,那些泵都有非常好的性能,但最终没有出现在市场上。因此高速路径向柱塞泵从原理上讲没有问题,即使它的尺寸、重量、效率还有其他许多指标都非常好。

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,但这种泵有两个天生的优势,即使它缸体不动,所以很容易配流,而且它一般采用阀配流,现在配流数字化的科学研究也不少,所以如果配流阀采用连续控制的电磁阀,它的配流就能根据工况来智能化调整,理论上泵的性能可显著提升。这种泵在哪些应用领域有应用呢?早期美国航空航天科学研究机构把这种泵做到10000rpm、20000rpm没问题,而且它效率高,即使它的配流是阀配流。现阶段这种泵在低速下的特性很受重视。他们浙大科学研究的旋转斜盘的特种泵,主要就是给排水等应用领域,它很容易做成超高压,这跟它的结构型式有关。另外在高速路泵方面他们浙江大学在超高速路泵上做了三代样机,最后一代样机的指标是16000rpm,35MPa,这是实验室数据,还没到商品这个级别。它有许多比较特殊的设计,主要就为了适应高速路,比如说说滑靴结构很独特,滑靴本身有公转、有自转,但它没有相对于斜盘的相对输出功率,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。

设计方法

如何设计那些油压泵?结构发明是核心,但是有价值的发明创造难度太大,大部份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商品基础上优化,这也亦然常有价值的工作。优化要有工具和手段,现阶段先进的解析仿真手段非常多。在轴向柱塞泵这个应用领域,经过几十年海内外学者专家的努力,在先进的解析工具方面有很多创新,从模型角度来说,经过60年的产业发展,现在那些模型已经比较准确了。那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,这个模型没有物理象征意义,它由几十个多项式组成,那些多项式的取值、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,但是在轻工业界,它是所有模型中最准的,因此它具有实用价值。在学术界,他们更关心物理建模、解析建模。数字模型如果准了,它的象征意义更大,即使它比较直观,而且跟元件的物理本质是相关的,它有利于工程师理解和今后的创新设计,各有各的好处。

在轻工业界,现阶段有许多小型的专用软件获得了应用,那些软件不是商用的。比如说说在配流盘设计上有专门的软件。为什么要这么做?如果把泵看作两个刚性物体,你无需先进的解析手段,但是现代商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。现代柱塞泵商品的摩擦副结构设计已经发生了许多变化,比如说说柱塞副,传统都是圆柱副,现在他们能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,对那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。

测试控制技术

这里讨论的测试不是油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。我给他们介绍一下高速路泵的测试。浙江大学科学研究高速路泵的测试方案中,有两个很关键的测试项目:搅拌损失。一般来说2000rpm以下的油压泵不需要考虑这个问题,但是到了10000rpm以内,这个搅拌损失就会变得非常关键,搅拌损失会达到总损失的10%~20%,严重影响泵的效率。近年来他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?一般都认为柱塞如果搅拌得更厉害,但实际上缸体是搅拌损失的最小的产生源(见图5),他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两个嵌入式的罩结构,他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?即使其界面流场发生了很大的变化,如果他们把流场规整了,那么这个损失会显著地下降。他们在缸体上设计的两个整流罩,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,可获得宽输出功率范围的综合效果。

图5 旋转组件搅拌损失与输出功率的映射规律

摩擦副油膜微观参数的测试电子设备比较昂贵,而且设计与分析非常困难。浙江大学一直从事油压泵摩擦副的微米级油膜的测试科学研究,给航空航天企业做泵马达研发的时候用,他们提供许多测试油膜的电子设备。现阶段这种测试电子设备大部份以拟实为主,不是真实的工况,但总比模拟的好,这样可面向轻工业界的工程师采用,大部份的实验比较简单,可降低成本。以两个滑靴副和柱塞副为例,他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。另外他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,他们依然不能准确的知道滑靴自转的变化规律,他们现阶段有一套实验装置,设计得更精密更精巧,与国外同类装置较之,他们测量的参数范围和数量更多。

另外是测配流副,他们认为配流副比较简单,即使配流盘是不动的,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。最近他们提出了一种方法,基本思路是:柱塞泵缸体的驱动力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,他们在缸体每隔120°安装两个电涡流传感器,这样能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较之,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。

结论

现阶段非高架道路终端电脑的电动车化应用领域,轻工业界主要就考虑电动车机取代蒸汽机,关心电池/电容等新增部件和控制系统,不怎么考虑油压元件与控制系统的变化。最近几年,油压控制系统的新构型出来很多,充分利用了电动车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关键了。作为油压储能元件,油压蓄能器存在许多控制技术的瓶颈,所以现在蓄能器科学研究很关键的两个领涨板块是如何提高能量密度以及轻量化。

在非高架道路终端电脑应用领域,电动车机取代蒸汽机还有很长的高架道路要走,现阶段电动车机械电子设备执行机构仍难以象油压执行机构那样适应恶劣工况和环境,轻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,再好的控制技术也应用不到实践中。

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