孔祥東，朱琦歆，姚 靜，尚耀星，祝 毅

（1.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；

2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191；

3.浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州310058）

0 引言

高端移動裝備涉及航空航天[1]、機器人[2]和工程機械[3-4]等領(lǐng)域，其裝備水平代表著國家工業(yè)技術(shù)水平，是大國重器的重要象征。以工程機械為例，2019年我國工程機械行業(yè)主營業(yè)務(wù)收入突破6 000億元，為國家的經(jīng)濟建設(shè)做出了巨大貢獻。液壓系統(tǒng)具有高功重比、響應(yīng)快、無級調(diào)速等優(yōu)點，是大型高端移動裝備實現(xiàn)大功率傳動與驅(qū)動的核心。在這些裝備中，液壓系統(tǒng)占有非常大的功率和重量，輕量化后可使整機性能得到明顯改善，是進一步減輕移動裝備重量的主要解決途徑之一。

液壓元件與系統(tǒng)輕量化不僅可減輕移動裝備自重、降低原動機功率，還可提高裝備續(xù)航能力、機動性能和承載能力，同時還可實現(xiàn)節(jié)能減排。在液壓驅(qū)動的各類移動裝備中：泵車減重10%，可實現(xiàn)油耗降低6%～10%[5]；機器人減重47%，實現(xiàn)了從平地行走到高難度跳躍的突破[6-8]；飛機重量每減輕1%，性能提高3%～5%，且能降低燃油消耗，提高載重，降低運營成本[9]。

液壓系統(tǒng)由液壓動力單元、液壓驅(qū)動單元及連接管路組成。其中，液壓動力單元即液壓油源系統(tǒng)，由原動機（內(nèi)燃機、電動機等）、泵組、油箱組件、濾油器組件、控溫組件及蓄能器組件等元件組成，用于將化石能源、電能轉(zhuǎn)換成液體壓力能；液壓驅(qū)動單元即電液執(zhí)行器系統(tǒng)，由控制元件（伺服閥、比例閥等）、執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）、傳感檢測元件（位移傳感器、力傳感器等）及相應(yīng)連接管路等元件組成，用于將液體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能。

目前，部分發(fā)達國家已通過碳纖維[10]、緊湊設(shè)計[11]和增材制造[12]等新材料新工藝手段，開展了輕量化液壓元件與系統(tǒng)的研究工作，部分已處于樣機測試階段，但其技術(shù)對中國封鎖；我國在液壓元件與系統(tǒng)輕量化方面也取得了一定的階段性成果[13-15]，但仍需開展進一步研究工作；國內(nèi)外均缺乏整體的輕量化設(shè)計理論及方法。

本文評述了國內(nèi)外高端移動裝備的液壓元件與系統(tǒng)輕量化最新研究進展，分析了國內(nèi)外諸多單位及學(xué)者在液壓動力單元、液壓驅(qū)動單元、電靜液作動系統(tǒng)等方面的研究成果及特點，提出了我國液壓輕量化發(fā)展方向。

1 液壓動力單元及元件輕量化現(xiàn)狀

液壓動力單元輕量化渠道主要分為系統(tǒng)集成和元件減重。其中，液壓油箱和液壓集成元件在該系統(tǒng)中占重較大，最具輕量化潛力。以下將從液壓動力單元系統(tǒng)集成和以上兩種元件減重兩方面闡述。

1.1 液壓動力單元輕量化現(xiàn)狀

自20世紀80年代開始，德國[16]、美國[17]等發(fā)達國家對液壓動力單元的一體化集成開展研究，主要集中于液壓泵與電機的一體化集成，稱之為“電機油泵組”[18]，其中美國Vickers公司提出電機柱塞泵結(jié)構(gòu)（Integrated Motor Pump，IMP）[13，19]，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積減小30%～50%。此后，雅歌輝托斯[20]、波克蘭液壓[21]、捷太格特[22]、伊頓[23]、博世力士樂[24]等多家公司均研制了集成式液壓動力單元，將液壓泵、液壓閥、電機、油箱等設(shè)計成一個有機整體，大幅度地減小了液壓動力單元的體積和重量。

德國博世力士樂在緊湊型液壓動力單元方面的研究最具典型性，已研發(fā)以CytroPac為代表的緊湊型液壓動力單元[24-25]，如圖1所示。CytroPac最大工作壓力24 MPa，最大流量35 L/min，可應(yīng)用于機床、汽車等行業(yè)。該液壓動力單元集變頻器、電機、泵、傳感器等于一體，在保證性能情況下，將油箱容量減少至20 L，并采用熱管技術(shù)進行冷卻，最終實現(xiàn)將所有元件安裝于0.5m3的空間內(nèi)。此外，在輸出功率保持不變的情況下，能源需求降低了30%～80%。

美國派克公司研制了多款緊湊型液壓動力單元，可應(yīng)用于工業(yè)、移動機械、航空航天等領(lǐng)域。圖2所示液壓動力單元為其系列產(chǎn)品之一[26]，其工作壓力24 MPa，最大流量5.4 L/min，包含電機、齒輪泵、油箱、內(nèi)部控制閥、單向閥及溢流閥。該緊湊型液壓動力單元分為單轉(zhuǎn)向和雙轉(zhuǎn)向2種，采用集成性設(shè)計和非金屬油箱，減小了系統(tǒng)的體積和重量。

國內(nèi)學(xué)者在液壓動力單元小型化和集成化[27-30]、電機泵一體化[13，31-32]等方面開展了大量的研究工作。蘭州理工大學(xué)冀宏教授設(shè)計了一種內(nèi)嵌式液壓電機葉片泵，將葉片泵泵芯直接置于浸油電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，在葉片泵泵芯前側(cè)加入孔板離心泵結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一體化液壓動力單元，該液壓動力單元與傳統(tǒng)“三段式”液壓動力單元相比，體積減小50%、軸向尺寸減小61%[13，33]。

燕山大學(xué)孔祥東教授團隊俞濱副教授等研發(fā)了液壓足式機器人液壓動力單元[34]，如圖3所示。該液壓動力單元工作壓力21 MPa，最大流量20 L/min，由伺服電機、齒輪泵、蓄能器、低壓油箱、單向閥、溢流閥、閥塊、傳感器、風(fēng)冷卻器、鋰電池等組成?？筛鶕?jù)負載流量需求調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速，對液壓動力單元進行壓力控制，避免大量的溢流損失，提高了能源利用率，現(xiàn)已應(yīng)用于雙足機器人樣機。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李松晶教授團隊袁立鵬副教授等研發(fā)了一款液壓動力單元[35]，如圖4所示。該液壓動力單元工作壓力21 MPa，最大流量36 L/min，集成有內(nèi)燃機、柱塞泵、蓄能器、過濾器、低壓油箱、冷卻器、傳感器等元件，通過控制化油器節(jié)氣門的開度實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，進而控制系統(tǒng)流量。該液壓動力單元已應(yīng)用于四足機器人，并實現(xiàn)了踏步、行走、對角小跑等步態(tài)。

國內(nèi)外液壓動力單元輕量化現(xiàn)狀表明：國內(nèi)外已有諸多學(xué)者對小型化、緊湊型液壓動力單元開展研究，并已有企業(yè)和研究單位通過集成設(shè)計、緊湊布局等技術(shù)手段，研發(fā)了新一代液壓動力單元產(chǎn)品或樣機。與傳統(tǒng)未集成設(shè)計的液壓動力單元相比，新一代液壓動力單元集成度高，體積和重量更小，在一定程度上實現(xiàn)了輕量化。

1.2 液壓油箱輕量化現(xiàn)狀

液壓油箱在液壓系統(tǒng)中主要是起到儲油、散熱、分離油液中氣體和沉淀污物的作用。按液壓油箱液面是否與大氣相通，可分為開式液壓油箱和閉式液壓油箱。傳統(tǒng)液壓油箱一般由金屬材料制造而成[36-37]，其體積和重量較大，而在輕量化發(fā)展趨勢下，非金屬材質(zhì)液壓油箱已逐漸受到重視。

德國雅歌輝托斯公司研發(fā)了兩款工程機械開式非金屬液壓油箱[38]，如圖5所示。圖5（a）所示為注塑油箱，容積最大為60 L；圖5（b）所示為注塑與滾塑結(jié)合油箱，容積最大為150 L。兩款液壓油箱溫度范圍為-30℃～100℃，短時間可達120℃。該液壓油箱不僅集成了各種過濾功能，箱體上還安裝了油位指示器。油箱幾何形狀可根據(jù)安裝條件進行調(diào)整，與傳統(tǒng)金屬油箱相比，其布置靈活，更適合系統(tǒng)集成，以減小液壓系統(tǒng)整體體積和重量。

加拿大Smart Reservoir研發(fā)了可用于移動裝備的閉式非金屬液壓油箱[39]（Variable Volume Reservoir，VVR），如圖6所示。該液壓油箱工作溫度范圍為-20℃～107℃，可為液壓泵吸油口提供0.01～0.06 MPa壓力，最大承受壓力為2.06 MPa。在工作過程中，油箱體積可自動適應(yīng)油液體積變化，且可根據(jù)系統(tǒng)需要的油液體積大小，將液壓油箱進行串并聯(lián)。目前，該液壓油箱已應(yīng)用于車輛、輪船、鉆井機械、機器人等行業(yè)，具有顯著減重效果，如某鉆井車輛使用7 L該型油箱代替200 L傳統(tǒng)油箱，減少約400磅重量[40]。

國內(nèi)已公布了開式非金屬液壓油箱樣機[41]，但其結(jié)構(gòu)相對簡單，尚未實現(xiàn)金屬液壓元件與非金屬液壓油箱的集成，功能也較單一[42-44]。燕山大學(xué)孔祥東教授團隊姚靜教授等對非金屬開式/閉式液壓油箱進行了研究工作，已開展了液壓油箱散熱[45]、油液清潔[46]、彈性油箱構(gòu)型設(shè)計[47]等方面的研究。此外，文獻[48]設(shè)計了一種塑料液壓油箱，如圖7所示，運用Solidworks軟件對成型工藝進行模擬分析，設(shè)計了吹塑塑料油箱模具，并通過優(yōu)化回油嵌件、固定嵌件和出油嵌件3種注塑模具，保障了優(yōu)化方案的嚴密性。目前，該液壓油箱已應(yīng)用于東風(fēng)汽車公司某自卸車型。

國內(nèi)對閉式液壓油箱的研究集中于結(jié)構(gòu)改進方面，主要有增壓油箱和變?nèi)萦拖洹Ｎ墨I[49]設(shè)計的接觸式增壓油箱，如圖8所示，其進出油口設(shè)置在油箱下方，油箱上部設(shè)有充氣口，通過充氣口充入壓力氣體給油箱內(nèi)油液增壓。文獻[50-51]設(shè)計的隔離式增壓油箱，如圖9和圖10所示，采用活塞或彈性皮囊將油液與介質(zhì)隔離，通過加壓氣體或彈簧等其他機械結(jié)構(gòu)對皮囊或活塞施加壓力給油液增壓。

文獻[52]設(shè)計的變?nèi)萦拖洌鐖D11所示，采用金屬剛性外殼作為油箱主體，彈性內(nèi)襯由波紋狀的板材制成，內(nèi)襯與外殼形成封閉容腔，大小彈性內(nèi)襯在油的吸入和排出過程中向相反方向伸縮，實現(xiàn)油箱容積的改變。

國內(nèi)外液壓油箱輕量化現(xiàn)狀表明：國外通過非金屬材料及其加工工藝，研制了非金屬開式/閉式液壓油箱產(chǎn)品；國內(nèi)已有公開發(fā)表的非金屬液壓油箱文獻，有少量非金屬開式油箱產(chǎn)品，但其功能相對單一。與傳統(tǒng)金屬液壓油箱相比，非金屬液壓油箱減重明顯。

1.3 液壓集成元件輕量化現(xiàn)狀

液壓集成元件是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，常見液壓集成元件有液壓集成塊、液壓閥體等。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展[53-55]，其為液壓集成元件的制造提供了一種全新解決方案，由此可獲得結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小、重量更輕的液壓集成元件。

國外學(xué)者研究了增材制造在液壓管[56]、液壓集成塊[57-58]、液壓泵[59]等方面的應(yīng)用。美國穆格公司采用增材制造技術(shù)研制了輕量化液壓產(chǎn)品樣機[60]，圖12所示為增材制造液壓集成塊[60-61]。通過對集成塊內(nèi)部油道優(yōu)化設(shè)計，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，并改善了管路中的液流狀態(tài)。在保證集成塊強度和必要安裝面情況下，去除了多余金屬，較大程度減小了其體積和重量。

意大利Aidro公司利用增材制造技術(shù)，對傳統(tǒng)方向控制閥進行重新設(shè)計和成形[61-62]，實現(xiàn)輕量化，如圖13所示，與傳統(tǒng)形式相比，采用該設(shè)計方案可實現(xiàn)減重75%，尺寸減小50%。德國利勃海爾公司與開姆尼茨工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)了空客A380擾流板作動器集成塊[61]，如圖14所示，該集成塊采用鈦粉經(jīng)選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)打印而成，在保證原來性能情況下減重35%。

國內(nèi)關(guān)于液壓集成塊的研究主要集中于流道優(yōu)化[63-65]、三維設(shè)計[66-68]等方面。浙江大學(xué)楊華勇院士團隊祝毅副教授基于SLM技術(shù)，對液壓集成塊進行了成形設(shè)計[61，68]，如圖15所示，使液壓集成塊重量從1.5 kg減至0.98 kg，減重35%；體積由535 cm3減至116 cm3，減少78%；根據(jù)提取的典型流道仿真結(jié)果顯示，壓力損失降低了50%。

國內(nèi)外液壓集成元件輕量化現(xiàn)狀表明：國內(nèi)外均對增材制造液壓集成元件展開了研究，已研制多種液壓集成元件產(chǎn)品或樣機，并已有產(chǎn)品投入實際使用。與傳統(tǒng)減材制造液壓集成元件相比，利用增材制造技術(shù)，可實現(xiàn)復(fù)雜液壓流道加工，獲得的液壓集成元件結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高，體積和重量更小。

2 液壓驅(qū)動單元及元件輕量化現(xiàn)狀

液壓驅(qū)動單元輕量化渠道主要分為整體集成和液壓執(zhí)行元件減重。其中，液壓執(zhí)行元件的減重以液壓缸為主。以下將從液壓驅(qū)動單元整體集成和液壓缸減重兩方面闡述。

2.1 液壓驅(qū)動單元輕量化現(xiàn)狀

液壓驅(qū)動單元一般由液壓閥、液壓缸、油路連接塊、傳感器等元件集成，廣泛應(yīng)用于機器人[69]、負載模擬器[70]等行業(yè)。

美國波士頓動力公司的液壓四足式機器人BigDog關(guān)節(jié)驅(qū)動采用的液壓驅(qū)動單元，如圖16所示，其將小型伺服閥、傳感器、進回油管路連接塊和伺服缸高度集成為一個整體單元[71-72]，滿足了機器人關(guān)節(jié)安裝空間小、功率大等需求，使自重約109 kg、負重45 kg的BigDog可實現(xiàn)自由行走或奔跑，最快移動速度6.4 km/h，最大爬坡角度35°[73]。

美國穆格公司研發(fā)了新型液壓驅(qū)動單元[60，74]，如圖17所示。該型液壓驅(qū)動單元殼體采用增材制造，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，流道壓力損失更小，尺寸和重量也得到了進一步優(yōu)化。與圖16所示液壓驅(qū)動單元相比，該液壓驅(qū)動單元新集成了控制器，可滿足即插即用。目前，其已應(yīng)用于意大利技術(shù)研究院的HyQReal四足機器人，使機器人膝關(guān)節(jié)縱擺達225 Nm的峰值扭矩，并使該機器人可拉動重3 t的飛機[75]。

燕山大學(xué)孔祥東教授團隊俞濱副教授等研發(fā)了多種機器人關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動單元[76-78]，如圖18所示。該液壓驅(qū)動單元包含伺服閥、伺服缸、油路連接塊、力傳感器及位移傳感器，其中缸筒內(nèi)部設(shè)有流道，以連通油路連接塊、伺服閥和伺服缸兩腔油口，該種集成結(jié)構(gòu)降低了機器人管路接頭損壞和泄漏故障發(fā)生率，提高了關(guān)節(jié)運動的動態(tài)響應(yīng)。目前，已成功應(yīng)用于國內(nèi)多款液壓足式機器人樣機，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)液壓四足機器人，其可在負重52 kg情況下，以0.64 m/s的速度對角小跑[79]。

此外，北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)等也研發(fā)了足式機器人液壓驅(qū)動單元。圖19所示為北京理工大學(xué)[80]和山東大學(xué)[81]機器人關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動單元。

國內(nèi)外液壓驅(qū)動單元輕量化現(xiàn)狀表明：國內(nèi)外對液壓閥控液壓缸結(jié)構(gòu)進行了高度集成，形成了液壓驅(qū)動單元，并已投入實際應(yīng)用；國外利用增材制造技術(shù)，將液壓缸、伺服閥閥體、液壓集成塊等加工成一個有機單元，進一步提高了液壓驅(qū)動單元的集成度。與傳統(tǒng)液壓閥控液壓缸結(jié)構(gòu)相比，液壓驅(qū)動單元集成度高，體積和重量更小，集成化設(shè)計減小了閥與缸間的油液體積，提高了系統(tǒng)的固有頻率。

2.2 液壓缸輕量化現(xiàn)狀

國外學(xué)者已對液壓缸輕量化進行研究[82-84]，但傳統(tǒng)液壓缸采用金屬減材制造，其重量的優(yōu)化空間有限。碳纖維復(fù)合材料具有低密度、高強度、耐疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點[85-86]，已成為金屬液壓缸的首選代替材料。

德國漢臣公司研制了碳纖維液壓缸[87]，如圖20所示。該型液壓缸最高工作壓力14 MPa，采用碳纖維纏繞成型技術(shù)，在缸筒和活塞桿上局部應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)減重，重量可降低25%～30%，其設(shè)計及制造技術(shù)未對外披露。

美國派克公司研發(fā)的碳纖維液壓缸由碳纖維復(fù)合材料和高性能合金制成[10，88-89]，如圖21所示。該型液壓缸工作壓力38 MPa，定制設(shè)計的液壓缸最高工作壓力70 MPa，重量最高可降低60%。目前，派克碳纖維液壓缸的產(chǎn)品信息僅限于其產(chǎn)品宣傳手冊，相關(guān)技術(shù)未對外披露。

國內(nèi)碳纖維液壓缸的研究起步相對較晚，目前尚無相關(guān)產(chǎn)品或樣機，僅有公開發(fā)表的論文和專利[90-93]。文獻[94]設(shè)計了碳纖維復(fù)合材料增強液壓油缸，如圖22所示，其提出在車薄加工的金屬缸筒外表面使用碳纖維復(fù)合材料進行加強，減重效果可達到30%以上。2016年，浙江大學(xué)徐兵教授等申請了“一種采用碳纖維復(fù)合材料聯(lián)接及承載的可拆卸液壓缸”發(fā)明專利[95]，如圖23所示，缸筒外層以高強度碳纖維為增強材料、環(huán)氧樹脂為基體，采用接觸成型法將碳纖維纏繞在缸筒組件金屬部分，缸筒組件可與其他組件分離，使維修成本和難度均低于整體式復(fù)合材料液壓缸。

2019年，中聯(lián)重科[5]針對長臂架泵車的液壓缸，通過碳纖維復(fù)合材料與金屬材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)缸筒輕量化設(shè)計，通過采用輕質(zhì)高強度7075-T6鋁合金替換原有鋼材料實現(xiàn)活塞與導(dǎo)向套的輕量化設(shè)計，如圖24所示，在保證性能的同時可實現(xiàn)減重10%～15%。

國內(nèi)外液壓缸輕量化現(xiàn)狀表明：國外液壓企業(yè)已利用碳纖維及成型技術(shù)，研制了碳纖維液壓缸樣機；國內(nèi)暫無成熟的碳纖維液壓缸樣機。與金屬減材制造的傳統(tǒng)液壓缸相比，碳纖維液壓缸減重明顯，一定程度實現(xiàn)了液壓缸的輕量化。

3 電靜液作動系統(tǒng)輕量化現(xiàn)狀

電靜液作動系統(tǒng)即電靜液作動器（Electrohydrostatic actuator，EHA）屬于直驅(qū)式泵控電液伺服系統(tǒng)，是液壓動力單元與液壓驅(qū)動單元的高度一體化集成，主要由電機、雙向液壓泵、液壓缸、閥組等元部件集成，已應(yīng)用于飛機[96-97]、機器人[98-99]等領(lǐng)域。與未集成的傳統(tǒng)直驅(qū)式泵控電液伺服系統(tǒng)相比，電靜液作動器具有集成度高、體積和重量小等優(yōu)勢[100]。

國外對電靜液作動器的研究較早[101-103]，穆格、派克、博世力士樂、利勃海爾等多家公司均有相關(guān)產(chǎn)品[104-105]。美國派克公司研發(fā)了多款電靜液作動器，可應(yīng)用于飛機、汽車等行業(yè)[106]。圖25所示為派克代表性電靜液作動器之一[107]，通過新技術(shù)優(yōu)化了其尺寸和重量，已應(yīng)用于F-35戰(zhàn)機。該電靜液作動器的動力源由定排量、高速、雙向液壓泵和直流無刷電機組成，工作壓力34.5 MPa，最大輸出功率25 kW，執(zhí)行器行程大于254 mm，工作溫度范圍-54℃～135℃。電靜液作動器的應(yīng)用，使飛機可采用“動力電傳”和分系統(tǒng)的集成，與采用常規(guī)技術(shù)相比，F(xiàn)-35的起飛重量減輕了6%，易損面積減少了15%，購買費用減少了5%，壽命期費用減少了2%～3%[108]。

空客A380飛機副翼使用的電靜液作動器如圖26所示[109-112]，作為一個獨立的液壓執(zhí)行機構(gòu)，其動力及控制部件為變速電機驅(qū)動液壓泵，其中電機采用了濕轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和密封套管設(shè)計，并通過迭代設(shè)計，優(yōu)化了液壓泵的容積效率。雖然該電靜液作動器重量是相鄰液壓執(zhí)行機構(gòu)重量的兩倍，但取消一個液壓系統(tǒng)顯著地節(jié)省了飛機整體重量。最終，采用電靜液作動器和電備份液壓作動器（EBHA）方案，使飛機重量減輕1 500 kg[108]。

國內(nèi)對電靜液作動器的研究起步相對較晚，北京航空航天大學(xué)[113-114]、中航工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心[115-116]、中國航天科技集團公司第一研究院第十八研究所（以下簡稱十八所）[104]、浙江大學(xué)[117]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[104]等單位對電靜液作動器理論及樣機開展了研究工作。圖27所示為北京航空航天大學(xué)焦宗夏教授團隊尚耀星教授等研發(fā)具有能量回收功能的電靜液作動器[118-120]，其最大工作壓力28 MPa，最大出力200 kN，執(zhí)行器行程80 mm，由電機、液壓泵、能量回收模塊、執(zhí)行器組成，可用于飛機作動器。研究表明，該型電靜液作動器具有電機發(fā)熱低、系統(tǒng)可靠性高、平均無故障時間長等特點。

圖28所示為十八所研制電靜液作動器[104]，其中，圖28（a）所示電靜液作動器功率5 kW，工作壓力21 MPa，額定出力45 kN；圖28（b）所示雙余度電靜液作動器功率15 kW，額定出力300 kN，但僅適用于低速情況。

國內(nèi)外電靜液作動器輕量化現(xiàn)狀表明：國內(nèi)外對直驅(qū)式泵控電液伺服系統(tǒng)的集成進行了廣泛研究，已將電機、雙向液壓泵、液壓缸、閥組等元部件高度集成為一個整體，形成了電靜液作動器；通過設(shè)計新原理，研制了諸如具備能量回收功能的電靜液作動器。與未集成的傳統(tǒng)直驅(qū)式泵控電液伺服系統(tǒng)相比，電靜液作動器集成度高、體積小、重量輕，集成化設(shè)計減小了控制元件與執(zhí)行元件間的油液體積，可提高系統(tǒng)的固有頻率。

4 我國液壓輕量化發(fā)展方向

我國工信部和科技部等高度重視移動裝備液壓元件與系統(tǒng)輕量化發(fā)展，以防止其成為潛在的“卡脖子”技術(shù)。2018年，國家重點研發(fā)計劃在“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”重點專項中設(shè)立了基礎(chǔ)前沿類的“液壓元件與系統(tǒng)輕量化設(shè)計制造新方法”專項指南。2019年，由燕山大學(xué)孔祥東教授團隊牽頭，北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校參與，獲批該重點研發(fā)計劃重點專項立項。主要從以下4個方向開展高端移動裝備液壓元件與系統(tǒng)的輕量化研究工作：

輕量化設(shè)計新理論：功率匹配是傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計方法，系統(tǒng)性能是其重點考慮因素；輕量化設(shè)計新理論應(yīng)在兼顧系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，將重量作為設(shè)計約束條件之一，實現(xiàn)原始設(shè)計層面的系統(tǒng)減重。

非金屬材料新應(yīng)用：傳統(tǒng)液壓元件普遍采用鋼材或鋁合金減材制造，其減重幅度有限；與金屬材料相比，非金屬材料密度更小，是液壓元件大幅減重的核心手段。

增材制造新工藝：減材制造是金屬加工的傳統(tǒng)方法，很難實現(xiàn)液壓元件與系統(tǒng)的大幅減重；增材制造打破傳統(tǒng)束縛，結(jié)合排布與拓撲優(yōu)化設(shè)計，將使液壓元件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小、重量更輕。

一體化集成新技術(shù)：傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)一般采用機械連接件（螺栓、螺釘?shù)龋?、液壓連接件（管路、接頭體等）進行各液壓元件的集成安裝，浪費了大量空間并增加了附加重量；一體化集成新技術(shù)將摒棄不必要的機械及液壓連接件，融合排布優(yōu)化理論與多界面融合技術(shù)，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的進一步小型化和輕量化。

5 總結(jié)

本文將高端移動裝備液壓系統(tǒng)劃分為液壓動力單元、液壓驅(qū)動單元和電靜液作動系統(tǒng)，并從系統(tǒng)集成和主要元件減重兩方面，評述了液壓動力單元與元件、液壓驅(qū)動單元與元件、電靜液作動系統(tǒng)的國內(nèi)外輕量化發(fā)展現(xiàn)狀，最后展望了我國液壓輕量化發(fā)展方向。本文旨在通過對國內(nèi)外高端移動裝備液壓元件與系統(tǒng)輕量化現(xiàn)狀進行總結(jié)，突出輕量化的重要性，闡明輕量化將是液壓行業(yè)未來新發(fā)展方向之一，并提出我國液壓輕量化發(fā)展方向。

國內(nèi)外高端移動裝備液壓元件與系統(tǒng)輕量化現(xiàn)狀表明：液壓元件與系統(tǒng)輕量化取得了階段性成果，國內(nèi)外已有相關(guān)液壓元件及單元樣機，與未進行集成設(shè)計的傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，液壓動力單元、液壓驅(qū)動單元、電靜液作動器的集成度高、體積和重量更小，通過新材料和新工藝的應(yīng)用，諸如液壓油箱、液壓缸、液壓集成元件等元件得到了減重；隨著輕量化設(shè)計新理論、非金屬材料新應(yīng)用、增材制造新工藝、一體化集成新技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，液壓元件與系統(tǒng)體積和重量將進一步減小，有助于實現(xiàn)高端移動裝備進一步減重。