高端移动装备液压元件与系统轻量化发展综述

孔祥东，朱琦歆，姚 静，尚耀星，祝 毅

（1.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛066004；

2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京100191；

3.浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州310058）

0 引言

高端移动装备涉及航空航天[1]、机器人[2]和工程机械[3-4]等领域，其装备水平代表着国家工业技术水平，是大国重器的重要象征。以工程机械为例，2019年我国工程机械行业主营业务收入突破6 000亿元，为国家的经济建设做出了巨大贡献。液压系统具有高功重比、响应快、无级调速等优点，是大型高端移动装备实现大功率传动与驱动的核心。在这些装备中，液压系统占有非常大的功率和重量，轻量化后可使整机性能得到明显改善，是进一步减轻移动装备重量的主要解决途径之一。

液压元件与系统轻量化不仅可减轻移动装备自重、降低原动机功率，还可提高装备续航能力、机动性能和承载能力，同时还可实现节能减排。在液压驱动的各类移动装备中：泵车减重10%，可实现油耗降低6%～10%[5]；机器人减重47%，实现了从平地行走到高难度跳跃的突破[6-8]；飞机重量每减轻1%，性能提高3%～5%，且能降低燃油消耗，提高载重，降低运营成本[9]。

液压系统由液压动力单元、液压驱动单元及连接管路组成。其中，液压动力单元即液压油源系统，由原动机（内燃机、电动机等）、泵组、油箱组件、滤油器组件、控温组件及蓄能器组件等元件组成，用于将化石能源、电能转换成液体压力能；液压驱动单元即电液执行器系统，由控制元件（伺服阀、比例阀等）、执行元件（液压缸、液压马达等）、传感检测元件（位移传感器、力传感器等）及相应连接管路等元件组成，用于将液体压力能转换成机械能。

目前，部分发达国家已通过碳纤维[10]、紧凑设计[11]和增材制造[12]等新材料新工艺手段，开展了轻量化液压元件与系统的研究工作，部分已处于样机测试阶段，但其技术对中国封锁；我国在液压元件与系统轻量化方面也取得了一定的阶段性成果[13-15]，但仍需开展进一步研究工作；国内外均缺乏整体的轻量化设计理论及方法。

本文评述了国内外高端移动装备的液压元件与系统轻量化最新研究进展，分析了国内外诸多单位及学者在液压动力单元、液压驱动单元、电静液作动系统等方面的研究成果及特点，提出了我国液压轻量化发展方向。

1 液压动力单元及元件轻量化现状

液压动力单元轻量化渠道主要分为系统集成和元件减重。其中，液压油箱和液压集成元件在该系统中占重较大，最具轻量化潜力。以下将从液压动力单元系统集成和以上两种元件减重两方面阐述。

1.1 液压动力单元轻量化现状

自20世纪80年代开始，德国[16]、美国[17]等发达国家对液压动力单元的一体化集成开展研究，主要集中于液压泵与电机的一体化集成，称之为“电机油泵组”[18]，其中美国Vickers公司提出电机柱塞泵结构（Integrated Motor Pump，IMP）[13，19]，较传统结构体积减小30%～50%。此后，雅歌辉托斯[20]、波克兰液压[21]、捷太格特[22]、伊顿[23]、博世力士乐[24]等多家公司均研制了集成式液压动力单元，将液压泵、液压阀、电机、油箱等设计成一个有机整体，大幅度地减小了液压动力单元的体积和重量。

德国博世力士乐在紧凑型液压动力单元方面的研究最具典型性，已研发以CytroPac为代表的紧凑型液压动力单元[24-25]，如图1所示。CytroPac最大工作压力24 MPa，最大流量35 L/min，可应用于机床、汽车等行业。该液压动力单元集变频器、电机、泵、传感器等于一体，在保证性能情况下，将油箱容量减少至20 L，并采用热管技术进行冷却，最终实现将所有元件安装于0.5m3的空间内。此外，在输出功率保持不变的情况下，能源需求降低了30%～80%。

美国派克公司研制了多款紧凑型液压动力单元，可应用于工业、移动机械、航空航天等领域。图2所示液压动力单元为其系列产品之一[26]，其工作压力24 MPa，最大流量5.4 L/min，包含电机、齿轮泵、油箱、内部控制阀、单向阀及溢流阀。该紧凑型液压动力单元分为单转向和双转向2种，采用集成性设计和非金属油箱，减小了系统的体积和重量。

国内学者在液压动力单元小型化和集成化[27-30]、电机泵一体化[13，31-32]等方面开展了大量的研究工作。兰州理工大学冀宏教授设计了一种内嵌式液压电机叶片泵，将叶片泵泵芯直接置于浸油电动机转子内部，在叶片泵泵芯前侧加入孔板离心泵结构，构成一体化液压动力单元，该液压动力单元与传统“三段式”液压动力单元相比，体积减小50%、轴向尺寸减小61%[13，33]。

燕山大学孔祥东教授团队俞滨副教授等研发了液压足式机器人液压动力单元[34]，如图3所示。该液压动力单元工作压力21 MPa，最大流量20 L/min，由伺服电机、齿轮泵、蓄能器、低压油箱、单向阀、溢流阀、阀块、传感器、风冷却器、锂电池等组成。可根据负载流量需求调节伺服电机转速，对液压动力单元进行压力控制，避免大量的溢流损失，提高了能源利用率，现已应用于双足机器人样机。哈尔滨工业大学李松晶教授团队袁立鹏副教授等研发了一款液压动力单元[35]，如图4所示。该液压动力单元工作压力21 MPa，最大流量36 L/min，集成有内燃机、柱塞泵、蓄能器、过滤器、低压油箱、冷却器、传感器等元件，通过控制化油器节气门的开度实现对发动机转速控制，进而控制系统流量。该液压动力单元已应用于四足机器人，并实现了踏步、行走、对角小跑等步态。

国内外液压动力单元轻量化现状表明：国内外已有诸多学者对小型化、紧凑型液压动力单元开展研究，并已有企业和研究单位通过集成设计、紧凑布局等技术手段，研发了新一代液压动力单元产品或样机。与传统未集成设计的液压动力单元相比，新一代液压动力单元集成度高，体积和重量更小，在一定程度上实现了轻量化。

1.2 液压油箱轻量化现状

液压油箱在液压系统中主要是起到储油、散热、分离油液中气体和沉淀污物的作用。按液压油箱液面是否与大气相通，可分为开式液压油箱和闭式液压油箱。传统液压油箱一般由金属材料制造而成[36-37]，其体积和重量较大，而在轻量化发展趋势下，非金属材质液压油箱已逐渐受到重视。

德国雅歌辉托斯公司研发了两款工程机械开式非金属液压油箱[38]，如图5所示。图5（a）所示为注塑油箱，容积最大为60 L；图5（b）所示为注塑与滚塑结合油箱，容积最大为150 L。两款液压油箱温度范围为-30℃～100℃，短时间可达120℃。该液压油箱不仅集成了各种过滤功能，箱体上还安装了油位指示器。油箱几何形状可根据安装条件进行调整，与传统金属油箱相比，其布置灵活，更适合系统集成，以减小液压系统整体体积和重量。

加拿大Smart Reservoir研发了可用于移动装备的闭式非金属液压油箱[39]（Variable Volume Reservoir，VVR），如图6所示。该液压油箱工作温度范围为-20℃～107℃，可为液压泵吸油口提供0.01～0.06 MPa压力，最大承受压力为2.06 MPa。在工作过程中，油箱体积可自动适应油液体积变化，且可根据系统需要的油液体积大小，将液压油箱进行串并联。目前，该液压油箱已应用于车辆、轮船、钻井机械、机器人等行业，具有显著减重效果，如某钻井车辆使用7 L该型油箱代替200 L传统油箱，减少约400磅重量[40]。

国内已公布了开式非金属液压油箱样机[41]，但其结构相对简单，尚未实现金属液压元件与非金属液压油箱的集成，功能也较单一[42-44]。燕山大学孔祥东教授团队姚静教授等对非金属开式/闭式液压油箱进行了研究工作，已开展了液压油箱散热[45]、油液清洁[46]、弹性油箱构型设计[47]等方面的研究。此外，文献[48]设计了一种塑料液压油箱，如图7所示，运用Solidworks软件对成型工艺进行模拟分析，设计了吹塑塑料油箱模具，并通过优化回油嵌件、固定嵌件和出油嵌件3种注塑模具，保障了优化方案的严密性。目前，该液压油箱已应用于东风汽车公司某自卸车型。

国内对闭式液压油箱的研究集中于结构改进方面，主要有增压油箱和变容油箱。文献[49]设计的接触式增压油箱，如图8所示，其进出油口设置在油箱下方，油箱上部设有充气口，通过充气口充入压力气体给油箱内油液增压。文献[50-51]设计的隔离式增压油箱，如图9和图10所示，采用活塞或弹性皮囊将油液与介质隔离，通过加压气体或弹簧等其他机械结构对皮囊或活塞施加压力给油液增压。

文献[52]设计的变容油箱，如图11所示，采用金属刚性外壳作为油箱主体，弹性内衬由波纹状的板材制成，内衬与外壳形成封闭容腔，大小弹性内衬在油的吸入和排出过程中向相反方向伸缩，实现油箱容积的改变。

国内外液压油箱轻量化现状表明：国外通过非金属材料及其加工工艺，研制了非金属开式/闭式液压油箱产品；国内已有公开发表的非金属液压油箱文献，有少量非金属开式油箱产品，但其功能相对单一。与传统金属液压油箱相比，非金属液压油箱减重明显。

1.3 液压集成元件轻量化现状

液压集成元件是液压系统的重要组成部分，常见液压集成元件有液压集成块、液压阀体等。随着增材制造技术的发展[53-55]，其为液压集成元件的制造提供了一种全新解决方案，由此可获得结构更紧凑、体积更小、重量更轻的液压集成元件。

国外学者研究了增材制造在液压管[56]、液压集成块[57-58]、液压泵[59]等方面的应用。美国穆格公司采用增材制造技术研制了轻量化液压产品样机[60]，图12所示为增材制造液压集成块[60-61]。通过对集成块内部油道优化设计，使整体结构更紧凑，并改善了管路中的液流状态。在保证集成块强度和必要安装面情况下，去除了多余金属，较大程度减小了其体积和重量。

意大利Aidro公司利用增材制造技术，对传统方向控制阀进行重新设计和成形[61-62]，实现轻量化，如图13所示，与传统形式相比，采用该设计方案可实现减重75%，尺寸减小50%。德国利勃海尔公司与开姆尼茨工业大学合作研发了空客A380扰流板作动器集成块[61]，如图14所示，该集成块采用钛粉经选区激光熔化（SLM）技术打印而成，在保证原来性能情况下减重35%。

国内关于液压集成块的研究主要集中于流道优化[63-65]、三维设计[66-68]等方面。浙江大学杨华勇院士团队祝毅副教授基于SLM技术，对液压集成块进行了成形设计[61，68]，如图15所示，使液压集成块重量从1.5 kg减至0.98 kg，减重35%；体积由535 cm3减至116 cm3，减少78%；根据提取的典型流道仿真结果显示，压力损失降低了50%。

国内外液压集成元件轻量化现状表明：国内外均对增材制造液压集成元件展开了研究，已研制多种液压集成元件产品或样机，并已有产品投入实际使用。与传统减材制造液压集成元件相比，利用增材制造技术，可实现复杂液压流道加工，获得的液压集成元件结构紧凑、空间利用率高，体积和重量更小。

2 液压驱动单元及元件轻量化现状

液压驱动单元轻量化渠道主要分为整体集成和液压执行元件减重。其中，液压执行元件的减重以液压缸为主。以下将从液压驱动单元整体集成和液压缸减重两方面阐述。

2.1 液压驱动单元轻量化现状

液压驱动单元一般由液压阀、液压缸、油路连接块、传感器等元件集成，广泛应用于机器人[69]、负载模拟器[70]等行业。

美国波士顿动力公司的液压四足式机器人BigDog关节驱动采用的液压驱动单元，如图16所示，其将小型伺服阀、传感器、进回油管路连接块和伺服缸高度集成为一个整体单元[71-72]，满足了机器人关节安装空间小、功率大等需求，使自重约109 kg、负重45 kg的BigDog可实现自由行走或奔跑，最快移动速度6.4 km/h，最大爬坡角度35°[73]。

美国穆格公司研发了新型液压驱动单元[60，74]，如图17所示。该型液压驱动单元壳体采用增材制造，其结构更加紧凑，流道压力损失更小，尺寸和重量也得到了进一步优化。与图16所示液压驱动单元相比，该液压驱动单元新集成了控制器，可满足即插即用。目前，其已应用于意大利技术研究院的HyQReal四足机器人，使机器人膝关节纵摆达225 Nm的峰值扭矩，并使该机器人可拉动重3 t的飞机[75]。

燕山大学孔祥东教授团队俞滨副教授等研发了多种机器人关节液压驱动单元[76-78]，如图18所示。该液压驱动单元包含伺服阀、伺服缸、油路连接块、力传感器及位移传感器，其中缸筒内部设有流道，以连通油路连接块、伺服阀和伺服缸两腔油口，该种集成结构降低了机器人管路接头损坏和泄漏故障发生率，提高了关节运动的动态响应。目前，已成功应用于国内多款液压足式机器人样机，如哈尔滨工业大学液压四足机器人，其可在负重52 kg情况下，以0.64 m/s的速度对角小跑[79]。

此外，北京理工大学、哈尔滨工业大学、山东大学等也研发了足式机器人液压驱动单元。图19所示为北京理工大学[80]和山东大学[81]机器人关节液压驱动单元。

国内外液压驱动单元轻量化现状表明：国内外对液压阀控液压缸结构进行了高度集成，形成了液压驱动单元，并已投入实际应用；国外利用增材制造技术，将液压缸、伺服阀阀体、液压集成块等加工成一个有机单元，进一步提高了液压驱动单元的集成度。与传统液压阀控液压缸结构相比，液压驱动单元集成度高，体积和重量更小，集成化设计减小了阀与缸间的油液体积，提高了系统的固有频率。

2.2 液压缸轻量化现状

国外学者已对液压缸轻量化进行研究[82-84]，但传统液压缸采用金属减材制造，其重量的优化空间有限。碳纤维复合材料具有低密度、高强度、耐疲劳、耐腐蚀等诸多优点[85-86]，已成为金属液压缸的首选代替材料。

德国汉臣公司研制了碳纤维液压缸[87]，如图20所示。该型液压缸最高工作压力14 MPa，采用碳纤维缠绕成型技术，在缸筒和活塞杆上局部应用碳纤维复合材料实现减重，重量可降低25%～30%，其设计及制造技术未对外披露。

美国派克公司研发的碳纤维液压缸由碳纤维复合材料和高性能合金制成[10，88-89]，如图21所示。该型液压缸工作压力38 MPa，定制设计的液压缸最高工作压力70 MPa，重量最高可降低60%。目前，派克碳纤维液压缸的产品信息仅限于其产品宣传手册，相关技术未对外披露。

国内碳纤维液压缸的研究起步相对较晚，目前尚无相关产品或样机，仅有公开发表的论文和专利[90-93]。文献[94]设计了碳纤维复合材料增强液压油缸，如图22所示，其提出在车薄加工的金属缸筒外表面使用碳纤维复合材料进行加强，减重效果可达到30%以上。2016年，浙江大学徐兵教授等申请了“一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸”发明专利[95]，如图23所示，缸筒外层以高强度碳纤维为增强材料、环氧树脂为基体，采用接触成型法将碳纤维缠绕在缸筒组件金属部分，缸筒组件可与其他组件分离，使维修成本和难度均低于整体式复合材料液压缸。

2019年，中联重科[5]针对长臂架泵车的液压缸，通过碳纤维复合材料与金属材料复合的结构形式实现缸筒轻量化设计，通过采用轻质高强度7075-T6铝合金替换原有钢材料实现活塞与导向套的轻量化设计，如图24所示，在保证性能的同时可实现减重10%～15%。

国内外液压缸轻量化现状表明：国外液压企业已利用碳纤维及成型技术，研制了碳纤维液压缸样机；国内暂无成熟的碳纤维液压缸样机。与金属减材制造的传统液压缸相比，碳纤维液压缸减重明显，一定程度实现了液压缸的轻量化。

3 电静液作动系统轻量化现状

电静液作动系统即电静液作动器（Electrohydrostatic actuator，EHA）属于直驱式泵控电液伺服系统，是液压动力单元与液压驱动单元的高度一体化集成，主要由电机、双向液压泵、液压缸、阀组等元部件集成，已应用于飞机[96-97]、机器人[98-99]等领域。与未集成的传统直驱式泵控电液伺服系统相比，电静液作动器具有集成度高、体积和重量小等优势[100]。

国外对电静液作动器的研究较早[101-103]，穆格、派克、博世力士乐、利勃海尔等多家公司均有相关产品[104-105]。美国派克公司研发了多款电静液作动器，可应用于飞机、汽车等行业[106]。图25所示为派克代表性电静液作动器之一[107]，通过新技术优化了其尺寸和重量，已应用于F-35战机。该电静液作动器的动力源由定排量、高速、双向液压泵和直流无刷电机组成，工作压力34.5 MPa，最大输出功率25 kW，执行器行程大于254 mm，工作温度范围-54℃～135℃。电静液作动器的应用，使飞机可采用“动力电传”和分系统的集成，与采用常规技术相比，F-35的起飞重量减轻了6%，易损面积减少了15%，购买费用减少了5%，寿命期费用减少了2%～3%[108]。

空客A380飞机副翼使用的电静液作动器如图26所示[109-112]，作为一个独立的液压执行机构，其动力及控制部件为变速电机驱动液压泵，其中电机采用了湿转子结构和密封套管设计，并通过迭代设计，优化了液压泵的容积效率。虽然该电静液作动器重量是相邻液压执行机构重量的两倍，但取消一个液压系统显著地节省了飞机整体重量。最终，采用电静液作动器和电备份液压作动器（EBHA）方案，使飞机重量减轻1 500 kg[108]。

国内对电静液作动器的研究起步相对较晚，北京航空航天大学[113-114]、中航工业金城南京机电液压工程研究中心[115-116]、中国航天科技集团公司第一研究院第十八研究所（以下简称十八所）[104]、浙江大学[117]、哈尔滨工业大学[104]等单位对电静液作动器理论及样机开展了研究工作。图27所示为北京航空航天大学焦宗夏教授团队尚耀星教授等研发具有能量回收功能的电静液作动器[118-120]，其最大工作压力28 MPa，最大出力200 kN，执行器行程80 mm，由电机、液压泵、能量回收模块、执行器组成，可用于飞机作动器。研究表明，该型电静液作动器具有电机发热低、系统可靠性高、平均无故障时间长等特点。

图28所示为十八所研制电静液作动器[104]，其中，图28（a）所示电静液作动器功率5 kW，工作压力21 MPa，额定出力45 kN；图28（b）所示双余度电静液作动器功率15 kW，额定出力300 kN，但仅适用于低速情况。

国内外电静液作动器轻量化现状表明：国内外对直驱式泵控电液伺服系统的集成进行了广泛研究，已将电机、双向液压泵、液压缸、阀组等元部件高度集成为一个整体，形成了电静液作动器；通过设计新原理，研制了诸如具备能量回收功能的电静液作动器。与未集成的传统直驱式泵控电液伺服系统相比，电静液作动器集成度高、体积小、重量轻，集成化设计减小了控制元件与执行元件间的油液体积，可提高系统的固有频率。

4 我国液压轻量化发展方向

我国工信部和科技部等高度重视移动装备液压元件与系统轻量化发展，以防止其成为潜在的“卡脖子”技术。2018年，国家重点研发计划在“制造基础技术与关键部件”重点专项中设立了基础前沿类的“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”专项指南。2019年，由燕山大学孔祥东教授团队牵头，北京航空航天大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校参与，获批该重点研发计划重点专项立项。主要从以下4个方向开展高端移动装备液压元件与系统的轻量化研究工作：

轻量化设计新理论：功率匹配是传统液压系统设计方法，系统性能是其重点考虑因素；轻量化设计新理论应在兼顾系统性能的基础上，将重量作为设计约束条件之一，实现原始设计层面的系统减重。

非金属材料新应用：传统液压元件普遍采用钢材或铝合金减材制造，其减重幅度有限；与金属材料相比，非金属材料密度更小，是液压元件大幅减重的核心手段。

增材制造新工艺：减材制造是金属加工的传统方法，很难实现液压元件与系统的大幅减重；增材制造打破传统束缚，结合排布与拓扑优化设计，将使液压元件与系统结构更紧凑、体积更小、重量更轻。

一体化集成新技术：传统液压系统一般采用机械连接件（螺栓、螺钉等）、液压连接件（管路、接头体等）进行各液压元件的集成安装，浪费了大量空间并增加了附加重量；一体化集成新技术将摒弃不必要的机械及液压连接件，融合排布优化理论与多界面融合技术，实现液压系统的进一步小型化和轻量化。

5 总结

本文将高端移动装备液压系统划分为液压动力单元、液压驱动单元和电静液作动系统，并从系统集成和主要元件减重两方面，评述了液压动力单元与元件、液压驱动单元与元件、电静液作动系统的国内外轻量化发展现状，最后展望了我国液压轻量化发展方向。本文旨在通过对国内外高端移动装备液压元件与系统轻量化现状进行总结，突出轻量化的重要性，阐明轻量化将是液压行业未来新发展方向之一，并提出我国液压轻量化发展方向。

国内外高端移动装备液压元件与系统轻量化现状表明：液压元件与系统轻量化取得了阶段性成果，国内外已有相关液压元件及单元样机，与未进行集成设计的传统液压系统相比，液压动力单元、液压驱动单元、电静液作动器的集成度高、体积和重量更小，通过新材料和新工艺的应用，诸如液压油箱、液压缸、液压集成元件等元件得到了减重；随着轻量化设计新理论、非金属材料新应用、增材制造新工艺、一体化集成新技术的不断发展和完善，液压元件与系统体积和重量将进一步减小，有助于实现高端移动装备进一步减重。