1 電液執(zhí)行器概述

　　1.1 定義

　　電液執(zhí)行器(Electro-Hydraulic Actuator，EHA)是融合電力驅(qū)動與液壓傳動技術(shù)的新型機電液一體化裝置，通過伺服電機直接驅(qū)動液壓泵，進行“電能-液壓能-機械能”的二次能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)直線或旋轉(zhuǎn)運動中位置、速度(轉(zhuǎn)速)和力(轉(zhuǎn)矩)精確控制。

　　1.2 基本原理及分類

　?、呕驹?。EHA系統(tǒng)通常由伺服電機、雙向液壓泵、液壓缸/液壓馬達、液壓閥及蓄能器等主要元件構(gòu)成。 EHA的其核心工作原理是泵控容積調(diào)速，通過機電液一體化集成設(shè)計實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換：高響應(yīng)的伺服電機接收控制指令，精確改變旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，直接驅(qū)動雙向液壓泵(定量泵或變量泵)。泵的旋轉(zhuǎn)方向決定液壓油的流向，轉(zhuǎn)速則線性控制輸出至執(zhí)行元件的油液流量，從而精準控制負載的運動方向、位置和速度。

　?、葡到y(tǒng)分類

　　圖1所示為EHA的分類，線性和旋轉(zhuǎn)EHA的共性是都采用泵控容積調(diào)速方式對執(zhí)行元件的運動方向和速度實施控制;目前，線性EHA實際應(yīng)用相對較多。對于線性EHA，在流量一定時，對稱結(jié)構(gòu)的因缸雙腔面積相同，故往返速度相同;非對稱結(jié)構(gòu)則因兩工作腔有效面積不同，故往返速度不同。

　　1.3 核心特點(見表1)

　　1.4 EHA的歷史發(fā)展與技術(shù)演進及應(yīng)用概況

       1.4.1歷史進展與技術(shù)演進

　　EHA源于航空領(lǐng)域：1970年代，美國為解決飛機液壓管路繁重問題，提出“electrically-based aircraft”構(gòu)想，采用功率電傳作動技術(shù)(Power-By-Wire)，以電信號控制驅(qū)動器并傳輸能量，代替液壓管路。斯普洛克霍夫(SPROCKHOFF)博士首次將"泵控馬達回路" 原理引入液壓缸控制領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究于1979年在德國亞琛工業(yè)大學(xué)以博士學(xué)位論文形式發(fā)表，這一研究作為泵控缸技術(shù)發(fā)展歷程中的早期探索，為后續(xù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。1980年由美國邁阿密大學(xué)教授安東尼·埃斯波西托(ANTHONY ESPOSITO)在其所著的《流體動力及應(yīng)用》一書中，披露了美國斯佩里威格士公司生產(chǎn)的液壓馬達作為執(zhí)行元件集成式靜液壓部件(見圖2)。

　　進入1990年代，得益于電磁技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)及大功率伺服技術(shù)的進步， EHA作動技術(shù)迎來了工程樣機研制和試飛的高峰。如里程碑事件：①1991年，美國派克(Parker)公司研制的 EHA 作動器在C-130飛機上完成空中試飛并取得滿意效果;②隨后在1994~1997年之間，美國把Moog公司設(shè)計出的EHA運用到了F/A-18戰(zhàn)斗機的副翼作動上，并且成功完成了試飛測試，圖3所示為F-18戰(zhàn)斗機用EHA。③1998年，英國額盧卡斯公司設(shè)計的 EHA 在C-141副翼上完成近1000h的飛行試驗;④21世紀初，歐洲各國相繼開展EHA研究，英法兩國完成集成式 EHA并投入A380 客機應(yīng)用。

　　在過去20年間， EHA技術(shù)在性能、可靠性、重量和成本諸方面取得了顯著進步。目前，EHA 技術(shù)已成功應(yīng)用于洛克希德·馬丁公司的F-35閃電II戰(zhàn)斗機等先進戰(zhàn)機的革命性電動飛行控制系統(tǒng)。我國從上世紀80年代開始研究EHA原理，北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等先后研制出樣機并在EHA的傳熱、潤滑、散熱及設(shè)計方法等方面取得研究成果 ,2023年與2024年浙江大學(xué)先后啟動了國家自然基金重大項目“智能電靜液驅(qū)動執(zhí)行器基礎(chǔ)研究”及及國家重點研發(fā)計劃“深海水下電液作動器(EHA)研制與應(yīng)用示范”項目。

　　1.4.2應(yīng)用概況

　　EHA以其集成度高、能量效率高、功率密度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機器人領(lǐng)域(關(guān)節(jié)機器人、可穿戴機器人、人形機器人等)。例如，日本川崎公司開發(fā)的Hydro Servo Muscle EHA系統(tǒng)能夠輸出最大6000N的力;韓國延世大學(xué)設(shè)計出的泵控EHA應(yīng)用于可穿戴機器人。此外，EHA的應(yīng)用領(lǐng)域還從軍用和航天設(shè)備擴展到農(nóng)業(yè)和工程機械等民用設(shè)備。隨著技術(shù)和市場的發(fā)展，EHA廠商逐漸增多，產(chǎn)品不斷改進創(chuàng)新，例如深圳賽諾動力公司針對航天航空及河海領(lǐng)域，基于PBF3D打印技術(shù)的旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥，研制成功了液壓缸體+柱塞泵體+伺服閥體+油箱四合一一體化的多余度電液伺服執(zhí)行器(EHSA)(圖4)，重量較傳統(tǒng)EHA減重60%，降低了泄漏風險，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。同時，EHA在控制算法方面也不斷優(yōu)化，如采用PID與自適應(yīng)控制、滑?？刂频确椒?，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)性能。

　　2 EHA的典型結(jié)構(gòu)原理

　　2.1一般原理

　　2.1.1線性EHA

　　線性EHA的一般液壓原理如圖5所示,它是一個定排量變轉(zhuǎn)速型EHA-FPVS，其中電機泵1是系統(tǒng)的主油源，執(zhí)行元件

　　可以是單桿缸2-1或雙桿缸2-2，泵1與缸2構(gòu)成閉式回路。主泵1-2可雙向旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)伺服電機1-1的轉(zhuǎn)速即可改變液壓缸的輸入流量及速度。管路14和15的壓力隨電機泵的轉(zhuǎn)向而變，即管路14為高壓，則管路15就為低壓，反之亦然。溢流閥5和6分別用于管路14和15的雙向過載安全保護。補油泵3第一個作用是可經(jīng)液控單向閥7或8的分別向低壓管路14或15供油(其中閥7正向推開時，則閥8關(guān)閉，反之亦然)，泵3的第二個作用是為蓄能器17補償因單桿缸兩工作腔面積不同造成的流量差提供通路(注：當系統(tǒng)的執(zhí)行元件為等直徑雙桿缸2-2時，蓄能器17可去掉，閥7和8則可改為普通單向閥)。過濾器9和10用于補油泵的吸油和排油過濾。差壓式梭閥11、溢流閥12和冷卻器13用于系統(tǒng)的熱交換(低壓管路的)。溢流閥4的設(shè)定補油壓力要略高于溢流閥4的調(diào)整壓力，以保證梭閥換向時能將低壓管路的熱油經(jīng)溢流閥12放出一部分到油箱，新的冷油不斷進入低壓管路。

　　2.1.2 旋轉(zhuǎn)型EHA

　　旋轉(zhuǎn)型EHA(以圖2所示靜液壓部件為例)的液壓原理如圖6所示，它是一個變排量泵恒轉(zhuǎn)速型EHA-VPFS，其中變量泵1-2是系統(tǒng)的主油源，執(zhí)行元件為雙向定量液壓馬達2，二者構(gòu)成閉式回路。主泵1-2為可正反向旋轉(zhuǎn)的變量泵，調(diào)節(jié)泵1-2的排量即可改變該泵輸送給馬達的流量，進而改變馬達的轉(zhuǎn)速。管路9和10的壓力隨電機泵的轉(zhuǎn)向而變，即管路9為高壓，則管路10就為低壓，反之亦然。溢流閥7和8分別用于管路9和10的雙向過載安全保護。補油泵1-3可經(jīng)單向閥5或6的分別向低壓管路10或9供油(其中閥5正向推開時，則閥6關(guān)閉，反之亦然)，補油壓力由溢流閥3設(shè)定。過濾器4用于補油泵的排油過濾。

　　2.2 典型結(jié)構(gòu)

　　2.2.1 線性EHA

　?、艑ΨQ結(jié)構(gòu)線性EHA。圖7所示為用于A380副翼的對稱結(jié)構(gòu)線性EHA(定排量變轉(zhuǎn)速型EHA-FPVS),也稱電動靜液作動筒。變速電機(下簡稱電機)與雙定量泵組成的電機泵，其執(zhí)行元件為雙桿液壓缸，泵、缸組成閉式容積調(diào)速回路。系統(tǒng)采用三相交流電源AC供電。電磁閥用于液壓缸工作模式(機翼襟翼的展開與收起等動作的)選擇和切換。系統(tǒng)的控制器為飛行控制計算機，系統(tǒng)設(shè)有位移傳感器、壓力傳感器和速度傳感器等，以實現(xiàn)對 EHA 系統(tǒng)的精確控制和實時監(jiān)測。

　　當EHA系統(tǒng)接收到控制信號后，電機驅(qū)動雙向定量泵以特定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，向系統(tǒng)提供壓力油，實現(xiàn)了電能到液壓能的轉(zhuǎn)換。在液壓缸工作腔的活塞上產(chǎn)生的液壓力推動活塞(桿) 往復(fù)運動克服負載而做功，缸另一腔的回油則被液壓泵吸入，實現(xiàn)了液壓能到機械能的轉(zhuǎn)換。缸的運動方向和速度則由電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速決定。為了確保EHA系統(tǒng)能夠精確地按照預(yù)定要求工作，系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制策略。系統(tǒng)中的傳感器實時監(jiān)測執(zhí)行元件的位移、速度、電流和系統(tǒng)壓力等參數(shù)，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過對反饋信號與預(yù)設(shè)的目標值進行比較，根據(jù)偏差值調(diào)整電機的控制信號，使電機的運行狀態(tài)發(fā)生改變，進而調(diào)整定量泵的輸出流量和壓力，最終使缸的實際運行參數(shù)趨近于目標值。這種閉環(huán)控制方式有效地提高了EHA系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，使其適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境和要求。

　?、品菍ΨQ結(jié)構(gòu)線性EHA。圖8a所示為一種國產(chǎn)非對稱線性EHA的實物外形圖，它由電機泵1(永磁同步電機+靜音雙向齒輪泵)、控制閥組2、皮囊式蓄能器3和單桿活塞缸4及安裝支架5等組成。結(jié)合圖8b可知，該EHA為定排量變轉(zhuǎn)速型EHA-FPVS，具有以下顯著技術(shù)優(yōu)勢：①使用便捷：用戶只需將購回的EHA通過安裝支架裝到主機(例如堆高車、挖掘機等)工作機構(gòu)近旁，即可由液壓缸驅(qū)動負載完成所需的工作，而無須再自行設(shè)計制造和安裝調(diào)試;②操縱簡便：用戶通過操控手柄，即可便利地向控制器15發(fā)出指令信號，改變電機泵的旋轉(zhuǎn)方向，從而改變液壓缸及其負載的運動方;③閉式回路補油：與圖4不同的是，該EHA的閉式油路低壓側(cè)并非采用補油泵補油，而是采用液壓蓄能器4完成，該蓄能器兼具防止液壓油氣穴功能;④流量補償： 由于液壓缸非對稱(單桿缸上下腔有效面積不同)，缸進退時兩腔相差的流量(不對稱流量)通過皮囊式蓄能器10來進行補償和回收;⑤節(jié)能：整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小;無節(jié)流和溢流及管流損失，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠(電磁閥9作為旁通閥，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時通電打開，液壓油直接經(jīng)閥9返回泵1-2，起到隔離故障的作用)，噪音低，智能高效，節(jié)能達40%;

　　⑥系統(tǒng)通過典型的的三環(huán)伺服策略：外環(huán)-液壓缸位置控制(傳感器13位移反饋)、中環(huán)-轉(zhuǎn)速控制(電機內(nèi)的編碼器速度反饋)及內(nèi)環(huán)-電流控制(電機電流反饋，保證電機不至超載而燒損電機)實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)快速精確控制。工作時， 電機驅(qū)動液壓泵旋轉(zhuǎn)，輸出成比例流量的液壓油，控制液壓缸的速度，當缸的位移傳感器13檢測出與給定指令接近時，控制器調(diào)節(jié)使電機轉(zhuǎn)速逐漸降低，直至控制誤差范圍，與維持液壓缸要求位置的內(nèi)泄露量相符。其他液壓元部件則不參與伺服控制。⑦該EHA是為挖掘機16而開發(fā)的(其電壓300V,功率4kw,轉(zhuǎn)速0~3500r/min可調(diào))，在挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗可分別裝上EHA，速度可調(diào)控，響應(yīng)快。

　?、嵌喔拙€性EHA。針對某些專用機械設(shè)備的特殊需要，目前有的生產(chǎn)廠商新進還推出了數(shù)智化多缸線性EHA，如圖9所示的三缸EHA。其特點為：①將電機泵1(泵為螺旋齒靜音齒輪泵)、液壓缸2(三個)、小型油箱3、閥件和管路等集成為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，其功率為30~150HP。②作為某些特定機械設(shè)備(角度和旋轉(zhuǎn)翻外機)的液壓動力單元，使用維護便捷。

　　2.2.2旋轉(zhuǎn)EHA

　　旋轉(zhuǎn)EHA，除了圖2所示的結(jié)構(gòu)型式外， 圖10所示的靜液壓裝置HTs(Hydrostatic Transmissions)作為典型的通用部件之一，它是由雙向變量泵+定量馬達構(gòu)成的變排量泵恒轉(zhuǎn)速型EHA-VPFS(丹佛斯的 LDU20閉式回路傳動單元)，其輸入功率22kw,最大壓力345bar,外部補油壓力5bar，可用于草坪護理機、小型農(nóng)業(yè)機械，相當便利。

　　3 典型應(yīng)用場景

　　EHA 憑借其獨特的技術(shù)性能優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為各行業(yè)的發(fā)展提供了強大的技術(shù)支持。其典型應(yīng)用場景有：①航空航天。如在飛機舵面控制中(圖11a)，替代傳統(tǒng)集中式液壓系統(tǒng)，消除管路泄漏風險，功率密度提升30%以上;在起落架收放中，無人機EHA系統(tǒng)通過導(dǎo)線替代管道，可靠性提升且維修時間減少50%。②機器人及自動化。足式機器人(如機器狗)采用EHA關(guān)節(jié)驅(qū)動(圖11b)，實現(xiàn)20 Nm/kg的扭矩密度，超越傳統(tǒng)電機方案;太陽能板跟蹤系統(tǒng)利用EHA實現(xiàn)±0.1°角度控制及精密定位。③工程機械。如裝載機、挖掘機采用三腔缸EHA (圖11c)進行鏟斗平衡，實現(xiàn)流量自補償，功率密度提升40%;液壓升降路障，集成化設(shè)計使安裝時間減少70%。

　　④特殊環(huán)境設(shè)備。如深海/高溫設(shè)備，封閉式液壓回路(圖11d)耐受極端壓力與溫度。醫(yī)療設(shè)備，手術(shù)床、輪椅坡道等場景實現(xiàn)靜音、無泄漏操作。此外，EHA還在軍事裝備領(lǐng)域(如艦船與潛艇、裝甲車輛)、工業(yè)自動化領(lǐng)域(如水處里中的閥門啟閉遠程控制、機床、工業(yè)機械臂及精密測試平臺)、醫(yī)療及特殊領(lǐng)域(如手術(shù)床、坡道輪椅等醫(yī)療設(shè)備，深海探測等)獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

　　4 技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

　　4.1技術(shù)挑戰(zhàn)及局限性

　　盡管EHA具有諸多優(yōu)勢，但其發(fā)展仍面臨以下一些技術(shù)挑戰(zhàn)和局限性(見表2)。

　　4.2最新研究進展及未來突破方向

　　針對上述挑戰(zhàn)，國內(nèi)外研究人員正在多個方向進行創(chuàng)新研究(見表3)。

　　5 市場規(guī)模、發(fā)展前景及發(fā)展趨勢

　　5.1市場規(guī)模分析

　　根據(jù)多家研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)， EHA市場呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢:①全球市場。2024年全球EHA收入規(guī)模約20.5 億元人民幣，預(yù)計到2031年收入規(guī)模將接近30.2 億元人民幣， 2025~2031年年均復(fù)合增長率(CAGR)為5.7%。2025 年全球EHA市場規(guī)模將達到3.22 億美元，預(yù)計2032 年達到4.92億美元， CAGR為 6.25%(2025~2032)。另有報告預(yù)測，到2033年全球EHA市場規(guī)模將達到4.714億美元，CAGR為3.5%。②中國市場。2022年節(jié)能型電液執(zhí)行機構(gòu)市場規(guī)模已達87.6億元，占整體市場規(guī)模的34.8%，較 2019年提升12個百分點，CAGR達18.9%。2025年中國EHA市場規(guī)模預(yù)計達到7.33億元人民幣。

　　5.2增長驅(qū)動因素

　?、僮詣踊潭忍嵘?。工業(yè)自動化和智能制造的發(fā)展推動了對高精度、高可靠性執(zhí)行器的需求增長;②節(jié)能環(huán)保需求。EHA 的按需供能特性符合全球節(jié)能環(huán)保趨勢，有助于減少碳排放;③技術(shù)進步。EHA技術(shù)不斷創(chuàng)新，性能持續(xù)提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大;④航空航天與國防需求。航空航天和國防領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、高可靠性?zhí)行器的需求持續(xù)增長，特別是在新一代戰(zhàn)機和航天器中;⑤國產(chǎn)化替代。中國市場對國產(chǎn)化高端裝備的需求增長，為國內(nèi)EHA研發(fā)開發(fā)制造商提供了發(fā)展機遇。

　　5.3 未來發(fā)展趨勢

　?、俑唠妷旱燃墤?yīng)用。未來E HA將向高電壓等級

　　(540VDC)系統(tǒng)應(yīng)用方向發(fā)展，提高系統(tǒng)效率和功率密度;②混合架構(gòu)。與機電作動器(EMA)的混合架構(gòu)將成為未來重要發(fā)展方向，充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢;③智能化升級。通過集成傳感器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更高效、更精確的執(zhí)行，基于數(shù)字孿生的預(yù)測性維護技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用;④集成化設(shè)計。EHA將朝著更高功率密度、更緊湊的方向發(fā)展，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用先進制造工藝，進一步減小體積和重量，同時提高承載能力和輸出功率;⑤標準化推進。ISO 22072和SAEARP6154 等標準為 EHM (電靜液模塊)子系統(tǒng)的標準化奠定了基礎(chǔ)，未來 EHA 的標準化工作將進一步推進，以助力EHA 的通用性和互換性的提高，研發(fā)和生產(chǎn)成本的降低;為EHA的全球應(yīng)用和市場推廣提供技術(shù)基礎(chǔ)，促進國際貿(mào)易和技術(shù)交流;也助力規(guī)范EHA的測試和評估方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

　　6 結(jié)語

　　電液執(zhí)行器 (EHA) 作為一種機電液融合一體的新型執(zhí)行器，憑借其高效能量轉(zhuǎn)換、按需供能、高功率密度等優(yōu)勢，已在航空航天、軍事裝備、工程機械、機器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著高電壓等級應(yīng)用、混合架構(gòu)、智能化控制等技術(shù)的發(fā)展，以及ISO 22072、SAE AIR6353 等標準的推進及本土化適配，EHA 將朝著更高功率密度、更智能化、更標準化的方向發(fā)展，市場規(guī)模有望在 2025~2032 年保持 近6.25%的年復(fù)合增長率。此外，EHA技術(shù)仍面臨動態(tài)性能不足、非線性特性、溫升問題等挑戰(zhàn)，需要進一步的研究和創(chuàng)新來解決。未來研究方向可關(guān)注EHA與人工智能AI、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的融合，以及在工業(yè)及新能源、深海探測等新興領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，這些都可能為 EHA 技術(shù)帶來新的發(fā)展機遇，無疑也將助力技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地與全球競爭力提升。