水液壓柱塞泵的研究進(jìn)展及展望

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(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京　100124)

引言

現(xiàn)代水壓傳動與控制技術(shù)是在20世紀(jì)下半葉重新崛起的一種以水(包括海水、淡水)作為工作介質(zhì)的綠色傳動技術(shù)，是當(dāng)前國際上流體傳動及控制領(lǐng)域前沿性研究方向。它能避免使用液壓油引起的環(huán)境污染和火災(zāi)安全隱患，節(jié)約石油資源；此外，水作為工作介質(zhì)還有價格低廉，來源廣泛，無需處理，可避免介質(zhì)對諸如紡織物、食品和藥品等產(chǎn)品的污染，水的自清潔特性使設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方便[1]。同時， 直接以海水作為工

作介質(zhì)的海水液壓傳動技術(shù)已成為當(dāng)今國際上水下作業(yè)裝備動力驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向[2, 3]，并被西方發(fā)達(dá)國家多年的實際應(yīng)用證明為最佳的動力驅(qū)動方式[4-7]，海水液壓系統(tǒng)代替油壓系統(tǒng)已成為水下作業(yè)裝備動力驅(qū)動方式的必然選擇[8]，在水下作業(yè)工具、深?？臻g站、深潛調(diào)查船的浮力調(diào)節(jié)、海洋能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、反滲透海水淡化系統(tǒng)、高壓水清洗、高層建筑滅火等方面以及食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[9-12]。

水液壓泵是水液壓傳動系統(tǒng)的核心動力元件，多年來美國、英國、德國、丹麥、芬蘭、日本等西方國家均將其列為有重要工程應(yīng)用價值的高新技術(shù)項目，重點進(jìn)行研究，研制出了一系列成熟的水液壓泵產(chǎn)品[13]，且目前投入市場的產(chǎn)品主要以軸向柱塞式結(jié)構(gòu)為主[14]。近年來我國華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、西南交通大學(xué)、燕山大學(xué)、大連海事大學(xué)等單位逐步開展了水壓傳動與控制方面的研究工作。研制出了多臺水液壓柱塞泵樣機，在潛艇高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、載人潛器的浮力調(diào)節(jié)以及高壓水清洗等領(lǐng)域取得了初步應(yīng)用。

本研究主要介紹國內(nèi)外不同配流形式的水液壓柱塞泵，以及國內(nèi)水液壓柱塞泵的研究歷程和最新進(jìn)展，最后結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出今后水壓柱塞泵的研究方向和發(fā)展重點。

1　閥配流水液壓柱塞泵

閥式配流是發(fā)展較早的配流方式。由于配流閥的密封性能好，易于獲得高壓，且具有良好的抗污染性能，因此廣泛應(yīng)用于高壓、超高壓水壓柱塞泵中。但此類柱塞泵工作過程不可逆，不能做水壓馬達(dá)使用，且功率密度比較小。

1.1　閥配流水液壓柱塞泵國外研究現(xiàn)狀

1989年日本萱場(Kayaba)工業(yè)株式會社研發(fā)出一種閥配流水壓軸向柱塞泵，用于載人潛器的浮力調(diào)節(jié)，主軸與斜盤做成一體，并采用兩個徑向陶瓷球軸承和一個軸向動壓潤滑陶瓷止推軸承支承主軸和斜盤旋轉(zhuǎn)，斜盤、柱塞、軸承均采用陶瓷，滑靴和缸套采用碳纖維增強工程塑料(CFRP)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[15]。該泵有3個柱塞，流量為7.05 L/min，最高工作壓力為21 MPa，最高轉(zhuǎn)速為1800 r/min，容積效率超過85%，機械效率約為90%。

德國Hauhinco公司研制了EHK-3K系列三柱塞曲柄連桿泵和RKP系列徑向柱塞泵[16]。其中EHK-3K系列三柱塞泵是在原乳化液泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其機械傳動軸承部分采用油水分離結(jié)構(gòu)，流量為8 ～700 L/min，壓力為15～80 MPa，適用于黏度為5×10-7～4×10-6m2/s 的液體介質(zhì)，改變一些關(guān)鍵部件的配合間隙和材料后便可用于純水介質(zhì)。而RKP系列徑向柱塞泵采用5個或7個柱塞，輸出流量為3～240 L/min，結(jié)構(gòu)如圖2所示，最高壓力達(dá)32 MPa；其中RKP-160型徑向柱塞泵在21 MPa壓力下容積效率達(dá)94%。該類泵流量和壓力脈動較小，工作壽命長，抗污染能力強，效率高，已用于海底管道鋪設(shè)及維護(hù)系統(tǒng)等海洋開發(fā)機械設(shè)備中。

圖1　Kayaba閥配流海水液壓泵

圖2德國Hauhinco公司徑向閥配流水液壓泵

1.2　海水液壓泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀

華中科技大學(xué)是國內(nèi)最早開展水液壓傳動技術(shù)研究的單位。據(jù)目前公布的文獻(xiàn)資料來看，開發(fā)出的水液壓柱塞泵樣機大多采用油水分離閥配流結(jié)構(gòu)，其1996年研制出國內(nèi)第一臺油水分離中低壓軸向柱塞式海水泵[17]，額定工作壓力為3 MPa, 最高工作壓力為6.3 MPa , 額定流量為100 L/min，之后相繼研制出流量為200 L/min、330 L/min(額定壓力均為3.5 MPa，最大壓力為6.3 MPa)的一系列海水泵樣機[14, 18]。2013年，華中科技大學(xué)研制出了浮力調(diào)節(jié)超高壓海水泵樣機，如圖3所示，該泵采用油水分離結(jié)構(gòu)，即配流閥和缸孔浸沒在水中，其他關(guān)鍵摩擦副浸沒在油中，使用密封圈將油水隔開，并使用壓力補償器來平衡油液潤滑腔與環(huán)境的壓力，工作轉(zhuǎn)速為1000 r/min，空載流量為6.3 L/min，48 MPa時為5.7 L/min，總效率為81%，容積效率為91%，機械效率為90%[19, 20]。

圖3　華中科技大學(xué)閥配流超高壓海水泵

2005年，華中科技大學(xué)楊曙東教授研制出基于海水潤滑的中高壓柱塞泵，所有摩擦副均采用海水潤滑，結(jié)構(gòu)如圖4所示，該泵采用軸向柱塞式閥配流結(jié)構(gòu)，缸體不動，中心彈簧回程，主軸帶動斜盤旋轉(zhuǎn)以使柱塞往復(fù)運動來完成吸、排水工作。樣機在額定工況下運行50 h后，輸出流量為40.2 L/min，容積效率為81.9%，機械效率為86.6%，總效率約為70.9%[21]。

圖4　基于海水潤滑的中高壓閥配流柱塞泵

北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授對油水分離閥配流式海水軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列改進(jìn)，于2006年研制出潛艇高壓細(xì)水霧滅火泵[22]，現(xiàn)已小批量裝備海軍某新型試驗艇，如圖5所示，該泵采用一體式閥配流結(jié)構(gòu)[23]，工作壓力為4～6 MPa，流量為200 L/min，容積效率約為95%。

圖5　閥配流高壓細(xì)水霧滅火泵

2012年又研制出額定壓力30 MPa，額定流量為30 L/min的全水潤滑閥配流水液壓軸向柱塞泵樣機[24]，如圖6所示，采用軸向柱塞式閥配流結(jié)構(gòu)，分布式彈簧回程，斜盤靜止，主軸帶動缸體旋轉(zhuǎn)以使柱塞往復(fù)運動來完成吸、排水工作。目前該泵正處于性能改進(jìn)階段。

圖6　全水潤滑旋轉(zhuǎn)閥配流純水柱塞泵

2　端面配流水液壓柱塞泵

端面配流方式相比于閥配流方式自吸能力較好，轉(zhuǎn)速較高，結(jié)構(gòu)較為緊湊，具有可逆性，可作為水壓馬達(dá)使用。但配流盤在高壓時的泄漏較大，因而此種配流方式適用于中高壓水壓柱塞泵的場合。

2.1　端面配流水液壓柱塞泵國外研究現(xiàn)狀

丹麥Danfoss公司研制的APP系列軸向柱塞泵采用海水作為工作介質(zhì)[25]，如圖7所示。該泵采用了后斜盤式結(jié)構(gòu)，分布式彈簧回程，泵內(nèi)集成有沖洗閥，保證泵不工作時海水能夠從進(jìn)口流向出口實現(xiàn)沖洗功能。該泵額定壓力為8 MPa，最高轉(zhuǎn)速為1200 r/min，最大流量為500 L/min，總效率大于80%，6 MPa時噪聲為84 dB，壽命超過8000 h。

圖7　Danfoss公司APP系列海水軸向柱塞泵

英國TWHC(The Water Hydraulics Co.)公司從20世紀(jì)80年代起致力于推動純水液壓技術(shù)的發(fā)展，旗下Janus系列海水元件已經(jīng)成功的走向市場。研制的斜盤式水壓變量泵可采用海水或淡水作為工作介質(zhì)[26]，如圖8所示。該泵采用比例電磁鐵控制斜盤角度來實現(xiàn)變量，主要材料選用316不銹鋼，最高轉(zhuǎn)速為1750 r/min， 最大工作壓力為16 MPa，最大功率為88 kW， 最大流量為390 L/min。

圖8　Water Hydraulics公司Janus系列水壓變量泵

2.2　端面配流水液壓柱塞泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀

浙江大學(xué)是國內(nèi)較早開展全水潤滑水液壓泵研究的單位，在楊華勇和周華教授的帶領(lǐng)下，近年來對水液壓泵的關(guān)鍵技術(shù)問題開展了大量卓有成效的研究，研制的水液壓泵樣機主要包括端面配流海水軸向柱塞泵和水液壓內(nèi)嚙合齒輪泵兩種[27-31]。并于2009年研制出面向反滲透海水淡化系統(tǒng)的海水軸向柱塞泵，如圖9所示，采用缸外大軸承支撐缸體、集中回程彈簧的結(jié)構(gòu)，該泵在額定壓力為8 MPa和額定轉(zhuǎn)速1500 r/min下的容積效率約為86.8%，總效率約為81.2%[32]，在反滲透海水淡化系統(tǒng)上累計運行時間超過2000 h。

圖9　浙江大學(xué)端面配流海水液壓泵

華中科技大學(xué)唐群國副教授在國家863計劃的資助下，于2010年研制了一臺全海水潤滑盤配流液壓泵。如圖10所示，該泵采用兩個小軸承支撐主軸和缸體，采用分布式回程彈簧結(jié)構(gòu)，額定壓力為14 MPa，最高壓力為16 MPa，額定流量為40 L/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，容積效率接近80%[33, 34]。

圖10　華中科技大學(xué)端面配流海水液壓泵

北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授在“十一五”國家海洋領(lǐng)域863計劃項目以及國家自然科學(xué)基金的資助下對端面配流海水液壓泵進(jìn)行了大量的探索創(chuàng)新研究。2008年研制出端面配流斜軸式海水柱塞泵，結(jié)構(gòu)如圖11所示。該泵采用間隙自動補償結(jié)構(gòu)來密封柱塞副[35]，及陶瓷軸承承載，額定工作壓力為14 MPa時，排量為173 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，容積效率大于83%[36-38]。

圖11　端面配流斜軸式海水柱塞泵

在“十二五”國家海洋領(lǐng)域863計劃主題項目的資助下，北京工業(yè)大學(xué)還積極開展了端面配流斜盤式海水軸向柱塞泵的研制，在材料篩選、配流特性、關(guān)鍵摩擦副可靠性設(shè)計、可靠性強化試驗等方面做了大量的基礎(chǔ)研究，2013年成功研制出多臺額定壓力為14 MPa， 額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min的全水潤滑端面配流斜盤式海水軸向柱塞泵[39-44]，如圖12所示，該泵在工作壓力為14 MPa時的輸出流量可達(dá)113 L/min，容積效率為82%，目前該泵正處于可靠性強化試驗階段，在額定工況下已累計運行超過500 h。

圖12　全水潤滑斜盤式海水軸向柱塞泵

3　電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵

隨著材料學(xué)、電磁學(xué)、自動化控制等學(xué)科的發(fā)展，出現(xiàn)了電機和泵設(shè)計成一體的電磁直驅(qū)式液壓柱塞泵，可以克服傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動軸向柱塞泵存在的摩擦副較多、變量機構(gòu)復(fù)雜、流量脈動大的缺點。目前國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等高校均開展了電磁直驅(qū)式油壓柱塞泵的研究，研制出了電磁直接驅(qū)動電液伺服油壓泵、盤式永磁同步電機串聯(lián)直驅(qū)式柱塞泵、并聯(lián)電機葉片泵等樣機[45-48]。

由于電磁直驅(qū)式液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)方案存在的低流量脈動、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等優(yōu)點特別合適海洋應(yīng)用環(huán)境尤其是深海條件下低振動的特殊需求，因此近年來北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校開展了電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵的研究。

2010年，華中科技大學(xué)朱碧海副教授提出一種帶雙斜盤結(jié)構(gòu)的水壓軸向柱塞式電機泵[49]，如圖13所示。該泵將雙斜盤軸向柱塞泵泵體集成于屏蔽電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，使柱塞泵缸體與電動機轉(zhuǎn)子連接成一體結(jié)構(gòu)，工作時通過電機旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動柱塞泵缸體運動繼而完成泵的吸排水過程。該泵在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，工作壓力8 MPa時的容積效率為70%[50, 51]。

圖13　雙斜盤柱塞式電機泵結(jié)構(gòu)圖

2009年，北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授在國家自然科學(xué)基金和海裝預(yù)研項目的資助下，以低振動、恒流量、高效率以及高可靠性為研究目標(biāo)，開展了面向潛器的直線電機驅(qū)動海水柱塞泵的研究。通過直線電機的運動將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，消除了傳統(tǒng)水液壓泵組機械傳動鏈中間傳動環(huán)節(jié)所帶來的一系列不良影響(如大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、振動、噪聲及磨損等)，可大大地降低海水液壓柱塞泵組及系統(tǒng)的振動和空氣輻射噪聲級別[52, 53]。該泵采用4臺大推力直線電機驅(qū)動8個柱塞做往復(fù)運動，每個柱塞通過一套吸水閥和壓出閥實現(xiàn)配流[52]，現(xiàn)已加工制造出額定壓力10 MPa、額定流量為100 L/min的直驅(qū)水壓柱塞泵樣機[54-57]，如圖14所示，目前該泵正處于組裝調(diào)試及性能試驗階段。

4　展望

水液壓柱塞泵的發(fā)展經(jīng)歷了油水分離閥配流到全水潤滑端面配流結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，隨著材料學(xué)、摩擦學(xué)不斷發(fā)展，應(yīng)結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢，將全水潤滑超高壓閥配流水壓柱塞泵以及端面配流高壓水壓柱塞泵作為未來的發(fā)展方向；為了適應(yīng)未來水壓變頻調(diào)速泵控系統(tǒng)的發(fā)展需求，不但要研制傳統(tǒng)的斜盤式水壓變量泵，還要結(jié)合電磁學(xué)、自動化控制等學(xué)科的最新研究成果，開辟新的道路，積極開展電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵的研究。

圖14　直線電機驅(qū)動海水柱塞泵

目前國產(chǎn)水壓柱塞泵在性能方面與國外成熟產(chǎn)品還存在不小的差距，需要從樣機的可靠性設(shè)計和壽命試驗入手，進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論和實驗研究，提高國產(chǎn)水壓柱塞泵的工作性能，爭取早日替代國外產(chǎn)品，不斷開拓應(yīng)用市場，積極推動國產(chǎn)水液壓柱塞泵在軍工、鋼鐵冶金、消防及反滲透淡化等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。

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