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解密液压系统向电动执行器的转换 |
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作者：丹纳赫传动公司 Al Wroblaski 来源：DesignNews |
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许多非公路机械制造商已将液压缸替换为电动执行器，以去除水泵、软管和阀门等部件，让车辆变得更小巧、更轻快、更安静。他们利用了电动执行器与控制系统连接的灵活性，从而获得众多全新性能。例如，电动执行器可与车辆控制器方便连接，实现更为复杂的运动，如在不同位置行使指定次数，提高了非公路机械的性能和运行效率。
如今电动执行器带来的益处已经在实际应用中体现出来——可将最大静载提高到5,000磅，最大动载提高到3,000磅，额定载荷每年都在增长。目前，对液压缸的载荷要求更高，对移动荷载的负载比要求达到100％。
然而现在却出现了一些对电动执行器的误解，使OEM和最终用户忽视了它在许多应用中带来的种种优势，延缓了对它的使用。下面将为大家揭示这些误解，探讨在休闲车、喷雾杆、吹雪机、草坪机械、园林机械、建筑设备和农业设备等非公路车辆和机械中集成电动直线执行器的可能性。
误解1：电动执行器不能应用于苛刻环境
液压技术已经在非公路车辆中应用了几十年，对于这项技术在高频冲击和振动、高浓度粉尘、高水位、腐蚀性化学品和其他潜在危险环境中表现出来的坚固性，工程师们已经非常了解。同与之相对应的电动产品相比，液压执行器在大功率应用中曾经享有传统优势，能够提高大多数苛刻条件应用的性能。但是许多非公路工程师并没有意识到，在过去的十年中，电动执行器的性能在大功率和野外环境中的应用取得了很大的进展，而液压执行器在这些方面的进展微乎其微，或者说根本没有进展。
图1：电动执行器的设计不再采用模块化装配，而是将关键部件都集中在闭合式
装置中，保护它们免受冲击和振动，使环境保护达到最优化
液压执行器的功率密度很大程度上依赖于系统的压力，由于安全和成本的原因，这些压力在过去的十年中已经趋于稳定。另一方面，由于在磁性材料、丝杠和滚珠丝杠的效率、建筑、生产工艺和电子方面取得的进步，电机的功率密度在这段时间内却大幅增加。它所带来的最重要的益处，就是能够在保持高效率的同时产生更强大的功率。电机的优势还体现在输电方面，主要是通过变速箱来实现，可以根据电动直线执行器的应用要求达到最佳效果。因此，电动执行器可在多种应用中提供高功率密度，简化了安装过程，减轻了车辆重量。
如今，非公路应用中的电动直线执行器是专为应对苛刻环境设计的。铸件采用了有限元分析，以提高其荷载处理能力。电动执行器的设计不再采用模块化装配，而是将关键部件都集中在闭合式装置中，保护它们免受冲击和振动。多轴振动测试和分析证明了电动直线执行器能够在实际应用中承受机械载荷。电动执行器的优势还体现在，它不需要连接到电机控制器的线束，而是将连接器固定在外壳内，然后将控制系统电缆插入其中。这种方法提供了更好的封装效果，使电机连接免受损害。总之，目前非公路机械中采用的电动直线执行器的坚固性无论从哪方面来看都不亚于液压执行器。
误解2：电动直线执行器不如液压执行器可靠
许多工程师误认为液压执行器更可靠，这可能是因为他们在使用传统的电动直线执行器时经常出现不够可靠的问题。但是现在电子产品和电气材料的可靠性已大幅提升，电动直线执行器也已从中获益。电动直线执行器的构成只包括电机、变速箱、导螺杆（或滚珠丝杠）和离合器这几部分，比同类液压产品更简单。液压系统的部件非常之多，包括油箱、水泵、直流电机、电机继电器、电磁阀、止回阀、液压缸、按键式控制台等。基于高度可靠的电子技术和最小的失效可能性，电动直线执行器的可靠性在近几年里已经得到提升，在多数应用中比安装了液压执行器的机器还要耐用。
电动直线执行器具有免维护的特点，因此很少产生因维护不足带来的失效问题。液压系统则需要细致的维护，包括定期更换液体和过滤器，确保系统内保持足够的液体。在苛刻的非公路应用中，液压机液体容易受到污染，受到污染的液体流过系统时会产生连锁反应，损坏多个零部件，每个部件都可能因此需要维修或替换。液压系统一般会控制多轴运动，这样会影响机器操作的许多方面。例如，如果一个轴的负载较高，会减少回路压力，对其他轴产生影响。另一个影响就是当液压系统出现问题时，如发生管道破裂，则无法手动驱动受到影响的轴。
相比较而言，如今的电动直线执行器可实现零维护，甚至不需要润滑油的保养。电动直线执行器中，各个轴之间互不干扰，每个轴的驱动电机各不相同，因此倘若一个电机出现问题，只会影响它所控制的那个执行器，维护起来更加方便。
为确保控制载荷，液压系统需要增加动力，如果软管或阀门破裂，则该系统控制载荷的能力会大打折扣。另一方面，电动执行器提供不定荷载，可在无电情况下受到控制，几乎没有流动或后驱动的情况。最后，如果电源供应或执行器的电机出现问题，电动直线执行器还可通过手动复位轻易实现过载保护。
误解3：电动直线执行器更昂贵
有人认为电动直线执行器更昂贵，可能因为每个电动轴都需要一个电机、导螺杆和变速箱，而增加一个液压轴只需要一个液压缸。但事实上，液压缸只是液压系统中用来支持轴的一个部件。阀门、软管和配件也是必需的，在许多情况下，液压泵上无法安装新轴。
液压传动装置的经济性很大程度上取决于某个液压系统所驱动的轴的数量。如果需要增加液压泵来处理另一个轴，液压系统通常要比电动直线执行器贵得多。一般来讲，当液压系统处理单轴、双轴和三轴运动时，通常可由电动直线执行器以更低成本来取代。
从许多农业机械应用中液压系统端口的数量，也可对比电动执行器和液压系统的成本。液压系统的每个配件都需要一个端口，增加端口的成本非常高，因为需要增加阀门、软管和连接器，更不用说充液泵了，而电动直线执行器无需端口即可增加配件。如果液压系统的轴距离泵比较远，则需要用软管连接泵和液缸，耗尽人力物力，而电动直线执行器则无需花费这样的成本，突显其成本优势。
电动直线执行器的运营成本通常比液压系统低得多，因为电动直线执行器只有驱动时才会消耗能量，而即便最有效的液压系统也永远处于工作状态，能耗非常大。电动直线执行器的简单构造还大幅降低了其安装成本。电动直线执行器能够实现零维护，而液压传动装置的流体和过滤器则需要定期更换。
误解4：电动直线执行器增加设计的复杂性
有人认为电动直线执行器增加了设计过程的复杂性，可能是因为目前许多非公路车辆上还没有安装它。因此，增加电动直线执行器需要与两种执行器配合工作，而不是一种。此外，许多非公路设备工程师不太熟悉电动直线执行器，他们所熟悉的只是早期的执行器，需要选择和组装各种部件，如电机、变速箱、控制器等。
如今的电动直线执行器已经得到简化，其配置和设计比液压传动装置容易得多，只需要连接两根电线和一个双刀双掷开关即可安装成功。
确定电动执行器的大小只需三步：测量载荷、确定负载比、指定行程长度和收缩长度。执行器上的精确载荷可能因为中间连接的作用而无法得知。可通过模拟机械系统的软件包或在执行器上安放测压元件来确定精确载荷。制造商可通过改变传动比、导螺杆、电机和电控参数，轻易配置电动直线执行器，满足各种应用需求。
电动执行器的一对一的原则避免了执行器之间的互相影响，使工程师完全集中于轴的设计。反之，液压传动装置的工程师则需要考虑新轴消耗的能量会对其他轴产生的影响。
分析了这些误解之后，可以清楚地看到，电动直线执行器在许多非公路应用中比液压系统更具优势。电动直线执行器的坚固性在近几年已大幅提升，在耐用性和可靠性上不亚于液压传动装置。易受污染、温度波动等问题是使用液压系统时需要考虑的主要问题，电动直线执行器却不会受到这些问题的影响。电动系统的成本取决于实际应用，在单轴、双轴和多轴应用中通常要比液压系统的成本低。最后，如今的集成电动直线执行器的设计非常简便，可轻松将其安装在各种非公路设备中。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/10/2008) |
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