液壓泵產(chǎn)品功率密度特性分析

楊文昌，楊友勝

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100)

0 前言

相比機(jī)械傳動(dòng)與電氣傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)具有功率密度高[1]、輸出力大、響應(yīng)快和易于無(wú)級(jí)調(diào)速等突出優(yōu)勢(shì)，在建筑、農(nóng)業(yè)及采礦等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。液壓泵作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的核心元件，將機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液壓動(dòng)力，為執(zhí)行部件提供高壓流體?，F(xiàn)有技術(shù)的液壓泵體積質(zhì)量偏大[2]，已無(wú)法進(jìn)一步適應(yīng)深海機(jī)電、航空航天和仿生機(jī)器人等狹小空間領(lǐng)域的應(yīng)用要求，液壓泵的高功率密度化、微小型化是當(dāng)前液壓領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]，功率密度也成為液壓泵研發(fā)和選用的關(guān)鍵指標(biāo)。

液壓泵功率密度定義為泵輸出功率與自身質(zhì)量之比[5]：ρP=P/W。

常用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓泵按結(jié)構(gòu)形式可分成齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。本文作者結(jié)合國(guó)內(nèi)外液壓公司產(chǎn)品，對(duì)比了不同類型液壓泵的功率密度曲線，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析。在此基礎(chǔ)上，就影響泵功率密度特性的關(guān)鍵因素進(jìn)行總結(jié)，為未來(lái)研發(fā)體積小、質(zhì)量輕、高功率密度的液壓泵提供參考。

1 不同類型液壓泵比較

國(guó)際上液壓元件制造商主要有力士樂(lè)(Rexroth)、丹佛斯(Danfoss)、威格士(Vickers)、派克(Parker)、不二越(NACHI)、油研(Yuken)、阿托斯(ATOS)[6]等，就結(jié)構(gòu)類型而言，同品牌不同類型的液壓泵在功率密度方面差異較為明顯。

1.1 Bosch Rexroth

力士樂(lè)(Bosch Rexroth)3類液壓泵經(jīng)過(guò)比較，功率密度曲線如圖1—圖5所示。

圖2 Rexroth軸向柱塞泵比較(開(kāi)式回路)

圖3 Rexroth軸向柱塞泵比較(閉式回路)

圖4 Rexroth葉片泵比較

圖5 Rexroth泵產(chǎn)品比較

Rexroth齒輪泵中，內(nèi)嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵功率密度均隨排量增加而上升，其中外嚙合齒輪泵最大功率密度為6.65 kW/kg，兩種型號(hào)內(nèi)嚙合齒輪泵功率密度曲線變化相近，最大值為4.49 kW/kg，整體低于外嚙合齒輪泵，同排量下功率密度達(dá)到外嚙合齒輪泵的70%左右。間隙補(bǔ)償方面，針對(duì)軸向間隙，Rexroth齒輪泵利用兩側(cè)浮動(dòng)襯套將泵輸送壓力部分施加到襯套外表面，在預(yù)緊力和液壓力共同作用下實(shí)現(xiàn)齒輪端面處密封，降低了端面泄漏。除此之外，徑向間隙作為影響內(nèi)嚙合齒輪泵容積效率的關(guān)鍵因素，Rexroth內(nèi)嚙合齒輪泵采用高強(qiáng)度塑料材質(zhì)的切口式月牙塊進(jìn)行徑向間隙補(bǔ)償，月牙塊切口處與高壓油腔貫通，通入背壓油后在壓力作用下變形擴(kuò)張進(jìn)而抵住內(nèi)外齒輪齒頂，徑向間隙得以減小。對(duì)于內(nèi)齒輪泵，泵徑向不平衡力及內(nèi)泄漏問(wèn)題隨工作壓力升高逐漸增大，影響容積效率從而限制了其功率密度的提高。

Rexroth柱塞泵的功率密度比較如圖2—3所示，圖2中以A10VO 52/53泵功率密度最高，達(dá)到3.5 kW/kg。該泵為通軸斜盤結(jié)構(gòu)，角功率(最大擺角和最大壓力時(shí)的功率)可根據(jù)工況變化調(diào)節(jié)，確保在最高轉(zhuǎn)速和最大壓力下平穩(wěn)工作，使輸出功率維持在較高水平[7]。閉式泵中A4VG泵的功率密度最大，為3.86 kW/kg。閉式柱塞泵是根據(jù)閉式系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)斜盤在正負(fù)范圍內(nèi)的角度，達(dá)到調(diào)節(jié)排量和改變輸出方向的雙向變量柱塞泵。該泵同為斜盤結(jié)構(gòu)，并內(nèi)置內(nèi)嚙合齒輪泵將油液提前增壓。相比開(kāi)式泵，閉式泵工作壓力進(jìn)一步提高，額定工作壓力40 MPa，最高壓力45 MPa[8]。

根據(jù)圖4可知：Rexroth葉片泵功率密度與泵排量呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，PVQ泵在所有葉片泵中功率密度最高且達(dá)到最大值2.693 kW/kg。該泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備葉片卸荷和間隙自動(dòng)補(bǔ)償功能。

綜合比較，Rexroth液壓泵產(chǎn)品中以外嚙合齒輪泵功率密度最高，柱塞泵次之，葉片泵最低。

1.2 Saur-Danfoss

由圖6可知：Danfoss鋁制齒輪泵的功率密度明顯高于鑄鐵泵。二者主要區(qū)別在于殼體材料的選擇上，Danfoss鋁泵在殼體上應(yīng)用了比重較輕的鋁合金材料，鋁合金殼體相較于鑄鐵殼體減重效果明顯，功率密度較高，最大值達(dá)到7.35 kW/kg。同時(shí)Danfoss針對(duì)齒輪泵齒形結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，如圖7所示。與相同尺寸標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒輪相比，Danfoss齒輪泵中密封齒數(shù)量更多[9]，在保證齒輪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，排量增大，輸出功率增加。

圖6 Danfoss齒輪泵比較

圖7 標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒輪(a)與Danfoss鋁泵齒輪(b)

Danfoss柱塞泵經(jīng)圖8比較發(fā)現(xiàn)：H1閉式泵功率密度在小排量范圍內(nèi)略低于45開(kāi)式泵，排量增加H1泵功率密度增大并高于45開(kāi)式泵，最大值達(dá)到4.06 kW/kg。45開(kāi)式泵功率密度最大值為3.53 kW/kg。H1閉式泵采用支架式斜盤，內(nèi)嚙合齒輪泵集成于泵內(nèi)用于補(bǔ)油[10]。

圖8 Danfoss柱塞泵比較

Danfoss在水液壓領(lǐng)域也研發(fā)了APP、PAH及PAHT系列軸向柱塞泵，APP海水液壓泵已經(jīng)在反滲透海水淡化領(lǐng)域得到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用[11]。由圖9可知：Danfoss水泵功率密度整體偏低，功率密度曲線隨排量基本呈線性關(guān)系。排量增加，柱塞直徑和斜盤柱塞分布圓直徑也相應(yīng)增大，泵的體積及質(zhì)量隨之增加。同時(shí)柱塞分布圓直徑的增加會(huì)降低泵的轉(zhuǎn)速[12]，泵出口流量降低，輸出功率和功率密度隨之下降。

圖9 Danfoss水液壓泵比較

由圖10可知：綜合比較Danfoss液壓泵產(chǎn)品，鋁齒輪泵功率密度最高，柱塞泵次之，水液壓柱塞泵功率密度最低。

圖10 Danfoss泵產(chǎn)品比較

1.3 Eaton-Vickers

Vickers液壓泵產(chǎn)品中以葉片泵和柱塞泵為代表，進(jìn)行功率密度比較后得到曲線如圖11所示?？芍篤ickers柱塞泵中HPV閉式泵功率密度高于PVM和PVX開(kāi)式泵，最大值為3.56 kW/kg。HPV閉式軸向柱塞泵采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部元件高度集成，減小了泵的體積[13]。

圖11 Vickers柱塞泵比較

如圖12所示，Vickers不同型號(hào)葉片泵的功率密度變化明顯，VQH葉片泵功率密度平均值較高且達(dá)到最大值為4.56 kW/kg。VQH泵在結(jié)構(gòu)上采用圖13所示的子母葉片。2片厚度相同、面積不等的矩形葉片通過(guò)凹槽滑動(dòng)連接，與定子接觸的大葉片為母葉片，小葉片為子葉片。泵出口壓力與子葉片頂部貫通，減小了作用在母葉片上的壓力；母葉片凹槽區(qū)域與配油盤排油溝槽相通，底部壓力經(jīng)過(guò)阻尼和配流再次降低，卸載了葉片頂部作用于定子內(nèi)曲面的推力。葉片受力小且剛度大，密封性能好，泵的輸出壓力較高，最高工作壓力為21 MPa。同時(shí)該泵采用由雙金屬撓性材料制成的浮動(dòng)側(cè)板結(jié)構(gòu)，具備間隙自動(dòng)補(bǔ)償和壓力平衡功能。

圖12 Vickers葉片泵比較

圖13 子母式葉片

結(jié)合上述，經(jīng)圖14進(jìn)一步比較，Vickers不同類型液壓泵中VQH葉片泵功率密度高于其他類型泵，該泵壓力高、排量大，在壓力等級(jí)與排量方面兼具優(yōu)勢(shì)，功率密度高于柱塞泵和齒輪泵。

圖14 Vickers泵產(chǎn)品比較

1.4 Parker Hannifin

對(duì)Parker齒輪泵功率密度的比較見(jiàn)圖15，Parker齒輪泵中，PGP 500H泵功率密度變化較平穩(wěn)，其他泵功率密度隨排量先上升，后降低，整體呈倒V形曲線。最大值由高至低依次為P16鑄鐵泵體鋁端蓋泵、PGP500全鋁泵、PGP130鑄鐵泵及PGP500H鋁制泵體鑄鐵端蓋泵[14]，P16泵達(dá)到最大值6.03 kW/kg。PGP130外嚙合齒輪泵通體材料為高強(qiáng)度鑄鐵，功率密度峰值約為4 kW/kg。P16泵在沿用鑄鐵泵體基礎(chǔ)上，前后端蓋材料采用高強(qiáng)度鋁合金，降低了泵自重；鑄鐵泵體耐高壓性能優(yōu)異，功率密度在上述齒輪泵中最高，峰值達(dá)到6.03 kW/kg。PGP500泵通體采用輕質(zhì)鋁合金，泵自重明顯降低，但耐壓性一般，工作壓力低于鑄鐵泵，受壓力影響輸出功率略有下降，功率密度低于P16泵。結(jié)構(gòu)上Parker在齒輪軸向間隙處進(jìn)行密封，采用能夠承受高載荷的滑動(dòng)軸承來(lái)減小齒輪間的徑向不平衡力?？梢?jiàn)Parker齒輪泵對(duì)泵體材料的組合應(yīng)用對(duì)齒輪泵功率密度的提高具有積極作用，為泵的高壓輕量化設(shè)計(jì)提供了借鑒。

圖15 Parker齒輪泵比較

如圖16所示，Parker葉片泵功率密度與排量基本呈現(xiàn)正相關(guān)，T7D泵功率密度值整體較高，達(dá)到最大值5.4 kW/kg。Parker葉片泵在結(jié)構(gòu)上沿襲Denison的柱銷式葉片(如圖17所示)，矩形葉片通過(guò)直徑4～4.8 mm圓柱銷與轉(zhuǎn)子滑動(dòng)連接，柱銷底部壓力與泵出口壓力貫通，使均布于葉片的高壓集中于柱銷上，降低了葉片受力。工作時(shí)柱銷被轉(zhuǎn)子柱銷孔底部環(huán)形槽內(nèi)的高壓油頂出，進(jìn)而抵住葉片，確保葉片頂端始終緊貼定子內(nèi)曲面。同時(shí)Parker對(duì)傳統(tǒng)單刃口葉片因易磨損而影響密封、難以實(shí)現(xiàn)高壓化的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，葉片頂部由單刃改為雙刃設(shè)計(jì)[15]，2個(gè)刃口交替與定子接觸，增強(qiáng)了葉片密封性能，工作壓力高達(dá)32 MPa，壽命也進(jìn)一步延長(zhǎng)。

圖16 Parker葉片泵比較

圖17 柱銷式葉片

如圖18所示，Parker軸向柱塞泵中，P系列柱塞泵整體功率密度較高，最大值2.78 kW/kg。PC3柱塞泵排量范圍小，功率密度變化明顯。PV+系列斜盤式柱塞泵排量覆蓋范圍大，工作壓力高，但功率密度整體不高。

圖18 Parker柱塞泵比較

如圖19所示，Parker 3類液壓泵中，齒輪泵和葉片泵功率密度較高，柱塞泵較低。Parker對(duì)齒輪泵三段式泵體結(jié)構(gòu)的不同部分進(jìn)行材料優(yōu)化，輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用降低了泵自重，功率密度有所提高。但囿于齒輪結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到柱塞泵的排量水平，高壓與大排量難以兼得，大流量工況下齒輪泵的功率密度優(yōu)勢(shì)無(wú)法凸顯。比較排量范圍較大的葉片泵和柱塞泵，葉片泵結(jié)構(gòu)緊湊，采用柱銷式雙刃口葉片設(shè)計(jì)，工作壓力高，相同尺寸和質(zhì)量下輸出功率較大，功率密度要高于斜盤式柱塞泵。

圖19 Parker泵產(chǎn)品比較

1.5 NACHI-FUJIKOSHI

不二越(NACHI-FUJIKOSHI)的液壓泵產(chǎn)品包括齒輪泵、葉片泵及軸向柱塞泵3類。齒輪泵以IPH內(nèi)嚙合齒輪泵為代表，功率密度曲線如圖20所示。

圖20 NACHI齒輪泵比較

IPH內(nèi)齒輪泵殼體采用鋁合金材料，在結(jié)構(gòu)上對(duì)泵的軸、徑向間隙進(jìn)行補(bǔ)償，軸向間隙通過(guò)由前、后補(bǔ)償盤組成的密封機(jī)構(gòu)，將高壓油引入補(bǔ)償盤壓力腔，減小了高壓油通過(guò)側(cè)向平面間隙向低壓腔的滲漏，實(shí)現(xiàn)軸向自動(dòng)補(bǔ)償。徑向采用分體式月牙塊通入背壓油的推力支撐進(jìn)行密封。額定壓力為25 MPa，最高壓力為30 MPa[16]。由圖20可知：在泵質(zhì)量接近時(shí)，其功率密度隨排量遞增，最大值為1.99 kW/kg。

如圖21所示，NACHI軸向柱塞泵中以PVS和PZS柱塞泵功率密度較高，PZ柱塞泵較低。NACHI柱塞泵整體功率密度偏低，最大值僅有1.79 kW/kg。

圖21 NACHI柱塞泵比較

由圖22綜合比較，IPH 內(nèi)嚙合齒輪泵在NACHI 3種泵中功率密度較高，高于同排量范圍下的柱塞泵及葉片泵，柱塞泵次之，葉片泵功率密度最低。

圖22 NACHI泵產(chǎn)品比較

1.6 ATOS

ATOS齒輪泵的功率密度比較見(jiàn)圖23，PFG齒輪泵功率密度曲線隨排量變化明顯，整體呈逐段遞增趨勢(shì)，最大值3.84 kW/kg。

圖23 ATOS齒輪泵比較

如圖24所示，ATOS PFE葉片泵不同型號(hào)泵自重相同，其功率密度與排量間呈嚴(yán)格正相關(guān)，最大值3.10 kW/kg。結(jié)構(gòu)上PFE泵采用柱銷式葉片，12片偏心柱銷葉片均布于轉(zhuǎn)子上。與Parker葉片泵的不同在于PFE泵葉片底部柱銷直徑增加至5 mm，柱銷受高壓面積為葉片的1/10左右，葉片厚度為4.5 mm，額定壓力為26 MPa[17]。

圖24 ATOS葉片泵比較

由圖25可知：綜合比較ATOS液壓泵，以PFG-2齒輪泵功率密度最大，PFE-31型葉片泵次之，PFR型徑向柱塞泵功率密度最小。

圖25 ATOS泵產(chǎn)品比較

1.7 Yuken

油研(Yuken)作為日本最大的液壓元件生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品在重工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，葉片泵和柱塞泵是主流產(chǎn)品。功率密度曲線如圖26—圖28所示。

圖26 Yuken柱塞泵比較

由圖26可知：Yuken軸向柱塞泵中A3HM高壓泵平均功率密度最高，最大值3.54 kW/kg；A3H和A3HG柱塞泵功率密度特征隨排量變化不大，曲線集中分布在1.5～2.5 kW/kg區(qū)間內(nèi)；而其他3種泵規(guī)格有限，功率密度普遍小于1 kW/kg，最大值僅有1.18 kW/kg。

由圖27可知：Yuken葉片泵功率密度均隨排量變化較大，整體功率密度值偏小，最大值為1.75 kW/kg。Yuken葉片泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，葉片底部壓力與泵出口壓力貫通，無(wú)降壓措施，葉片受力大。為避免葉片與定子表面長(zhǎng)時(shí)間工作因受力過(guò)大而磨損嚴(yán)重，采用輕量化超薄葉片；同時(shí)泵設(shè)計(jì)壓力限制于17 MPa[18]。材料上Yuken葉片泵采用鑄鐵泵體，定子因受葉片頂力及摩擦選擇了更加堅(jiān)硬耐磨的Cr12MoV模具鋼材料，延長(zhǎng)其使用壽命。

圖27 Yuken葉片泵比較

綜合比較(見(jiàn)圖28)，Yuken葉片泵功率密度低于同排量下的柱塞泵，說(shuō)明壓力等級(jí)對(duì)葉片泵功率密度影響較大。

圖28 Yuken泵產(chǎn)品比較

1.8 HAWE Hydraulik

哈威(HAWE Hydraulik)液壓泵以軸向和徑向柱塞泵為主，由圖29可知：K60N和V60N軸向柱塞泵的功率密度值較高。它采用斜軸結(jié)構(gòu)布置，與斜盤泵相比受到的傾覆力矩小，受力均勻且平衡。

圖29 HAWE軸向柱塞泵比較

HAWE徑向柱塞泵功率密度曲線如圖30所示。由于柱塞采用徑向布置，受泵體積限制，柱塞細(xì)且短，泵排量低流量小[19]，限制了其輸出功率，功率密度整體偏低，最大值約為1 kW/kg。

圖30 HAWE徑向柱塞泵比較

1.9 華德液壓

華德(HUADE)液壓作為國(guó)內(nèi)液壓元件制造企業(yè)代表，所生產(chǎn)的柱塞泵按結(jié)構(gòu)分為通軸斜盤泵和斜軸泵2類。

綜合圖31和圖32可知：華德柱塞泵中斜軸泵功率密度整體高于斜盤泵，在結(jié)構(gòu)上斜軸泵傳動(dòng)軸與缸體軸線間存在一定角度，所受徑向力小，缸體受到的傾覆力矩較小，缸體端面與配油盤貼合度高，泄漏損失及摩擦損失均低于斜盤泵，總效率略高，功率密度高于同排量范圍內(nèi)的斜盤泵。華德斜軸泵采用帶柱塞環(huán)的一體化錐形柱塞設(shè)計(jì)[20]，利用柱塞環(huán)的彈性膨脹進(jìn)行密封，保證了容積效率。

圖31 華德柱塞泵比較(斜盤式)

圖32 華德柱塞泵比較(斜軸式)

1.10 榆次液壓

榆次液壓目前已經(jīng)與華德液壓并肩成為國(guó)內(nèi)較大規(guī)模的高端液壓件制造企業(yè)，液壓泵產(chǎn)品涵蓋了軸向柱塞泵、葉片泵及齒輪泵3類。

榆次葉片泵中以PFE柱銷式葉片泵和V系列子母葉片泵為代表，二者在結(jié)構(gòu)上采用前述ATOS及Vickers的葉片泵技術(shù)[21]，由圖33可知，其中45V子母葉片泵功率密度最高，達(dá)到3.27 kW/kg。PFE-2泵在PFE泵基礎(chǔ)上，排量增加，泵自重不變，功率密度高于PFE泵。

圖33 榆次葉片泵比較

榆次柱塞泵均為斜盤結(jié)構(gòu)，由圖34可知：排量覆蓋范圍較小的XB01VG柱塞泵功率密度要高于XB03V0泵；排量范圍較大的XB01VSO泵和XB01FO泵中，XB01FO泵高于XB01VSO泵，且XB01FO泵在小排量時(shí)，功率密度達(dá)到最大值4.15 kW/kg。

圖34 榆次柱塞泵比較

2 同類型液壓泵比較

經(jīng)過(guò)上述比較，同品牌不同結(jié)構(gòu)類型的液壓泵在功率密度上差異較為明顯，多數(shù)品牌產(chǎn)品中以齒輪泵和葉片泵功率密度較高，柱塞泵較低。為進(jìn)一步比較同類型液壓泵在功率密度方面的區(qū)別，結(jié)合前述曲線，就相同類型液壓泵分別選擇不同品牌中功率密度較高的產(chǎn)品，結(jié)合各自材料特點(diǎn)進(jìn)一步展開(kāi)對(duì)比分析。

2.1 齒輪泵

外嚙合齒輪泵作為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍最廣的一種齒輪泵，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平已趨于成熟。由圖35可知：外嚙合齒輪泵中Danfoss全鋁泵的功率密度最高，其次為Rexroth與Parker公司產(chǎn)品，ATOS與Vickers的外嚙合齒輪泵功率密度整體較低。泵殼體材料選擇上，上述齒輪泵分成鑄鐵與鋁合金2種類型，鑄鐵強(qiáng)度高，塑韌性、耐磨性及耐沖擊性能優(yōu)異，但密度高、單位質(zhì)量大；經(jīng)擠壓鑄造后的鋁合金殼體，耐高壓和沖擊、抗張力及熱力性能較好，且質(zhì)量輕、可靠性高，兼顧了力學(xué)性能與鑄造性能[22]。Danfoss齒輪泵殼體的前端蓋、泵體和后端蓋三部分均采用鋁合金，泵自重低于同排量下其他品牌齒輪泵，功率密度值較高。

圖35 外嚙合齒輪泵比較

同外嚙合齒輪泵相比，內(nèi)嚙合齒輪泵在結(jié)構(gòu)上更加緊湊。由圖36可知：Rexroth齒輪泵功率密度值在不同排量下均高于NACHI齒輪泵，小排量下功率密度優(yōu)勢(shì)明顯，達(dá)到最大值4.50 kW/kg。Rexroth齒輪泵的泵體、軸承蓋和端蓋為鋁合金材料，內(nèi)部分段式浮動(dòng)月牙塊間選用工程塑料及彈簧[23]，減重效果好；NACHI泵為鑄鐵泵體，泵自重較大，功率密度值不及Rexroth泵。

圖36 內(nèi)嚙合齒輪泵比較

2.2 葉片泵

對(duì)于葉片泵的比較見(jiàn)圖37，Parker與Vickers葉片泵的功率密度整體高于其他葉片泵。Parker的柱銷式葉片與Vickers的子母葉片都是通過(guò)減小葉片根部面積、降低葉片根部受力從而有效控制了主葉片在低壓區(qū)時(shí)與定子表面的作用力，提高了泵的輸出壓力，進(jìn)而使輸出功率增大，功率密度較高。

圖37 葉片泵比較

2.3 柱塞泵

斜盤式柱塞泵因其排量覆蓋范圍大而應(yīng)用最為廣泛。由圖38可以看出：除Vickers柱塞泵功率密度明顯偏低外，其他柱塞泵功率密度均密集分布在2～3.5 kW/kg區(qū)間內(nèi)且曲線較為平穩(wěn)，不隨排量發(fā)生明顯變化。

圖38 柱塞泵比較

3 討論與總結(jié)

文中通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外液壓泵產(chǎn)品功率密度的比較分析，結(jié)構(gòu)和材料作為影響液壓泵功率密度的2個(gè)關(guān)鍵因素，現(xiàn)予以歸納總結(jié)：

結(jié)構(gòu)方面，3種類型液壓泵中以外嚙合齒輪泵功率密度最高，是小排量工況下的優(yōu)選。外嚙合齒輪泵形式固定，兩側(cè)端面的浮動(dòng)側(cè)板能夠根據(jù)工況及時(shí)對(duì)腔內(nèi)壓力進(jìn)行補(bǔ)償，保證了輸出油液的壓力穩(wěn)定；同時(shí)較高的額定轉(zhuǎn)速能提供較大的流量，輸出功率較高。在此基礎(chǔ)上，國(guó)外幾家公司分別在齒輪結(jié)構(gòu)和泵體材料上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)使齒輪泵的功率密度進(jìn)一步提高。內(nèi)嚙合齒輪泵功率密度不高的主要原因在于其工作壓力較低。工作壓力過(guò)高時(shí)，內(nèi)齒圈所受高壓液體的不平衡徑向力和內(nèi)泄量均增大，進(jìn)而影響容積效率[24]。壓力低、流量小使內(nèi)嚙合齒輪泵的功率密度低于外嚙合齒輪泵。葉片泵與柱塞泵的功率密度略有差別，整體來(lái)看，由于葉片結(jié)構(gòu)在尺寸及質(zhì)量上都小于柱塞結(jié)構(gòu)，同排量下葉片結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的高功率密度及輕量化設(shè)計(jì)。柱塞泵在斜盤傾角及柱塞個(gè)數(shù)上的靈活調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小中大排量的全覆蓋，應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)品眾多，結(jié)構(gòu)上分為斜軸式與通軸斜盤式，柱塞布置方式上也分為軸向與徑向，工業(yè)應(yīng)用的不同又分為開(kāi)式泵及閉式泵。比較發(fā)現(xiàn)斜軸泵功率密度高于通軸式，軸向則要高于徑向，閉式泵由于自帶補(bǔ)油泵系統(tǒng)、變量控制組件及補(bǔ)油閥、高壓限制閥組件等[25]，質(zhì)量略有增加，輸出功率明顯提高，功率密度高于開(kāi)式泵。但柱塞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，元件數(shù)目多且質(zhì)量大，整體來(lái)看功率密度低于齒輪泵及葉片泵。

材料作為液壓泵輕量化設(shè)計(jì)的重要部分，對(duì)功率密度至關(guān)重要。在保持原有輸出性能的前提下，減輕內(nèi)部元件質(zhì)量是進(jìn)一步提高液壓泵功率密度的關(guān)鍵技術(shù)之一。上述部分國(guó)外公司將鋁合金應(yīng)用于泵殼體并形成了規(guī)?；a(chǎn)品，通過(guò)比較證實(shí)鋁合金等輕質(zhì)合金的應(yīng)用對(duì)提高液壓泵功率密度有積極作用。除鋁合金外，塑料等(聚酰亞胺或增加碳纖維的聚酰亞胺)增強(qiáng)型復(fù)合高分子材料[26]及鐵塑、鐵鋁復(fù)合材料[27-28]也開(kāi)始在泵殼體上嘗試應(yīng)用。此類設(shè)計(jì)均可以在滿足殼體剛度和強(qiáng)度要求下，降低泵自重，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，是進(jìn)一步提高液壓泵功率密度的有效途徑。針對(duì)材料的加工，傳統(tǒng)壓鑄工藝生產(chǎn)的泵體在實(shí)際中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、氣孔、縮松及大面積針孔等缺陷[29]，泵體內(nèi)部在承受高壓的情況下勢(shì)必難以保證良好的密封，從而影響泵的容積效率及輸出功率。近年來(lái)基于增材制造技術(shù)生產(chǎn)的液壓元件在輕量化、小型化方面表現(xiàn)優(yōu)異：國(guó)外研究表明采用增材技術(shù)制造的旋轉(zhuǎn)液壓泵葉輪在功能和性能方面與原有金屬葉輪相似，滿足機(jī)械強(qiáng)度和液壓工作要求，質(zhì)量?jī)H有金屬葉輪的11.3%[30]。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)研究表明運(yùn)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的液壓閥塊相較于原始閥塊減重約80%[31]，實(shí)現(xiàn)了液壓元件的輕量化設(shè)計(jì)。

綜上所述，結(jié)合液壓泵功率密度定義公式，提高功率密度有2條途徑：(1)增加泵的輸出功率，但實(shí)際工程應(yīng)用中，為降低系統(tǒng)能耗，絕大多數(shù)液壓泵在選取時(shí)仍堅(jiān)持功率匹配原則，盲目增加輸出功率將會(huì)導(dǎo)致能源過(guò)度消耗，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，此舉并不可?。?2)降低液壓泵質(zhì)量，即實(shí)現(xiàn)泵的輕量化和小型化?，F(xiàn)有液壓泵多采用合金鋼和鑄鐵等金屬材料，利用減材制造加工裝配而成。應(yīng)用了鋁等輕質(zhì)金屬的液壓泵，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)其達(dá)到了降低泵自重從而提高功率密度的目標(biāo)，但與非金屬材料相比其減重幅度仍有限?；谠霾闹圃旒夹g(shù)的非金屬液壓泵組件在降低自重、優(yōu)化空間配置和幫助降低能耗等方面展現(xiàn)出無(wú)窮潛力，是未來(lái)液壓泵實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的有效手段，有助于進(jìn)一步提高液壓泵的功率密度。