對斜軸式柱塞泵的認識與實(shí)踐

認識和實(shí)踐斜軸式柱塞泵。

太原理工大學(xué)副教授，安高成。

當前液壓技術(shù)面臨的挑戰及發(fā)展趨勢

當前液壓傳動(dòng)技術(shù)面臨嚴峻的挑戰，主要表現在：1.液壓傳動(dòng)系統的傳動(dòng)效率：眾所周知，液壓傳動(dòng)的效率較低，在當前節能環(huán)保的壓力下，液壓傳動(dòng)因效率原因而退出市場(chǎng)；2.液壓傳動(dòng)的可靠性：由于油液污染或摩擦副磨損等因素，液壓傳動(dòng)比機械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)的故障幾率高，因而也限制了液壓傳動(dòng)的廣泛應用；3.液壓傳動(dòng)的信息化：由于液壓傳動(dòng)的非線(xiàn)性和內部多物理場(chǎng)耦合的特點(diǎn)，難以全面信息化地提取液壓系統的故障信息，從而限制了液壓傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

當前柱塞泵行業(yè)的發(fā)展存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1.同質(zhì)化惡性競爭，導致企業(yè)盈利能力下降，研發(fā)投入不足，創(chuàng )新能力不足；2.基礎研究和實(shí)際應用之間的差距，導致企業(yè)更多地轉向國外仿造產(chǎn)品；3.工況試驗沒(méi)有方向感，企業(yè)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品與主機需求有很大差距；4.正向設計開(kāi)發(fā)能力不足，行業(yè)整體處于仿造消化階段，導致產(chǎn)品性能水平與國外相比還有很大差距。

為適應未來(lái)液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢，柱塞泵的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方面：1.工作壓力和轉速提高；2.變量反應時(shí)間加快；3.變量控制電子化；4.泵的智能化和信息化。

為了取得競爭優(yōu)勢，柱塞泵技術(shù)還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步改進(jìn)：1.發(fā)展容積泵控制技術(shù)，以提高工作效率；2.進(jìn)一步提高工作壓力，以提高功率密度；3.智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò )化液壓傳動(dòng)。

近年來(lái)液壓行業(yè)總體發(fā)展較快，存在著(zhù)一定程度的供需緊張現象，但在中美貿易戰的大背景下，如何做大做強，進(jìn)一步縮小與國外先進(jìn)水平的差距，加強行業(yè)配套能力，避免高端領(lǐng)域再受“鎖喉”之痛，是每個(gè)液壓人都應該思考的問(wèn)題。

活塞泵領(lǐng)域的部分工作。

一直以來(lái)，我們學(xué)校在老前輩王明智老師的帶領(lǐng)下，堅持高性能液壓元件的研發(fā)工作，在某些領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索。

jbp系列徑向柱塞泵及其相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

自1994年起，在王明智老師的領(lǐng)導下，JBP系列電液比例負載敏感控制徑向柱塞泵(見(jiàn)圖1)的研究與開(kāi)發(fā)工作開(kāi)展到以下幾個(gè)階段：

關(guān)鍵摩擦副的設計理論與方法：轉子-配流軸提出并實(shí)踐了過(guò)平衡壓力補償設計理論與方法；連桿-定子摩擦副采用準靜壓平衡設計方法；柱塞-連桿摩擦副采用接觸彈流潤滑理論設計方法，解決了高速滑動(dòng)摩擦副的摩擦磨損問(wèn)題；經(jīng)過(guò)11000小時(shí)工業(yè)試驗，關(guān)鍵摩擦副的磨損只有3微米；

2.直接檢測式負載敏感控制技術(shù)：采用壓力直接檢測方案，實(shí)現了徑向柱塞泵的負載敏感控制，使變量泵的輸出能自動(dòng)完成負載流量適應和壓力適應控制過(guò)程，獲得較好的控制精度和動(dòng)態(tài)特性，達到節能的目的；

三、摩擦副材料的優(yōu)化匹配設計：根據動(dòng)力學(xué)分析，結合摩擦副設計理論方法，從工件工作過(guò)程的剛度、泵的效率、摩擦副的散熱、抗咬合能力等方面入手，對摩擦副材料進(jìn)行綜合優(yōu)化匹配，保證了泵的工作可靠性和使用壽命。

JBP系列徑向柱塞泵的研究結果。

二向高低速專(zhuān)用徑向柱塞泵的研制。

在王聰明老師的指導下，受企業(yè)委托，基于JBP徑向柱塞泵技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了雙向高低速專(zhuān)用徑向柱塞泵。本泵要求雙向運轉，90~1000r/min的轉速范圍，20MPa的額定壓力，-50℃~70℃的環(huán)境溫度，2.8mL/r的排量，10#航空液壓油。它的技術(shù)難點(diǎn)在于工作溫度范圍大，工作可靠性低，總體效率要求高。本文以JBP徑向柱塞泵為基礎，結合國外產(chǎn)品結構特點(diǎn)，研制出圖2所示的徑向柱塞泵專(zhuān)用產(chǎn)品。采用雙排10柱塞結構、柱塞定子點(diǎn)接接方案、轉子整體梯度滲流工藝(LGM)、錐面軸承套和摩擦副創(chuàng )新平衡設計等技術(shù)，研制成功了該產(chǎn)品。性能指標達到后，其產(chǎn)品效率指標比國外產(chǎn)品提高5%，達到了預期目標。

圖2，雙向高低速徑向活塞泵。

雙回轉斜盤(pán)軸向柱塞泵。

鑒于徑向泵存在體積大、功率重量小等缺點(diǎn)，針對伺服節能應用，獨立開(kāi)展了雙向斜盤(pán)式軸向柱塞泵的研究與開(kāi)發(fā)工作。旋轉缸體柱塞泵在結構原理上存在以下缺陷：1.轉子傾覆力矩的影響：使轉子處于動(dòng)不平衡狀態(tài)，存在累積公差效應，使其加工工藝比較苛刻；2.柱塞離心力的影響：柱塞轉速較高時(shí)，柱塞受離心力較大，并且此力與轉速的平方成正比，使柱塞運動(dòng)的靈活性有限，工作可靠性也受到影響；3.配流吸油阻力較大：由于轉子高速旋轉，柱塞吸油阻力較大，使柱塞吸油阻力較大，對開(kāi)式柱塞泵的高速運轉也產(chǎn)生阻礙；4.轉子組件慣量較大，使其變速控制過(guò)程中存在較大阻力矩。

旋轉式斜盤(pán)式柱塞泵結構，轉子可與殼體組合成一個(gè)整體，剛度高，不受傾覆力矩的影響，同時(shí)可避免柱塞產(chǎn)生離心力，使整體受力更合理。此外，由于轉子不再轉動(dòng)，可以避免轉子高速轉動(dòng)對吸油量的影響，所以采用斜盤(pán)式結構旋轉柱塞泵是一種比較可行的方案。

在此基礎上，結合柱塞泵技術(shù)的積累，研制出一種雙向旋轉斜盤(pán)軸向柱塞，如圖3所示。其特點(diǎn)是：1.配流軸與旋轉斜盤(pán)同軸驅動(dòng)，整體轉動(dòng)慣量較??；2.配流軸高速旋轉，對油液形成離心作用，使泵在高速旋轉過(guò)程中能更好地吸油；3.配流軸與殼體結合，使轉子剛度增加，結構更加緊湊；4.改善柱塞的受力，提高高速工作的可靠性；5.雙向結構設計，可適應電機正反向，實(shí)現雙向供油。研制生產(chǎn)了原理樣機，初步試驗表明，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，零部件數量少，吸油性大大提高，目前正在進(jìn)行深入的開(kāi)發(fā)研究工作。

圖3雙向旋轉的斜盤(pán)式軸向柱塞泵。

新的柱塞式靜液傳動(dòng)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

現有的液壓傳動(dòng)技術(shù)一般由四部分組成：動(dòng)力元件、控制元件、執行元件和輔助元件，壓力通過(guò)流體的流動(dòng)在系統內傳遞而完成，其工作可靠性、效率和成本都比較高。怎樣進(jìn)一步提高液壓傳動(dòng)的效率，提高功率密度，進(jìn)而提高傳動(dòng)性能，是當前液壓傳動(dòng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在以上背景下，結合某工程應用背景的要求，根據旋轉斜盤(pán)式柱塞泵的結構原理，在深入思考和探索的基礎上，國內首次提出了新型靜液傳動(dòng)原理，并進(jìn)行了初步探索。

一是新型靜液耦合傳動(dòng)的原理與探索。

在機械傳動(dòng)方面，有過(guò)載保護、空載起動(dòng)和負載沖擊保護的要求，目前使用的一般方案是液力傳動(dòng)，傳統的液壓傳動(dòng)也可以方便地實(shí)現上述功能，但存在系統組成復雜，成本高的缺點(diǎn)。

根據以上背景要求和我們對液壓泵輸入理解的分析，提出了液壓靜壓耦合傳動(dòng)原理，見(jiàn)圖4?，F有的液壓泵，由驅動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉部件輸出高壓油液，同時(shí)旋轉部件與殼體之間存在相互作用的力矩，作用于殼體的所述力矩由泵的安裝支架或套筒平衡。根據以上理解，我們在機殼上設置輸出軸并懸置，不再固定，同時(shí)在泵的出口與進(jìn)口之間設置溢流閥、導管防爆閥和蓄能器，實(shí)現靜壓耦合傳動(dòng)特性。動(dòng)態(tài)傳遞過(guò)程中，泵體油液輸出口因負載形成一定的壓力，從而產(chǎn)生扭矩，從而驅動(dòng)負載工作，當負載較大時(shí)，產(chǎn)生的壓力大于溢流閥的設定壓力時(shí)，溢流閥打開(kāi)并溢流，此時(shí)泵轉子繼續旋轉，而殼體想要停止旋轉，實(shí)現超負荷保護功能；利用管道防爆閥實(shí)現空載起動(dòng)，利用蓄能器實(shí)現對負載沖擊的吸收。

圖4靜壓耦合傳動(dòng)的基本原理。

在此基礎上，對葉片式靜液聯(lián)軸器的原理進(jìn)行了驗證。圖5是開(kāi)發(fā)出的原理樣本。