恒壓變量軸向柱塞泵的研究

趙 琦 殷學(xué)超

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在各個(gè)行業(yè)中液壓傳動(dòng)都是不可或缺的，柱塞泵作為液壓系統(tǒng)中的“心臟”，是使用最高的液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力元件。如今的市場要求我們不斷地創(chuàng)新，做到與眾不同，做到獨(dú)一無二，正是市場使命，造就了液壓泵產(chǎn)品的多樣化。其多元性主要體現(xiàn)在[1]：1）輸送介質(zhì)的多樣性；2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的差異性；3）運(yùn)行要求的不同性。

從輸送介質(zhì)來區(qū)分，早期的軸向柱塞泵的輸送介質(zhì)主要是水及其它的流體、氣體等，但現(xiàn)在可以輸送的東西越來越多，包括各種氣體、液體、固體的組合形式。目前國內(nèi)的大方向是要求環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，柱塞泵的工作環(huán)境對(duì)泵的設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的要求，比如要求柱塞泵具有噪聲低、泄漏少、壽命穩(wěn)定等要素，這些要素對(duì)泵的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在這種大環(huán)境大需求下，形成了多元形式的泵。

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步、不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展，液壓系統(tǒng)也隨之發(fā)展，液壓系統(tǒng)也慢慢朝著精細(xì)化、精密化、環(huán)?；?、智能化、模塊化等方向發(fā)展，它對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的影響較為直接，也是判斷液壓系統(tǒng)穩(wěn)定的重要依據(jù)，恒壓變量軸向柱塞泵正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。最近幾年，使用容積式運(yùn)動(dòng)原理傳動(dòng)的液壓系統(tǒng)壓力逐漸增大，大大提高了柱塞泵的使用范圍，應(yīng)用也隨之越來越廣泛。該種容積式的柱塞泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、輸出壓力高，多種變量機(jī)構(gòu)任意選擇、使用壽命長等。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前國外柱塞泵的廠家主要集中在德國、日本、美國等發(fā)達(dá)國家，這些廠家的市場占有率超過65%，其關(guān)鍵技術(shù)也對(duì)外封鎖。

國外對(duì)軸向柱塞泵的研究較早，美國Denison 型號(hào)的柱塞泵，該泵的主要特點(diǎn)是壓力高、效果好、采用斜盤后置的方式，其結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、性能穩(wěn)定，如圖1 所示。

圖1 Denison 軸向柱塞泵

英國的Vardis 柱塞泵，該型號(hào)的柱塞泵其泵體結(jié)構(gòu)為一體鑄造形式，配油盤集成在鑄造泵體上，柱塞泵的軸承為滑動(dòng)軸承，其采用了特殊的變量機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其零部件數(shù)量少，成本低廉，如圖2 所示。

圖2 英國Vardis 軸向柱塞泵

日本川崎K 系列軸向柱塞泵，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，該泵柱塞的回程不是借助彈簧，而是由固定壓板使壓盤拖動(dòng)柱塞強(qiáng)制返回，中心彈簧只是對(duì)缸體配油表面起到密封作用，該泵共9 個(gè)柱塞，斜盤傾角為14°，在泵軸后端裝設(shè)一擺線齒輪泵[2]。

圖3 日本川崎K 系列軸向柱塞泵

德國Bosch 軸向柱塞泵如圖4 所示，泵的主體部分與前述的日本川崎K 系列相似，其變量機(jī)構(gòu)不同于前述的垂直布置，而與泵軸成斜向布置。

圖4 德國Bosch 軸向柱塞泵

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)柱塞泵的水平大致相當(dāng)于國外30 年前的技術(shù)水平，產(chǎn)品的使用壽命和無故障率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)達(dá)國家的設(shè)計(jì)水平。因此，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壽命、高穩(wěn)定性的柱塞泵，不但可以擺脫國外的技術(shù)封鎖，也能提高國產(chǎn)化程度，這樣能大大降低企業(yè)的采購成本。

從1980 年以來，我國逐漸開始研究PCY 型號(hào)的恒壓變量軸向柱塞泵，在2 年后研發(fā)成功，并且逐漸研發(fā)了多代產(chǎn)品，并全部投入市場，滿足各個(gè)行業(yè)對(duì)液壓泵的需求，占據(jù)了一定的市場份額。第一代PCY14-1B 恒壓變量泵共有5 種規(guī)格，分別為10，25，63，160，250 mL/r，但是真正投入到市場的只有25 和63 mL/r 這2 種，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 一代PCY14-1B 恒壓變量泵

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）變量活塞大頭安裝在下方，小頭安裝在上方，采用倒裝方式；

2）恒壓調(diào)節(jié)閥裝在變量機(jī)構(gòu)下法蘭的內(nèi)部；

3）恒壓控制閥閥芯的直徑為0.8cm；

4）一般常泄露的阻尼器安裝在活塞的下腔體內(nèi)。

第二代恒壓變量泵主要是在第一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，泵的安裝尺寸均未改變，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 第二代PCY14-1B 恒壓變量泵

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）變量活塞大頭安裝在上方，小頭安裝在下方；

2）上法蘭的上方安裝有恒壓調(diào)節(jié)閥；

3）恒壓閥芯的直徑為0.6cm，與國外同類恒壓調(diào)節(jié)閥閥芯直徑相同；

4）一旦恒壓閥起作用時(shí)，油會(huì)從變量活塞的上腔體內(nèi)排出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞的上移，此時(shí)柱塞泵的排量減少，實(shí)現(xiàn)泵的恒壓變量控制。

第三代恒壓變量泵是柱塞泵，其變動(dòng)較大，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 第三代QPCY14-1BK 恒壓變量泵

其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）柱塞泵的主體結(jié)構(gòu)相比之前進(jìn)行了較大的改變，不僅增加了柱塞泵的規(guī)格種類和型號(hào)，擴(kuò)大了使用的工作范圍，而且還具有穩(wěn)定性好、速度高、隔音性能好等優(yōu)點(diǎn)；

2）該恒壓變量泵中的恒壓閥的方向旋轉(zhuǎn)了180°；

3）該恒壓變量泵將節(jié)流器并排安裝在變量活塞的2 個(gè)腔體中，使變量活塞的上下腔形成壓差，由于壓差的作用變量活塞的上腔體內(nèi)不斷被泵供油。

柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)按照調(diào)節(jié)的方式不同可分為為恒功率控制機(jī)構(gòu)、恒壓控制機(jī)構(gòu)、恒流量控制機(jī)構(gòu)，它們是通過檢測柱塞泵的流量、壓力作為檢測信號(hào)與輸入值信號(hào)進(jìn)行比較，再通過變量機(jī)構(gòu)的位置反饋來實(shí)現(xiàn)排量的控制；按照控制信息可分為速度傳感控制、壓力傳感控制、負(fù)荷傳感控制[3]。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

2 恒壓變量軸向柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)及工作原理

本文主要討論的是恒壓變量控制型的變量機(jī)構(gòu)，如圖8 所示為恒壓變量機(jī)構(gòu)原理圖。

圖8 恒壓變量機(jī)構(gòu)原理圖

恒壓變量泵的定義是：采用恒壓控制的變量柱塞泵，其運(yùn)行原理如上圖8 所示，其中：1 為控制滑閥、2 為調(diào)節(jié)彈簧、3 是控制油缸，1 和2 并稱為恒壓閥。其具體控制流程如下：

1）當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力低于正常壓力值時(shí)，此時(shí)控制油缸的右腔體內(nèi)沒有液壓油，彈簧力控制油缸向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而來觸發(fā)柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)，使得柱塞泵處在最大壓力處；

2）當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力增加，一旦壓力增大到恒壓閥設(shè)定的壓力時(shí)，此時(shí)調(diào)壓彈簧的彈力會(huì)小于控制閥的液體壓力，促使閥芯像右移動(dòng)，此時(shí)控制油缸的右端會(huì)有油液進(jìn)入，控制油缸的活塞會(huì)向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而再推動(dòng)柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)，此時(shí)柱塞泵的排量會(huì)減小，柱塞泵的工作壓力也慢慢降低；

3）當(dāng)控制閥左腔體的壓力等于調(diào)節(jié)彈簧的壓力時(shí)，此過程滑閥會(huì)關(guān)閉工作，控制油缸將不再動(dòng)作，變量機(jī)構(gòu)執(zhí)行結(jié)束，柱塞泵的工作壓力將會(huì)逐漸穩(wěn)定在調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)定值上面。同時(shí)，當(dāng)液壓系統(tǒng)的壓力逐漸降低時(shí)，由于變量機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)作用，使得泵的輸出流量不斷增加，液壓系統(tǒng)壓力又會(huì)回到初始設(shè)定的值[4]。

如圖9 所示為恒壓變量泵的工作特性曲線，當(dāng)P

這種泵的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是：在某一個(gè)設(shè)定值的壓力下，如果負(fù)載所需要的泵的流量從圖9 所示的點(diǎn)A逐漸變化到點(diǎn)B 時(shí)，此時(shí)一旦變量泵的輸出流量不變時(shí)，整個(gè)液壓系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)供過于求的現(xiàn)象，促使柱塞泵的出口壓力不斷升高，這時(shí)變量機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的控制，會(huì)使液壓系統(tǒng)的排量不斷減小，減小到與B 點(diǎn)上的流量相對(duì)應(yīng)時(shí)，來匹配負(fù)載所需要求的系統(tǒng)流量的減小，但同時(shí)又會(huì)保持系統(tǒng)壓力不變。

圖9 恒壓變量泵的工作特性曲線

恒壓變量柱塞泵主要由3 大部分組成：柱塞泵、變量油缸、調(diào)壓閥。它主要通過柱塞的往復(fù)動(dòng)作，進(jìn)而改變柱塞缸體內(nèi)的液體容積，進(jìn)行油液的輸入輸出。斜盤式軸向柱塞泵一般具有效果好、參數(shù)高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，它主要是通過控制斜盤的傾角來實(shí)現(xiàn)變量控制[4]。

恒壓變量泵主要工作原理為：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體持續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)沿著圓周布置的若干個(gè)柱塞同時(shí)繞著傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，滑靴被中間彈簧的彈力作用擠壓在柱塞泵變量頭上，這樣圓周布置的柱塞就會(huì)伴隨缸體的轉(zhuǎn)動(dòng)做往復(fù)的伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸油和排油功能。

當(dāng)設(shè)定的壓力大于液壓系統(tǒng)的輸出壓力，此時(shí)柱塞泵全排量輸出，即實(shí)現(xiàn)定量工作，當(dāng)系統(tǒng)輸出的壓力達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)，就會(huì)通過變量機(jī)構(gòu)自動(dòng)地調(diào)節(jié)泵的流量，從而來確保液壓系統(tǒng)壓力的恒定，滿足柱塞泵的使用需求。

如圖10 所示為恒壓變量柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)將輸出的壓力油同時(shí)通至變量活塞下腔和恒壓閥的控制油入口，當(dāng)輸出壓力小于調(diào)定壓力時(shí)，作用在恒壓閥芯上的油壓推力小于調(diào)定彈簧力，恒壓閥處于開啟狀態(tài)，壓力油進(jìn)入變量活塞上腔，變量活塞壓在最低位置，泵全排量輸出壓力油；當(dāng)泵在調(diào)定恒壓力工作時(shí)，作用在恒壓閥芯上的油壓推力等于調(diào)定彈簧力，恒壓閥的進(jìn)排油口同時(shí)處于開啟狀態(tài)，使變量活塞上下腔的油壓推力相等，變量活塞在某一平衡位置工作[5]，若液壓阻尼（負(fù)載）加大，油壓瞬時(shí)升高，恒壓閥排油口開大、進(jìn)油口關(guān)小，變量活塞上腔比下腔壓力低、變量活塞向上移動(dòng)，泵的流量減小，直至壓力下降到調(diào)定恒壓力，這時(shí)變量活塞在新的平衡位置工作。反之，若液壓阻尼（負(fù)載）減小，油壓瞬時(shí)下降，恒壓閥進(jìn)油口開大，排油口關(guān)小，變量活塞上腔比下腔油壓高，變量活塞向下移動(dòng)，泵的流量增大，直至壓力上升至調(diào)定恒壓力[6]。

圖10 恒壓變量柱塞泵結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

本文總結(jié)了恒壓變量軸向柱塞泵的研究現(xiàn)狀和成果，并詳細(xì)分析了國內(nèi)恒壓變量泵的發(fā)展歷程。指出當(dāng)前國內(nèi)恒壓控制變量泵產(chǎn)品性能相比于國外有很大的差距，提出創(chuàng)新研究恒壓變量柱塞泵的社會(huì)意義。對(duì)恒壓變量泵的工作原理進(jìn)行了細(xì)致的分析，并重點(diǎn)研究了變量工作機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理。