新型數(shù)字排量泵流量控制技術(shù)研究

【摘" 要】作為液壓系統(tǒng)的核心元件，液壓泵的能量利用效率對(duì)液壓系統(tǒng)的效率起著至關(guān)重要的影響。與傳統(tǒng)軸向柱塞泵相比，數(shù)字排量泵是一種具有顯著效率優(yōu)勢(shì)的液壓泵。數(shù)字排量泵以徑向柱塞泵為藍(lán)本，在每個(gè)柱塞頂端均配備有一個(gè)高速開關(guān)電磁閥。通過(guò)對(duì)各個(gè)電磁閥的開關(guān)情況進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)柱塞腔的單獨(dú)工作。文章在介紹數(shù)字排量泵的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，著重闡述控制數(shù)字排量泵輸出流量的方法。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字排量泵；高速開關(guān)電磁閥；流量控制

中圖分類號(hào)：U463.22"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" 文章編號(hào)：1003-8639（2025）01-0087-02

Research on Flow Control Technology of New Digital Displacement Pump

WANG Panpan，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，LI Ruizhen

（Institute of Electronic Control and Software，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】As the core component of hydraulic system，the energy utilization efficiency of hydraulic pump plays a crucial role in the efficiency of hydraulic system. The digital displacement pump is a hydraulic pump with significant efficiency advantages over the traditional axial piston pump. The digital displacement pump is modeled on the radial piston pump and is equipped with a high-speed switching solenoid valve at the top of each piston. By controlling the switching of each solenoid valve，each plunger cavity can work independently. On the basis of introducing the structure and working principle of the digital displacement pump，the paper focuses on the method of controlling the output flow of the digital displacement pump.

【Key words】digital displacement pump；high-speed switching solenoid valve；flow control

0" 引言

在非道路工程機(jī)械領(lǐng)域，液壓系統(tǒng)憑借高功率密度、高可靠性以及線性執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)著不可替代的地位。然而，液壓系統(tǒng)效率偏低，通常僅有約30%的能量能夠得到有效利用。為提高液壓系統(tǒng)的效率，液壓領(lǐng)域從業(yè)者提出了眾多方案，例如在液壓系統(tǒng)中增設(shè)能量回收裝置，或者去除液壓系統(tǒng)中的某些閥以減少節(jié)流損失。其中一種方式是采用新型液壓泵替代傳統(tǒng)液壓泵，這種新型液壓泵即數(shù)字排量泵。數(shù)字排量泵因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的高效利用，進(jìn)而提升整個(gè)液壓系統(tǒng)的效率。本文后續(xù)部分將對(duì)數(shù)字排量泵的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹，隨后闡述數(shù)字排量泵輸出流量的控制方法。

1" 數(shù)字排量泵結(jié)構(gòu)及工作原理

數(shù)字排量泵主要由以下部件組成：多個(gè)柱塞腔，呈徑向分布于偏心輪外側(cè)；進(jìn)油側(cè)開關(guān)電磁閥，一端連接低壓側(cè)，另一端連接柱塞腔；排油側(cè)單向閥，一端連接高壓側(cè)，另一端連接柱塞腔，控制液壓油僅能由柱塞腔流向高壓側(cè)；柱塞位置傳感器，可實(shí)時(shí)獲取柱塞在柱塞腔中的位置；電子控制單元，接收柱塞位置傳感器的信號(hào)并產(chǎn)生控制進(jìn)油側(cè)開關(guān)電磁閥的電信號(hào)。數(shù)字排量泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)開關(guān)電磁閥未得電時(shí)，液壓油在輸入軸帶動(dòng)下由低壓側(cè)流入柱塞腔，隨后又從柱塞腔流出到低壓側(cè)，數(shù)字排量泵不對(duì)外做功。當(dāng)開關(guān)電磁閥得電時(shí)，液壓油僅可由低壓側(cè)向柱塞腔單向流動(dòng)，從而被壓入高壓油側(cè)，數(shù)字排量泵對(duì)外做功。由于各個(gè)柱塞頂端均設(shè)有一個(gè)高速開關(guān)電磁閥，因此各個(gè)柱塞能夠單獨(dú)工作。通過(guò)控制各個(gè)高速開關(guān)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，可以控制數(shù)字排量泵的輸出流量。

2" 數(shù)字排量泵流量控制方法

數(shù)字排量泵的流量控制方法稱為行程比控制方法，即數(shù)字排量泵的輸出流量Q（L/min）可表示為：

[Q=i=1znλiV]

式中：[z]——數(shù)字排量泵柱塞的數(shù)量，對(duì)于圖1所示的泵，[z]為6；[V]——每個(gè)柱塞腔的最大排油體積，L/r；[n]——輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min；[λi]——在一轉(zhuǎn)中每個(gè)柱塞處于高壓區(qū)的行程比。

當(dāng)[λi=1]時(shí)，表示在一轉(zhuǎn)中，此柱塞腔在高速開關(guān)電磁閥的控制下一直與負(fù)載相通而輸出壓力油；當(dāng)[λi=0]時(shí)，表示在一轉(zhuǎn)中，此柱塞腔在高速開關(guān)電磁閥的控制下始終與油箱相通不輸出壓力油；[λi=0.3]時(shí)，表示在一轉(zhuǎn)中，此柱塞腔在高速開關(guān)電磁閥的控制下有30%的行程與負(fù)載相通而輸出壓力油，其余70%的行程與油箱相通不輸出壓力油。

現(xiàn)舉例說(shuō)明數(shù)字排量泵的流量控制方法。假設(shè)數(shù)字排量泵的輸入軸轉(zhuǎn)速為1800r/min，含有6個(gè)柱塞，每個(gè)柱塞的容量為10cc。若需求流量為108L/min，則要求泵每轉(zhuǎn)的排油體積為0.06L（60cc），因此需要在每一轉(zhuǎn)中所有柱塞始終與負(fù)載相通輸出壓力油，即在每一轉(zhuǎn)中，[λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=1]；若需求流量為63L/min，則要求泵每轉(zhuǎn)的排油體積為0.35L（35cc），則存在多種方式可實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)闡述如下。

1）方式1。在每一轉(zhuǎn)中任選3個(gè)柱塞始終與負(fù)載相通。在其余3個(gè)柱塞中任選一個(gè)柱塞有50%的行程與負(fù)載相通，其余50%的行程與油箱相通。另外2個(gè)柱塞始終與油箱相連不輸出壓力油。

2）方式2。在每一轉(zhuǎn)中所有柱塞58%的行程與負(fù)載相通，其余42%的行程與油箱相通。

3）方式3。在每一轉(zhuǎn)中任選2個(gè)柱塞始終與負(fù)載相通。在其余4個(gè)柱塞中任選3個(gè)柱塞有50%的行程與負(fù)載相通，其余50%的行程與油箱相通。另外1個(gè)柱塞始終與油箱相連不輸出壓力油。

在這3種實(shí)現(xiàn)方式中，方式1將參與輸出壓力油的柱塞腔數(shù)目降到了最少，可以有效降低數(shù)字排量泵的泄漏損失，提升泵效率。

其中，方式1和方式3的核心思想是減少參與輸出壓力油的柱塞腔數(shù)量，但是兩者均需要控制柱塞腔部分行程輸出壓力油，這無(wú)疑增加了控制的難度。因此，有必要尋找一種既能減少參與輸出壓力油柱塞腔數(shù)量，又能降低控制難度的流量控制方法。假設(shè)1代表開關(guān)電磁閥通電，0代表開關(guān)電磁閥斷電。如下所述的編碼控制方法可以滿足啟用柱塞數(shù)目少和控制難度較小的要求。

2.1" 依據(jù)需求流量計(jì)算需求排量比[η]

需求排量比為需求泵排量和最大泵排量的比值。其中，最大泵排量為數(shù)字排量泵所有柱塞全部投入使用（所有進(jìn)油側(cè)開關(guān)電磁閥全部通電）時(shí)，輸入軸旋轉(zhuǎn)一圈泵所排出的液壓油的體積。而需求泵排量是需求流量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比值。因此，已知泵的需求流量即可獲得泵的需求排量比。

2.2" 數(shù)字碼流計(jì)算

在確定數(shù)字碼流之前應(yīng)該確定編碼長(zhǎng)度[n]，一般[n]為數(shù)字排量泵柱塞總數(shù)的倍數(shù)。若編碼長(zhǎng)度為[n0]，則數(shù)字排量泵輸出排量比的精度為[1n0]，若[1n0]滿足精度要求，則確定編碼長(zhǎng)度[n]為[n0]。

1）記數(shù)字碼流第[j]次編碼的步長(zhǎng)為[λj]，則：

[λ1=1η]

計(jì)算得到第1次編碼的步長(zhǎng)以后，將碼流第1位編為1，其后每隔[（λ1?1）]位編下一個(gè)1。

2）計(jì)算參數(shù)[φj]：

[φj=η×n0?i=1nbiac]

式中：[i=1nbiac]——前[（j?1）]次編碼中，編碼為1的總個(gè)數(shù)。

3）計(jì)算參數(shù)[λj+1]：

[λj+1=n0φj]

得到[λj+1]以后，將第[（λj+1?1）]位編碼為1，其后每隔[（λj+1?1）]位編下一個(gè)1。若本次編碼結(jié)果和上次編碼結(jié)果完全相同，則將[λj+1] 位編碼為1，其后每隔[（λj+1?1）]位編下一個(gè)1。

4）重復(fù)步驟2）和步驟3），當(dāng)計(jì)算出的[λj+1gt;n0]時(shí)，結(jié)束編碼，未編碼為1的位自動(dòng)編碼為0。

數(shù)字排量泵編碼控制策略流程如圖2所示。對(duì)于一個(gè)最大排量為60cc的數(shù)字排量泵，若需求排量為35cc，即需求排量比為58.3%，選擇碼元長(zhǎng)度為12。按照編碼步驟，第1次編碼步長(zhǎng)為λ1=[10.583]≈1.72≈2，則第1次編碼結(jié)果為101010101010。參數(shù)[φ1=0.583×12?6≈1]。第2次編碼步長(zhǎng)為[λ2=121=12]，第2次編碼結(jié)果為101010101011。參數(shù)[φ2=0.583×12?7≈0]，第3次編碼步長(zhǎng)為無(wú)窮大。至此，結(jié)束編碼，最終編碼結(jié)果為101010101011。

3" 結(jié)論

數(shù)字排量泵以徑向柱塞泵為藍(lán)本，每個(gè)柱塞頂端均配有高速開關(guān)電磁閥。開關(guān)閥得電時(shí)，液壓油被排入高壓側(cè)，泵對(duì)外做功。開關(guān)閥不得電時(shí)，液壓油被排入低壓側(cè)，泵不對(duì)外做功。高速開關(guān)電磁閥的存在使得數(shù)字排量泵的各個(gè)柱塞可以單獨(dú)工作，控制每個(gè)高速開關(guān)電磁閥的開關(guān)狀況即可控制數(shù)字排量泵的輸出流量。數(shù)字排量泵輸出流量的控制方法稱為行程比控制方法，即根據(jù)需求流量控制每一轉(zhuǎn)中處于高壓區(qū)的柱塞的數(shù)量和行程，從而通過(guò)多種方式使其滿足流量輸出要求。若1代表高速開關(guān)電磁閥通電，0代表高速開關(guān)電磁閥斷電，通過(guò)合理的編碼方式對(duì)數(shù)字排量泵的高速開關(guān)電磁閥進(jìn)行控制即可使數(shù)字排量泵滿足流量輸出要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Axin M， Bj?rn Eriksson， Krus P. Energy Efficient Fluid Power System for Mobile Machines with Open-centre Characteristics[C]//Proceedings of the 9th JFPS International Symposium，2014：452-459.

[2] Caldwell N.Review of Early Work on Digital Displacement Hydrostatic Transmission Systems[C]//Proceedings of the BATH/ASME 2018 Symposium，2018：1-13.

[3] Pellegri M，Green M，Macpherson J，et al.Applying a multi-service digital displacement pump to an excavator to reduce valve losses[C]//12th International Fluid Power Conference（12.IFK），2020：59-68.

[4] L.Wadsley.Optimal System Solutions Enabled by Digital Pumps[C]//National conference on fluid power，2011：7-12.

（編輯" 凌" 波）