對斜軸式柱塞泵的認識與實踐

認識和實踐斜軸式柱塞泵。

太原理工大學副教授，安高成。

當前液壓技術面臨的挑戰及發展趨勢

當前液壓傳動技術面臨嚴峻的挑戰，主要表現在：1.液壓傳動系統的傳動效率：眾所周知，液壓傳動的效率較低，在當前節能環保的壓力下，液壓傳動因效率原因而退出市場；2.液壓傳動的可靠性：由于油液污染或摩擦副磨損等因素，液壓傳動比機械傳動和電氣傳動的故障幾率高，因而也限制了液壓傳動的廣泛應用；3.液壓傳動的信息化：由于液壓傳動的非線性和內部多物理場耦合的特點，難以全面信息化地提取液壓系統的故障信息，從而限制了液壓傳動技術的進一步發展。

當前柱塞泵行業的發展存在以下幾個問題：1.同質化惡性競爭，導致企業盈利能力下降，研發投入不足，創新能力不足；2.基礎研究和實際應用之間的差距，導致企業更多地轉向國外仿造產品；3.工況試驗沒有方向感，企業開發的產品與主機需求有很大差距；4.正向設計開發能力不足，行業整體處于仿造消化階段，導致產品性能水平與國外相比還有很大差距。

為適應未來液壓技術的發展趨勢，柱塞泵的發展主要有以下幾個方面：1.工作壓力和轉速提高；2.變量反應時間加快；3.變量控制電子化；4.泵的智能化和信息化。

為了取得競爭優勢，柱塞泵技術還需要在以下幾個方面進一步改進：1.發展容積泵控制技術，以提高工作效率；2.進一步提高工作壓力，以提高功率密度；3.智能化、信息化和網絡化液壓傳動。

近年來液壓行業總體發展較快，存在著一定程度的供需緊張現象，但在中美貿易戰的大背景下，如何做大做強，進一步縮小與國外先進水平的差距，加強行業配套能力，避免高端領域再受“鎖喉”之痛，是每個液壓人都應該思考的問題。

活塞泵領域的部分工作。

一直以來，我們學校在老前輩王明智老師的帶領下，堅持高性能液壓元件的研發工作，在某些領域進行了有益的探索。

jbp系列徑向柱塞泵及其相關產品的開發。

自1994年起，在王明智老師的領導下，JBP系列電液比例負載敏感控制徑向柱塞泵(見圖1)的研究與開發工作開展到以下幾個階段：

關鍵摩擦副的設計理論與方法：轉子-配流軸提出并實踐了過平衡壓力補償設計理論與方法；連桿-定子摩擦副采用準靜壓平衡設計方法；柱塞-連桿摩擦副采用接觸彈流潤滑理論設計方法，解決了高速滑動摩擦副的摩擦磨損問題；經過11000小時工業試驗，關鍵摩擦副的磨損只有3微米；

2.直接檢測式負載敏感控制技術：采用壓力直接檢測方案，實現了徑向柱塞泵的負載敏感控制，使變量泵的輸出能自動完成負載流量適應和壓力適應控制過程，獲得較好的控制精度和動態特性，達到節能的目的；

三、摩擦副材料的優化匹配設計：根據動力學分析，結合摩擦副設計理論方法，從工件工作過程的剛度、泵的效率、摩擦副的散熱、抗咬合能力等方面入手，對摩擦副材料進行綜合優化匹配，保證了泵的工作可靠性和使用壽命。

JBP系列徑向柱塞泵的研究結果。

二向高低速專用徑向柱塞泵的研制。

在王聰明老師的指導下，受企業委托，基于JBP徑向柱塞泵技術，研制開發了雙向高低速專用徑向柱塞泵。本泵要求雙向運轉，90~1000r/min的轉速范圍，20MPa的額定壓力，-50℃~70℃的環境溫度，2.8mL/r的排量，10#航空液壓油。它的技術難點在于工作溫度范圍大，工作可靠性低，總體效率要求高。本文以JBP徑向柱塞泵為基礎，結合國外產品結構特點，研制出圖2所示的徑向柱塞泵專用產品。采用雙排10柱塞結構、柱塞定子點接接方案、轉子整體梯度滲流工藝(LGM)、錐面軸承套和摩擦副創新平衡設計等技術，研制成功了該產品。性能指標達到后，其產品效率指標比國外產品提高5%，達到了預期目標。

圖2，雙向高低速徑向活塞泵。

雙回轉斜盤軸向柱塞泵。

鑒于徑向泵存在體積大、功率重量小等缺點，針對伺服節能應用，獨立開展了雙向斜盤式軸向柱塞泵的研究與開發工作。旋轉缸體柱塞泵在結構原理上存在以下缺陷：1.轉子傾覆力矩的影響：使轉子處于動不平衡狀態，存在累積公差效應，使其加工工藝比較苛刻；2.柱塞離心力的影響：柱塞轉速較高時，柱塞受離心力較大，并且此力與轉速的平方成正比，使柱塞運動的靈活性有限，工作可靠性也受到影響；3.配流吸油阻力較大：由于轉子高速旋轉，柱塞吸油阻力較大，使柱塞吸油阻力較大，對開式柱塞泵的高速運轉也產生阻礙；4.轉子組件慣量較大，使其變速控制過程中存在較大阻力矩。

旋轉式斜盤式柱塞泵結構，轉子可與殼體組合成一個整體，剛度高，不受傾覆力矩的影響，同時可避免柱塞產生離心力，使整體受力更合理。此外，由于轉子不再轉動，可以避免轉子高速轉動對吸油量的影響，所以采用斜盤式結構旋轉柱塞泵是一種比較可行的方案。

在此基礎上，結合柱塞泵技術的積累，研制出一種雙向旋轉斜盤軸向柱塞，如圖3所示。其特點是：1.配流軸與旋轉斜盤同軸驅動，整體轉動慣量較??；2.配流軸高速旋轉，對油液形成離心作用，使泵在高速旋轉過程中能更好地吸油；3.配流軸與殼體結合，使轉子剛度增加，結構更加緊湊；4.改善柱塞的受力，提高高速工作的可靠性；5.雙向結構設計，可適應電機正反向，實現雙向供油。研制生產了原理樣機，初步試驗表明，其生產工藝簡單，零部件數量少，吸油性大大提高，目前正在進行深入的開發研究工作。

圖3雙向旋轉的斜盤式軸向柱塞泵。

新的柱塞式靜液傳動技術的研究與開發。

現有的液壓傳動技術一般由四部分組成：動力元件、控制元件、執行元件和輔助元件，壓力通過流體的流動在系統內傳遞而完成，其工作可靠性、效率和成本都比較高。怎樣進一步提高液壓傳動的效率，提高功率密度，進而提高傳動性能，是當前液壓傳動技術研究的熱點和難點。在以上背景下，結合某工程應用背景的要求，根據旋轉斜盤式柱塞泵的結構原理，在深入思考和探索的基礎上，國內首次提出了新型靜液傳動原理，并進行了初步探索。

一是新型靜液耦合傳動的原理與探索。

在機械傳動方面，有過載保護、空載起動和負載沖擊保護的要求，目前使用的一般方案是液力傳動，傳統的液壓傳動也可以方便地實現上述功能，但存在系統組成復雜，成本高的缺點。

根據以上背景要求和我們對液壓泵輸入理解的分析，提出了液壓靜壓耦合傳動原理，見圖4?，F有的液壓泵，由驅動軸帶動旋轉部件輸出高壓油液，同時旋轉部件與殼體之間存在相互作用的力矩，作用于殼體的所述力矩由泵的安裝支架或套筒平衡。根據以上理解，我們在機殼上設置輸出軸并懸置，不再固定，同時在泵的出口與進口之間設置溢流閥、導管防爆閥和蓄能器，實現靜壓耦合傳動特性。動態傳遞過程中，泵體油液輸出口因負載形成一定的壓力，從而產生扭矩，從而驅動負載工作，當負載較大時，產生的壓力大于溢流閥的設定壓力時，溢流閥打開并溢流，此時泵轉子繼續旋轉，而殼體想要停止旋轉，實現超負荷保護功能；利用管道防爆閥實現空載起動，利用蓄能器實現對負載沖擊的吸收。

圖4靜壓耦合傳動的基本原理。

在此基礎上，對葉片式靜液聯軸器的原理進行了驗證。圖5是開發出的原理樣本。