變量機(jī)構(gòu)軸向柱塞泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張 雪

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453000）

變量機(jī)構(gòu)的型式很多，按照控制方式，可分為手動(dòng)式、機(jī)動(dòng)式、電動(dòng)式、液動(dòng)式、電液比例控制式等。按照變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械式、液壓伺服機(jī)構(gòu)式、液壓缸式，如圖1所示。按照性能參數(shù)還可分為恒功率式、恒壓式、恒流量式等。

圖1 變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)

以上各種型式的變量機(jī)構(gòu)常常組合使用。例如，圖1（a)所示，手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)采用杠桿或采用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)斜盤(pán)改變傾斜角，如果用可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)絲杠可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)變量。圖1（b）所示，在伺服閥C端用手輪或杠桿輸入一位移量，稱手動(dòng)伺服變量式；若以電機(jī)或液壓裝置輸入位移量時(shí)，則稱電動(dòng)或液動(dòng)伺服變量式；如果輸入的控制信號(hào)量使得泵輸出的功率為常值，則構(gòu)成了壓力補(bǔ)償變量式。再如圖1（c）中，用帶有電磁閥的外液壓源控制，可成為遠(yuǎn)程液控變量式；如果用伺服閥控制變量缸，并使泵出口壓力為恒值，可成為恒壓變量型式。

由此可知，變量的型式是多種多樣的，下面介紹其中最常用的變量機(jī)構(gòu)。

1 手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)

手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)是一種最簡(jiǎn)單的變量機(jī)構(gòu)，適用于不經(jīng)常變量的液壓系統(tǒng)。變量時(shí)用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的螺母直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)斜盤(pán)改變傾斜角實(shí)現(xiàn)變量。手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)原理圖及變量特性如圖2所示。

圖2 手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)原理及特征

如圖2中表明手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)雙向變量。流量Q的方向和大小與變量機(jī)構(gòu)行程y成正比。

2 手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)用機(jī)械方式通過(guò)伺服閥帶動(dòng)變量缸改變斜盤(pán)傾角實(shí)現(xiàn)變量。手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)的原理圖和變量特性如圖3所示。

圖3 手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)

如圖3中伺服變量機(jī)構(gòu)由雙邊控制閥和差動(dòng)變量缸組成。控制閥的閥套與變量活塞桿相連，變量缸的缸體與泵體相連。當(dāng)控制閥處于中位時(shí)，斜盤(pán)穩(wěn)定在一定的位置上。變量時(shí)，若控制閥C端向左移動(dòng)，油路1和2連通，變量缸A﹑B兩腔都是泵出口壓力。由于B腔面積大于A腔，變量活塞在液壓力作用下向右移動(dòng)，推動(dòng)斜盤(pán)傾斜角減小，流量隨之減少。與此同時(shí)，由于閥套與活塞桿相連，閥套也向右移動(dòng)逐步關(guān)閉油路l和2，于是斜盤(pán)穩(wěn)定在新的位置上。

反之，控制閥向右移動(dòng)時(shí)，油路2和3連通，變量缸B腔與回油路接通，變量活塞在A腔液壓力作用下向左移動(dòng)，使斜盤(pán)傾角增大，流量也增大。同理，由于控制閥閥套的反饋移動(dòng)，使斜盤(pán)穩(wěn)定在新的位置。

這種利用機(jī)械位置反饋的伺服變量機(jī)構(gòu)減少了變量控制力，大大提高了變量的性能和精度。變量信號(hào)輸入可以是手動(dòng)，也可以是電動(dòng)。如用外液壓源可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)級(jí)變量。因此，這種變量型式廣泛用于頻繁變速的行走車(chē)輛、工程機(jī)械、機(jī)床等許多液壓系統(tǒng)中。

3 恒功率變量機(jī)構(gòu)

恒功率變量機(jī)構(gòu)是根據(jù)泵出口壓力調(diào)節(jié)輸出流量，使泵輸出流量與壓力的乘積近似保持不變，即原動(dòng)機(jī)輸出功率大致保持恒定。變量機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。

如圖3中恒功率變量機(jī)構(gòu)仍由雙邊控制閥和差動(dòng)變量缸組成。與手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)不同的是控制閥C端由彈簧預(yù)壓調(diào)定，D端用控制油路接通泵出口管路。利用液壓力與彈簧力平衡的關(guān)系控制變量活塞，改變斜盤(pán)傾角。工作原理與手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)類(lèi)似。

為使泵功率為一恒值，理論上，泵出口壓力與輸出流量應(yīng)保持雙曲線關(guān)系，如圖4所示。但是，實(shí)際泵的變量機(jī)構(gòu)都是采用彈簧來(lái)控制的。因此，只能用一段折線(一根彈簧)或二段折錢(qián)(二根彈簧)來(lái)近似替代雙曲線。圖3（a）所示的變量特性就是采用內(nèi)外雙彈簧和機(jī)械限位裝置控制的恒功率變量特性。

圖4 恒功率理論變量特征曲線

泵開(kāi)始工作時(shí)，控制閥D端的液壓力不足以克服外彈簧預(yù)緊力，斜盤(pán)傾角最大，流量也最大，變量特性為水平線。當(dāng)泵出口壓力上升到如圖4所示值時(shí)，控制閥D端按壓力大于C端彈簧預(yù)緊力，閥芯向左移動(dòng)，控制變量活塞向右推動(dòng)斜盤(pán)減小傾角，流量隨之減少，變量特性為折線。線的斜率取決于外彈簧的則度。當(dāng)泵壓力繼續(xù)升高到如圖4所示值時(shí)，內(nèi)彈簧也參與工作。由于內(nèi)外彈簧的合成剛度更大，變量特性為折線，線的斜率取決于內(nèi)外彈簧的合成剛度。隨著出口壓力繼續(xù)升高，閥芯碰到限位裝置，則輸出流星也不再減少，變量特性為折線。

特性曲線中各折點(diǎn)位置可以通過(guò)調(diào)整彈簧預(yù)緊力和限位裝置來(lái)改變，折線的斜率取決于彈簧剛度。

恒功率變量是常用的變量型式之一，能充分發(fā)揮原動(dòng)機(jī)的功率效能，并使液壓設(shè)備體積小、重量輕。常用于壓力經(jīng)常變化的壓力機(jī)、重型設(shè)備、工程機(jī)械等液壓系統(tǒng)中。

4 恒流量變量機(jī)構(gòu)

恒流量變量機(jī)構(gòu)是根據(jù)裝于泵出口主油路中的節(jié)流閥兩側(cè)的壓力差調(diào)節(jié)輸出流量，保持流量為一恒值。變量機(jī)構(gòu)原理及變量特性如圖5所示。

圖5 恒流量變量機(jī)構(gòu)原理及特征

圖5中恒流量變量機(jī)構(gòu)由帶有節(jié)流閥的雙邊控制閥(恒流量閥)和差動(dòng)變量缸組成?？刂崎yC端預(yù)壓彈簧調(diào)定后，節(jié)流閥兩側(cè)壓力差在控制閥閥芯上產(chǎn)生的液壓力與彈簧力相平衡，閥芯處于中垃，斜盤(pán)傾角固定在某一角度，泵輸出流量為調(diào)定值。

當(dāng)泵轉(zhuǎn)速增加時(shí)，輸出流量也相應(yīng)增加。由于節(jié)流器面積不變，則節(jié)流器兩端壓力差增大，推動(dòng)控制閥閥芯左移，帶動(dòng)變量活塞左移，斜盤(pán)傾角減小，流量城少，直至恢復(fù)到調(diào)定值。此時(shí)，閥芯上液壓力與彈簧力重新平衡閥芯處于中位，斜盤(pán)傾角穩(wěn)定，泵輸出流量為恒定值。反之，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速減小后，輸出流量減少。類(lèi)似的分析可知，斜盤(pán)傾角會(huì)增加，流量也隨之增加，仍保持為一恒定值。

圖5（b）為變量特性曲線。為保持調(diào)定流量的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。從圖5中可以看出，從以上，泵輸出流量不隨轉(zhuǎn)速變化而改變，始終保持恒定值。

恒流量變量泵用于對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求速度恒定的設(shè)備中，例如機(jī)床、運(yùn)輸機(jī)械等液壓系統(tǒng)。但是恒流量變量泵恒定流星的精度不高，誤差較大，這也限制了它的應(yīng)用。