杨尔庄  先生中国液压气动密封件工业协会顾问

近年来，地球环境污染及气候变暖等问题已经受到全世界的高度重视，世界各国在节约能源、保护环境、控制CO2排放等方面都做了大量工作，并制定了相应的法律和规定，如国际标准化组织早在十年前就发布了ISO14000标准。各国对机电产品的节约能源和降低噪声给予了高度重视。

液压技术具有功率重量比大、工作压力和流量可调性好等优点，但由于液压传动中能量的多次转换，其比电气传动和机械传动的能耗大，为了适应节能环保的要求，必需发展节能型液压系统和元件。近年来，液压技术和电气、电子技术相融合，发展了电液融合系统（Hybrid系统），又称电液直接驱动容积控制（DDV）液压系统，取得了良好的节能效果，提高了与电气传动系统竞争的能力，是二十一世纪颇有发展前景的技术。

电液融合系统（Hybrid、DDV系统）

1.概况

电液融合系统是用电机转数直接控制液压泵流量的系统。电机的驱动方式有两种：AC伺服电机驱动方式和变频驱动。其特征如下：

（1）AC伺服电机驱动方式：频响和过载能力优良；适用于压力控制和高精度位置控制。

（2）变频驱动方式：成本低，适用于大功率系统；可用于单独的流量控制和位置控制，用专用控制器即可实现。

2.系统特点

以压机和塑机为例，对过去常用的控制方式和电液融合控制方式进行比较：

（1）过去常用的控制方式

阀控方式：定量泵阀控系统用电液伺服阀对压机和塑机进行精密的位置控制（对油液要进行严格清洁度管理），所需流量外的多余流量全部从溢流阀排出，系统发热，能量消耗较大。

用定量泵、PQ比例阀和负荷阀控制塑机，能量消耗有所改善，减少了溢流阀的流量，但定量泵系统在整个工作过程以额定转数旋转，噪声大且消耗功率。

泵控方式：用变量柱塞泵控制所需的流量和压力，与阀控方式相比可以节省大量能源，且耐污染力增强，无需严格的油液管理，但要液压泵由电机在额定转数下连续运转。卸荷以及保压时，系统内部会泄漏损失一部分能量，加上电机在低负荷时效率较低也会造成能量损失，而且要进一步降低能量损失比较困难。为此国外开发了AC伺服电机或用变频器控制电机转数的电液融合系统。

（2）电液融合系统（Hybrid、DDV系统）

电液融合系统通常由液压泵、可变速电机、回转位置传感器、压力传感器以及伺服驱动器（变频器加控制器）组成。

通常选用的液压泵有以下几种：

内啮合齿轮泵。转数高，噪声比普通泵低30%，寿命长50%。

定量轴向柱塞泵。压力高且效率高，比叶片泵和内啮合齿轮泵的自吸能力强，有双向回转和单向回转两种方式。双向回转定量柱塞泵可组成闭式回路，发热量小，油箱小型化，单向回转型可用一个泵控制多个油缸，广泛用于各种液压系统。

双容积切换型液压柱塞泵。该泵适用于流量控制和压力控制频繁的塑机设备，可由装在其上的电磁阀进行大、小流量的切换。如塑机处在锁模保压状态时泵输出小流量，可显著节省能量。保压时电机以极低转数旋转，使泵的输出流量仅仅用以补充其本身的泄漏量即可。因此，双容积切换型液压泵系统节约能源十分明显，被广泛用于塑机和压机等设备中。

电液融合系统的应用

1.塑料注射机

（1）节省能耗。用过去的液压泵驱动，注射机卸荷和保压时都需要流量和压力，电机以额定转数旋转，加上油泵内漏，会产生严重的电力损失。而在电液融合系统中，AC伺服电机根据所需流量旋转，执行元件不工作时，AC伺服电机停止旋转，可大大降低能耗。在同一模具和同等条件下，回转数泵控制系统比原来的泵控系统节能40%，而其耗电量与电气注射相当。

（2）频率响应特性。进行流量控制时，过去的柱塞泵（斜盘频响）和回转数控制泵（转数交换频响）相比，驱动回转数控制泵的AC伺服电机从零主额定转数的阶跃频响为过去柱塞泵的1/2，约0.1s，和电气式注塑机的频响相当。

（3）低流量和低压区域的控制性。回转数控制方式电机的转数直接控制液压泵，可实现最低注射速度达1mm/s，不需限制最低工作压力，因而低压区域工作的稳定性很好。

（4）注射保压控制。根据制品要求注射保压时间（压力控制状态）需要较长时，AC伺服电机可以保持一定扭矩，但电动式注射机却因电机发热致使保压时间不能过长。采用AC伺服电机的注射机，利用双容积切换型液压泵时，保压时间可达2min以上，可以克服电动式注射机的弱点，对壁厚制品十分有利。

（5）低噪声。电机一般在低于额定转数下工作，保压时电机驱动泵转数甚低，卸荷时电机停止旋转，因而其噪声较低和电动式塑机的噪声相当。

（6）油温上升比较。过去的液压泵，在卸荷和保压时电机继续以额定转数旋转，因内部泄漏而发热，泵泄漏量可达3 L/min。而回转数控制泵在卸荷和保压时电机为保持压力以极低转速旋转，泵泄漏量仅为80～120cc/min。因此，发热量小，油箱比原来系统用油箱小55%，工作用油减少50%，可以不用冷却器或减小冷却器规格，如用水冷可以节水50%。

2.锻压机械

（1）应用伺服驱动方式的高精度控制。

压力机的目标定位精度要求达到数微米，过去都采用电液伺服阀控制系统，效率很低。电液融合系统和传统液压系统相比，采用AC伺服电机驱动双向回转液压系统，而不再用三大类阀（换向阀、压力阀和流控阀），系统的换向、调速和调压全由AC伺服电机和双向回转液压泵来完成，提高了系统的可靠性，减少了压力损失，能耗降低显著，实现了高精度位置控制；系统发热小，油箱容积可减少1/3~1/2，在减少占地的同时，还可以省去冷却器或降低冷却器规格。

（2）变频驱动方式（用异步电机）。

该系统在保压时，转数降低，为降低电机容量，采用双容积切换型液压柱塞泵，减少了油泵的输出流量。在一个循环过程中，电力消耗量为过去阀控式消耗电力的40%，约8.6kW（电机容量55kW，最高工作压力21MPa，最大流量为280L/min）。

3. CNC弯管机

ECO型弯管机上应用了电液融合控制系统，系统由AC伺服电机直接驱动双向回转型定量泵，液压泵置于小型液压包中，AC伺服电机由驱动器控制，发出指令改变旋转方向、转数和扭矩。DDV系统根据负荷需要，来提供所需的流量和压力。

ECO型弯管机和过去的MS型弯管机相比主要特点如下：

（1）消费电力

ECO型弯管机只在负荷需要时，才提供必要的力。在弯曲加工时，其所需的电流耗能仅为5.4kWh，而过去的MS型弯管机则为15.3kWh。因此，ECO型弯管机的节能效果是十分显著的。

（2）噪声。检测结果表明，MS型弯管机在弯管时的噪声为85dBA，ECO型仅为75dBA，而且ECO在弯管动作以外的时间噪声只有50~65 dBA。

4. 液压挖掘机

（1）日本政府支持应用Hybrid技术的节能型挖掘机用液压系统。该系统可节能20%，温升小，可用小型油箱，可有效节省液压用油并延长其使用寿命，噪声也有所降低。系统由发电机提供电力，由驱动器根据需要控制有关电机的转数。主臂升降由Hybrid系统直接控制，下降时将功率回收存入蓄电器。主臂回转由电机直接驱动，减少了由电能转换成液压能的二次能量转换损失，制动时将能量回收存入蓄电器；小臂、铲斗和行走机构由两套Hybrid系统直接驱动，据称该系统是一种有发展前途的节能方案。

（2）哈尔滨工业大学开发了DDV转叶液压舵机，驱动功率为37kW，舵轴转数为35T M，按国际规定，该系统用两个液压驱动装置驱动，其中一套为备用装置。液压装置由交流伺服电机（37kW）、双向回转定量泵、补油阀、液压锁及油罐组成一体的液压包，舵机的驱动、转向、变速和限转矩全部由伺服电机承担。

（3） 哈尔滨工业大学还开发了六自由度运动台和单通道直驱式电液伺服液压缸。

（4）日本OPTON公司生产了DDV直驱式容积液压系统多用于铁水包注水和开起度的控制。

国内外应用情况

早在12年前，国内外就开始了对电液融合直驱容积控制系统（DDV）的研究，近年来进展较快，已在工业界得到应用，开发了节能型塑料注射机、压力机和冶金设备等。美国还将DDV系统用于航空静液压驱动系统。为推广该技术的发展应用，日本一些液压公司已成批生产DDV系统。日本大金公司将公司多年生产变频空调技术的成果移置到液压传动中，开发了永磁式IPM同步电机，具有成本低、低速稳定性好、高频响及高速旋转等功能。公司还利用电机等专用技术开发了低噪声（55dBA）且节能达50%的高性能液压装置，现已成批生产。日本川崎公司开发了“川崎ECO servo”DDV系统，利用价格低廉的感应电机和变频器组合，以及驱动公司生产的高压大流量液压泵，实现了高精度控制；用带有反馈控制功能的控制器能简单实现位置控制和压力控制，川崎公司生产的KESP系统产品，油泵排量为22～140cc/r（六种规格），最高工作压力为35MPa,电机功率11～55kW（六种规格）。日本油研生产的伺服单元，是由AC伺服电机、回转柱塞泵、液压缸、控制器、压力和位置传感器组成的闭式系统。系统不需要电磁阀换向，可以减小压力损失，结构紧凑、节能并能降低噪声。液压泵排量为0～30cc/r，最高工作压力为21MPa；公司还生产DDV液压组合，感应电机功率为0.75～7.5kW；还能为用户提供压力传感器、变频装置和变频转数设定控制器等配套产品。日本TOKIMEC生产的ESS直接驱动泵转数系统具有省能耗、低噪声以及可长时间保持压力等特点，系统流量范围为0～72 L/min，最高压力为21MPa。日本不二越公司生产的变频驱动NSP系列节能液压系统，比标准液压装置节能60%，保压性能好，在6MPa时噪声为55dBA，适用于机床等设备。德国Voith公司用可变速电机和公司生产的内啮合齿轮泵组成的变转数油泵控制统系，在欧洲应用较多，最高压力可以达35MPa，电机功率最大为75kW，已在Battenfeld和MIR等厂家成功使用。

电液融合系统（hybrid）的主要特点

（1）消耗电力可以减少30％～50%，系统保压时（压力控制）可节电60％～90%。

（2）系统温升小，用油可减少50%～60%，可减少50%油箱容积；并可省去冷却器或减小冷却器规格。

（3）噪声低。

（4）低流量和低压力控制性能好，精密塑机射出速度最低可达1mm/s。

（5）系统保压控制时间长，如塑机可达2min，对壁厚制品十分有利。

（6）频响可达0.1s，而传统系统为0.2s，可满足塑机和压机的需求。

（7）采用由AC伺服电机或变频电机驱动液压泵的闭式回路，由AC伺服电机控制液压缸实现往复动作，可省去方向阀，提高系统可靠性并减少压力损失。

（8）电动式注塑机的锁模、注射、计量和零件推出等动作需要由AC伺服马达、减速机和滚珠丝杠组成的四套驱动系统来完成，成本高；而新型的电液融合注塑机仅需一台AC伺服电机和液压泵组成的系统即可，成本低，还提高了可靠性。此外，用AC伺服电机提高系统转数，可采用小容量液压泵驱动液压缸，使系统实现高速化，并节省空间。

总之，电液融合（hybrid DDC）系统基本解决了传统液压系统的缺点，在节能、降低噪声、提高频响、工作重复性和稳定性等方面取得了很大进展，其性能和电传动的性能相当，尤其在电传动无法实现的大功率系统中稳定了其主导地位。在日本、意大利、德国及美国得到了较广泛的应用。该系统的出现为液压传动与控制技术增加了新的活力，扩大了应用领域。随着AC伺服电机和功率电子元件价格的逐渐降低，其应用领域必将不断扩大。降低AC伺服电机和变频器成本；开发专用液压泵，提高其最高工作转数和伺服电机相匹配，提高低转数性能，降低噪声；开发价格低廉的永磁式埋入型（IPM）同步电机等将成为今后研究的重要课题。近年来，液压技术和电气、电子技术相融合，发展了电液融合系统（Hybrid系统），又称电液直接驱动容积控制（DDV）液压系统，取得了良好的节能效果，提高了与电气传动系统竞争的能力，是21世纪颇有发展前景的技术。

电液融合（hybrid DDC）系统基本解决了传统液压系统的缺点，在节能、降低噪声、提高频响、工作重复性和稳定性等方面取得了很大进展，其性能和电传动的性能相当，尤其在电传动无法实现的大功率系统中稳定了其主导地位。