电气化让液压泵的缺点无处可藏

对气候变化和全球变暖的担忧加剧是人们对零排放车辆越来越感兴趣的关键原因。电动移动机械虽然仍然主要处于原型阶段,但可能需要液压泵和变速驱动器来发展以适应未来的应用。

电气化让液压泵的缺点无处可藏

轴向柱塞泵中的典型力可能导致电池供电设备出现问题。

液压泵是高性能组件。然而,根据德国Klettgau Bucher Hydraulics的工程师的说法,他们有一些根本性的缺陷,突出了面对新需求时需要改进的巨大需求。

技术成熟且久经考验的液压泵和马达在移动机械中发挥其全部潜力,传统上设计和设计用于与柴油发动机组合使用。它们是为这种应用而发明的,几十年来不断改进,并且在今天这种组合中具有适当的效率。话虽如此,这些成熟的解决方案在涉及传动系统电气化的新应用中显然已达到极限,特别是在涉及电池供电的机器的情况下。这在几乎所有应用关键因素中都很明显:从启动行为和安装空间到噪声水平和效率。

电池容量很昂贵,因此需要有效地使用,但是可以达到的程度在很大程度上取决于系统中的各个组件。最近的电气化项目清楚地证实了电驱动器的高效率。相比之下,液压系统的效率滞后,并不适合这些应用。使用简单,低成本的泵会以电池为代价导致高功率损耗。仅需要有价值的电池容量来弥补功率损耗,并且它不可避免地转换成无用的热量。

功率损耗

液压泵的效率及其功率损耗直接影响成本和排放。考虑一个在250 bar压力和1,500 rpm下运行的80 cc/rev排量泵的示例。泵效率ηp = 0.85,轴上的功率损失= 8.8 kW。

在液压泵损失的功率也必须由电动机,这意味着电效率η供给È(E-马达+逆变器)= 0.92,这相当于一个功率损耗= 9.5千瓦在输入电源。经过1,000小时的运行时间后,这相当于9,500千瓦时。

采用德国环境局CO 2排放量为2017年因素,这给人的5102千克CO 2排放量只弥补了从马达/泵系统的低效率导致固有损耗。除了增加排放外,补偿液压泵的功率损耗当然也会对成本产生影响:1,000小时@ $ 0.16 / kWh = 1,520美元。

高噪音水平
由于其特殊设计,轴向柱塞泵会产生相当大的噪音。液压流体的脉动以及相关的交替且大幅度波动的内部泵力导致壳体振动最终传递到整个机器。这会导致应用中的高噪声水平。

电气化让液压泵的缺点无处可藏

轴向柱塞泵中典型的高脉动导致电驱动应用中的噪声水平存在问题。

虽然可以添加隔音作为次要措施,但这总是与额外的工作相关,需要更大的安装空间和额外的成本。在工业环境中,这有时是不可避免的,但由于空间有限,它在移动液压领域几乎是不可想象的。

当液压泵与柴油发动机一起使用时,物理脉动的问题几乎不可察觉。这在静音电动机的应用中发生了根本性的变化,其中特征响度以极其令人不愉快的方式变得突出并且被最终用户完全拒绝。相反,他们要求在很宽的速度和压力范围内尽可能降低噪音。

速度和压力

一个相关的问题是泵如何在低速下运行。这是因为在高压下,为了防止由于混合摩擦引起的高磨损,变速泵不得低于某一最低速度。这在定位重载时尤其明显,其中在高压下仅低流速将保证精确运动。

在这种情况下,速度是建立润滑膜的重要标准。但是,由于最低速度限制(不低于1,000 rpm),泵输出的油太多,而且必须通过旁路排出多余的油。在高压下,这会导致大量损失。这些损失也必须通过电池弥补:它的一些容量只是被转换成无用的热量。最后但同样重要的是,使用简单的外啮合齿轮泵无法实现移动机器所需的350 bar的高压。

当泵在马达工况运行时,情况同样重要。当能源效率是最重要的问题之一时,由于能量回收不充分,液压驱动装置的整体效率不高。当恢复潜在的能量(例如,增加的重量)并将其转移到能量存储装置时,损失实在太高 – 这最终意味着太少的能量返回到电池。

马达启动特性

电气化让液压泵的缺点无处可藏

弯轴马达中的高轴向力且无法被补偿,需要被超大的滚珠或滚柱轴承吸收。这增加了空间需求并使集成变得更加困难。

弯轴马达中的高轴向力且无法被补偿,需要被超大的滚珠或滚柱轴承吸收。这增加了空间需求并使集成变得更加困难。

使液压驱动器使用更具挑战性的另一个负面特征是液压马达的启动特性,特别是基于斜盘设计的那些:马达在突然开始移动之前最初受到载荷和静摩擦。该过程存在应用困难,并且当例如使用提升绞车来轻推定位不方便的负载时,其具有破坏性效果。另外,低速运转受到叠加的扭矩脉动。反过来,这可能导致敏感机器的振荡,从而需要采取二次措施。

最后但并非最不重要的是,所需的大量安装空间是一个缺点:弯轴马达的轴向力很大且无法被补偿,只能被超大的滚珠或滚柱轴承吸收。这增加了机器所需的空间,因此集成不那么简单。

总而言之,迫切需要改进液压泵和马达的效率,噪音产生,安装范围和变速能力。移动机械的需求 – 已经很高 – 只会在未来增加。

Bucher Hydraulics 
www.bucherhydraulics.com

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