对斜轴式柱塞泵的认识与实践

认识和实践斜轴式柱塞泵。

太原理工大学副教授，安高成。

当前液压技术面临的挑战及发展趋势

当前液压传动技术面临严峻的挑战，主要表现在：1.液压传动系统的传动效率：众所周知，液压传动的效率较低，在当前节能环保的压力下，液压传动因效率原因而退出市场；2.液压传动的可靠性：由于油液污染或摩擦副磨损等因素，液压传动比机械传动和电气传动的故障几率高，因而也限制了液压传动的广泛应用；3.液压传动的信息化：由于液压传动的非线性和内部多物理场耦合的特点，难以全面信息化地提取液压系统的故障信息，从而限制了液压传动技术的进一步发展。

当前柱塞泵行业的发展存在以下几个问题：1.同质化恶性竞争，导致企业盈利能力下降，研发投入不足，创新能力不足；2.基础研究和实际应用之间的差距，导致企业更多地转向国外仿造产品；3.工况试验没有方向感，企业开发的产品与主机需求有很大差距；4.正向设计开发能力不足，行业整体处于仿造消化阶段，导致产品性能水平与国外相比还有很大差距。

为适应未来液压技术的发展趋势，柱塞泵的发展主要有以下几个方面：1.工作压力和转速提高；2.变量反应时间加快；3.变量控制电子化；4.泵的智能化和信息化。

为了取得竞争优势，柱塞泵技术还需要在以下几个方面进一步改进：1.发展容积泵控制技术，以提高工作效率；2.进一步提高工作压力，以提高功率密度；3.智能化、信息化和网络化液压传动。

近年来液压行业总体发展较快，存在着一定程度的供需紧张现象，但在中美贸易战的大背景下，如何做大做强，进一步缩小与国外先进水平的差距，加强行业配套能力，避免高端领域再受“锁喉”之痛，是每个液压人都应该思考的问题。

活塞泵领域的部分工作。

一直以来，我们学校在老前辈王明智老师的带领下，坚持高性能液压元件的研发工作，在某些领域进行了有益的探索。

jbp系列径向柱塞泵及其相关产品的开发。

自1994年起，在王明智老师的领导下，JBP系列电液比例负载敏感控制径向柱塞泵(见图1)的研究与开发工作开展到以下几个阶段：

关键摩擦副的设计理论与方法：转子-配流轴提出并实践了过平衡压力补偿设计理论与方法；连杆-定子摩擦副采用准静压平衡设计方法；柱塞-连杆摩擦副采用接触弹流润滑理论设计方法，解决了高速滑动摩擦副的摩擦磨损问题；经过11000小时工业试验，关键摩擦副的磨损只有3微米；

2.直接检测式负载敏感控制技术：采用压力直接检测方案，实现了径向柱塞泵的负载敏感控制，使变量泵的输出能自动完成负载流量适应和压力适应控制过程，获得较好的控制精度和动态特性，达到节能的目的；

三、摩擦副材料的优化匹配设计：根据动力学分析，结合摩擦副设计理论方法，从工件工作过程的刚度、泵的效率、摩擦副的散热、抗咬合能力等方面入手，对摩擦副材料进行综合优化匹配，保证了泵的工作可靠性和使用寿命。

JBP系列径向柱塞泵的研究结果。

二向高低速专用径向柱塞泵的研制。

在王聪明老师的指导下，受企业委托，基于JBP径向柱塞泵技术，研制开发了双向高低速专用径向柱塞泵。本泵要求双向运转，90~1000r/min的转速范围，20MPa的额定压力，-50℃~70℃的环境温度，2.8mL/r的排量，10#航空液压油。它的技术难点在于工作温度范围大，工作可靠性低，总体效率要求高。本文以JBP径向柱塞泵为基础，结合国外产品结构特点，研制出图2所示的径向柱塞泵专用产品。采用双排10柱塞结构、柱塞定子点接接方案、转子整体梯度渗流工艺(LGM)、锥面轴承套和摩擦副创新平衡设计等技术，研制成功了该产品。性能指标达到后，其产品效率指标比国外产品提高5%，达到了预期目标。

图2，双向高低速径向活塞泵。

双回转斜盘轴向柱塞泵。

鉴于径向泵存在体积大、功率重量小等缺点，针对伺服节能应用，独立开展了双向斜盘式轴向柱塞泵的研究与开发工作。旋转缸体柱塞泵在结构原理上存在以下缺陷：1.转子倾覆力矩的影响：使转子处于动不平衡状态，存在累积公差效应，使其加工工艺比较苛刻；2.柱塞离心力的影响：柱塞转速较高时，柱塞受离心力较大，并且此力与转速的平方成正比，使柱塞运动的灵活性有限，工作可靠性也受到影响；3.配流吸油阻力较大：由于转子高速旋转，柱塞吸油阻力较大，使柱塞吸油阻力较大，对开式柱塞泵的高速运转也产生阻碍；4.转子组件惯量较大，使其变速控制过程中存在较大阻力矩。

旋转式斜盘式柱塞泵结构，转子可与壳体组合成一个整体，刚度高，不受倾覆力矩的影响，同时可避免柱塞产生离心力，使整体受力更合理。此外，由于转子不再转动，可以避免转子高速转动对吸油量的影响，所以采用斜盘式结构旋转柱塞泵是一种比较可行的方案。

在此基础上，结合柱塞泵技术的积累，研制出一种双向旋转斜盘轴向柱塞，如图3所示。其特点是：1.配流轴与旋转斜盘同轴驱动，整体转动惯量较小；2.配流轴高速旋转，对油液形成离心作用，使泵在高速旋转过程中能更好地吸油；3.配流轴与壳体结合，使转子刚度增加，结构更加紧凑；4.改善柱塞的受力，提高高速工作的可靠性；5.双向结构设计，可适应电机正反向，实现双向供油。研制生产了原理样机，初步试验表明，其生产工艺简单，零部件数量少，吸油性大大提高，目前正在进行深入的开发研究工作。

图3双向旋转的斜盘式轴向柱塞泵。

新的柱塞式静液传动技术的研究与开发。

现有的液压传动技术一般由四部分组成：动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件，压力通过流体的流动在系统内传递而完成，其工作可靠性、效率和成本都比较高。怎样进一步提高液压传动的效率，提高功率密度，进而提高传动性能，是当前液压传动技术研究的热点和难点。在以上背景下，结合某工程应用背景的要求，根据旋转斜盘式柱塞泵的结构原理，在深入思考和探索的基础上，国内首次提出了新型静液传动原理，并进行了初步探索。

一是新型静液耦合传动的原理与探索。

在机械传动方面，有过载保护、空载起动和负载冲击保护的要求，目前使用的一般方案是液力传动，传统的液压传动也可以方便地实现上述功能，但存在系统组成复杂，成本高的缺点。

根据以上背景要求和我们对液压泵输入理解的分析，提出了液压静压耦合传动原理，见图4。现有的液压泵，由驱动轴带动旋转部件输出高压油液，同时旋转部件与壳体之间存在相互作用的力矩，作用于壳体的所述力矩由泵的安装支架或套筒平衡。根据以上理解，我们在机壳上设置输出轴并悬置，不再固定，同时在泵的出口与进口之间设置溢流阀、导管防爆阀和蓄能器，实现静压耦合传动特性。动态传递过程中，泵体油液输出口因负载形成一定的压力，从而产生扭矩，从而驱动负载工作，当负载较大时，产生的压力大于溢流阀的设定压力时，溢流阀打开并溢流，此时泵转子继续旋转，而壳体想要停止旋转，实现超负荷保护功能；利用管道防爆阀实现空载起动，利用蓄能器实现对负载冲击的吸收。

图4静压耦合传动的基本原理。

在此基础上，对叶片式静液联轴器的原理进行了验证。图5是开发出的原理样本。