認識和實踐斜軸式柱塞泵。

太原理(li)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(dang)前(qian)液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)技術面(mian)臨嚴峻的(de)挑(tiao)戰，主要表(biao)現(xian)在：1.液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)系(xi)統的(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)效率：眾所周(zhou)知(zhi)，液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)效率較低，在當(dang)前(qian)節能環(huan)保(bao)的(de)壓(ya)力(li)下，液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)因(yin)效率原因(yin)而退出市(shi)場；2.液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)可靠性：由(you)于油液(ye)(ye)污(wu)染或(huo)摩擦副磨(mo)損(sun)等因(yin)素，液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)比機(ji)械傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)和電氣傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)故障幾率高，因(yin)而也限制了(le)液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)廣泛(fan)應用；3.液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)信(xin)息化：由(you)于液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)的(de)非線性和內部多物理場耦合的(de)特點，難以(yi)全面(mian)信(xin)息化地(di)提取液(ye)(ye)壓(ya)系(xi)統的(de)故障信(xin)息，從而限制了(le)液(ye)(ye)壓(ya)傳(chuan)(chuan)(chuan)動(dong)(dong)技術的(de)進一步(bu)發展。

當前柱塞泵行(xing)(xing)業(ye)(ye)(ye)的(de)發(fa)展(zhan)存在以下幾個問題(ti)：1.同質化惡(e)性(xing)競爭(zheng)，導(dao)(dao)(dao)致企(qi)業(ye)(ye)(ye)盈利(li)能(neng)力(li)下降，研發(fa)投(tou)入(ru)不(bu)足，創新能(neng)力(li)不(bu)足；2.基礎(chu)研究和實際應用之間的(de)差(cha)距(ju)，導(dao)(dao)(dao)致企(qi)業(ye)(ye)(ye)更多地轉(zhuan)向國外仿造產(chan)品；3.工況試驗沒有方(fang)向感，企(qi)業(ye)(ye)(ye)開(kai)發(fa)的(de)產(chan)品與(yu)主機需求有很(hen)大(da)差(cha)距(ju)；4.正(zheng)向設計(ji)開(kai)發(fa)能(neng)力(li)不(bu)足，行(xing)(xing)業(ye)(ye)(ye)整體(ti)處于(yu)仿造消化階段，導(dao)(dao)(dao)致產(chan)品性(xing)能(neng)水平與(yu)國外相比還有很(hen)大(da)差(cha)距(ju)。

為適應未來液(ye)壓技術的發(fa)展趨勢，柱塞泵的發(fa)展主要有以下幾個(ge)方(fang)面(mian)：1.工作壓力和(he)轉速(su)提高；2.變量(liang)反應時(shi)間(jian)加快；3.變量(liang)控制電子化；4.泵的智(zhi)能化和(he)信(xin)息化。

為了取(qu)得競爭優勢，柱塞(sai)泵(beng)技術還(huan)需要在(zai)以下幾個方面進一(yi)(yi)步改(gai)進：1.發展(zhan)容積泵(beng)控制技術，以提(ti)高(gao)工作效(xiao)率(lv)；2.進一(yi)(yi)步提(ti)高(gao)工作壓力(li)，以提(ti)高(gao)功率(lv)密度；3.智能化、信(xin)息化和網絡化液壓傳(chuan)動。

近年來(lai)液(ye)壓行業(ye)總體(ti)發展較快，存在著一定程度的供需緊張現象，但在中美貿(mao)易戰的大背景下，如何(he)做(zuo)大做(zuo)強，進(jin)一步縮(suo)小與國外先進(jin)水(shui)平的差(cha)距，加強行業(ye)配套能力，避(bi)免(mian)高端領域再受“鎖(suo)喉”之痛，是每個液(ye)壓人都應該思考的問題(ti)。

活塞泵(beng)領域的部分工作。

一(yi)直以(yi)來，我們學校在老前輩(bei)王明(ming)智老師的帶(dai)領下，堅持高性能液(ye)壓元件的研發工作，在某些領域進行了(le)有益的探索。

jbp系列徑向柱塞泵及其(qi)相關產品的開發。

自1994年起，在王(wang)明智老(lao)師(shi)的(de)領導下，JBP系列電液比例負載(zai)敏感控制(zhi)徑向柱塞泵(見圖1)的(de)研究與開(kai)發工作開(kai)展到以下幾個階段：

關鍵摩(mo)擦(ca)副(fu)的(de)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)(li)論(lun)與方法(fa)：轉子-配流(liu)軸提出(chu)并(bing)實踐了(le)過平(ping)衡壓力補償設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)(li)論(lun)與方法(fa)；連(lian)桿(gan)(gan)-定子摩(mo)擦(ca)副(fu)采(cai)用(yong)準靜壓平(ping)衡設(she)(she)計(ji)(ji)方法(fa)；柱塞-連(lian)桿(gan)(gan)摩(mo)擦(ca)副(fu)采(cai)用(yong)接(jie)觸彈流(liu)潤滑(hua)理(li)(li)論(lun)設(she)(she)計(ji)(ji)方法(fa)，解決了(le)高速滑(hua)動摩(mo)擦(ca)副(fu)的(de)摩(mo)擦(ca)磨(mo)損問題；經過11000小時(shi)工業(ye)試驗，關鍵摩(mo)擦(ca)副(fu)的(de)磨(mo)損只有3微米；

2.直接檢測式負載(zai)敏(min)感控制技術：采用壓力(li)直接檢測方案，實現了徑向柱塞泵的(de)負載(zai)敏(min)感控制，使變量(liang)泵的(de)輸出能自(zi)動完成負載(zai)流量(liang)適應和(he)壓力(li)適應控制過程，獲得較(jiao)好的(de)控制精度和(he)動態特(te)性(xing)，達(da)到節能的(de)目的(de)；

三、摩(mo)擦(ca)副材料的(de)優化匹配設(she)計(ji)：根據(ju)動力(li)學分析，結合(he)(he)摩(mo)擦(ca)副設(she)計(ji)理(li)論方法，從(cong)工(gong)(gong)件(jian)工(gong)(gong)作過(guo)程的(de)剛度、泵的(de)效率、摩(mo)擦(ca)副的(de)散熱、抗咬合(he)(he)能(neng)力(li)等(deng)方面入手，對(dui)摩(mo)擦(ca)副材料進行綜(zong)合(he)(he)優化匹配，保(bao)證了泵的(de)工(gong)(gong)作可靠性(xing)和使用壽命(ming)。

JBP系列(lie)徑向柱塞(sai)泵的(de)研究結果。

二向高低(di)速專用徑向柱(zhu)塞泵(beng)的研制。

在王聰明老師的(de)指導下，受企業委托，基于(yu)JBP徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)柱(zhu)塞(sai)泵(beng)(beng)技術(shu)，研制開發了雙向(xiang)(xiang)(xiang)高低速(su)專用(yong)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)柱(zhu)塞(sai)泵(beng)(beng)。本(ben)泵(beng)(beng)要(yao)求雙向(xiang)(xiang)(xiang)運轉(zhuan)(zhuan)，90~1000r/min的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)范圍，20MPa的(de)額定壓力，-50℃~70℃的(de)環境溫度(du)(du)，2.8mL/r的(de)排量(liang)，10#航空(kong)液(ye)壓油。它(ta)的(de)技術(shu)難點在于(yu)工(gong)作溫度(du)(du)范圍大，工(gong)作可靠性低，總體效(xiao)(xiao)率要(yao)求高。本(ben)文以JBP徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)柱(zhu)塞(sai)泵(beng)(beng)為(wei)基礎，結合國外產(chan)品(pin)結構(gou)特點，研制出圖(tu)2所(suo)示的(de)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)柱(zhu)塞(sai)泵(beng)(beng)專用(yong)產(chan)品(pin)。采用(yong)雙排10柱(zhu)塞(sai)結構(gou)、柱(zhu)塞(sai)定子(zi)點接(jie)接(jie)方案、轉(zhuan)(zhuan)子(zi)整(zheng)體梯度(du)(du)滲流工(gong)藝(yi)(LGM)、錐面(mian)軸承套和摩擦(ca)副(fu)創新平衡設計等技術(shu)，研制成功了該產(chan)品(pin)。性能指標達(da)到后，其產(chan)品(pin)效(xiao)(xiao)率指標比國外產(chan)品(pin)提高5%，達(da)到了預期(qi)目標。

圖2，雙(shuang)向高低速徑向活塞泵。

雙(shuang)回轉(zhuan)斜盤(pan)軸向柱塞泵。

鑒于(yu)徑向(xiang)(xiang)泵(beng)存(cun)在(zai)體積(ji)大(da)(da)(da)、功(gong)率重量(liang)小等缺點，針對伺服節能(neng)應用，獨立(li)開(kai)(kai)展了雙向(xiang)(xiang)斜盤式(shi)軸向(xiang)(xiang)柱(zhu)塞泵(beng)的(de)研究(jiu)與(yu)開(kai)(kai)發(fa)工(gong)作(zuo)。旋轉(zhuan)缸體柱(zhu)塞泵(beng)在(zai)結(jie)構原(yuan)理上(shang)存(cun)在(zai)以下缺陷：1.轉(zhuan)子傾覆力矩的(de)影響：使(shi)(shi)轉(zhuan)子處于(yu)動(dong)不平衡狀(zhuang)態(tai)，存(cun)在(zai)累(lei)積(ji)公差(cha)效應，使(shi)(shi)其(qi)加工(gong)工(gong)藝比(bi)較(jiao)苛刻(ke)；2.柱(zhu)塞離心力的(de)影響：柱(zhu)塞轉(zhuan)速較(jiao)高(gao)時(shi)，柱(zhu)塞受離心力較(jiao)大(da)(da)(da)，并且此力與(yu)轉(zhuan)速的(de)平方(fang)成正比(bi)，使(shi)(shi)柱(zhu)塞運(yun)動(dong)的(de)靈活性(xing)有限(xian)，工(gong)作(zuo)可(ke)靠性(xing)也受到影響；3.配流吸(xi)油(you)阻力較(jiao)大(da)(da)(da)：由(you)于(yu)轉(zhuan)子高(gao)速旋轉(zhuan)，柱(zhu)塞吸(xi)油(you)阻力較(jiao)大(da)(da)(da)，使(shi)(shi)柱(zhu)塞吸(xi)油(you)阻力較(jiao)大(da)(da)(da)，對開(kai)(kai)式(shi)柱(zhu)塞泵(beng)的(de)高(gao)速運(yun)轉(zhuan)也產生阻礙(ai)；4.轉(zhuan)子組件慣量(liang)較(jiao)大(da)(da)(da)，使(shi)(shi)其(qi)變速控(kong)制過程中存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)(da)(da)阻力矩。

旋轉式斜(xie)盤式柱(zhu)(zhu)塞泵(beng)(beng)結構(gou)，轉子可(ke)(ke)(ke)與殼體(ti)組合成一(yi)個整體(ti)，剛度高，不(bu)受傾覆(fu)力矩的影響，同時可(ke)(ke)(ke)避(bi)免(mian)柱(zhu)(zhu)塞產生離心(xin)力，使(shi)整體(ti)受力更合理。此外，由于轉子不(bu)再轉動，可(ke)(ke)(ke)以(yi)避(bi)免(mian)轉子高速轉動對(dui)吸油(you)量的影響，所以(yi)采用(yong)斜(xie)盤式結構(gou)旋轉柱(zhu)(zhu)塞泵(beng)(beng)是一(yi)種(zhong)比較可(ke)(ke)(ke)行的方案。

在(zai)此基礎上，結(jie)(jie)(jie)合柱塞泵技術的(de)積(ji)累(lei)，研制(zhi)出(chu)一(yi)種雙向(xiang)(xiang)(xiang)旋(xuan)轉斜盤(pan)軸向(xiang)(xiang)(xiang)柱塞，如圖(tu)3所示(shi)。其特點是：1.配流軸與(yu)旋(xuan)轉斜盤(pan)同(tong)軸驅動(dong)，整(zheng)體轉動(dong)慣量(liang)較小；2.配流軸高(gao)(gao)(gao)速旋(xuan)轉，對油液(ye)形成(cheng)離心作(zuo)用，使(shi)泵在(zai)高(gao)(gao)(gao)速旋(xuan)轉過程中能更(geng)好地吸油；3.配流軸與(yu)殼體結(jie)(jie)(jie)合，使(shi)轉子(zi)剛度增加(jia)，結(jie)(jie)(jie)構更(geng)加(jia)緊湊；4.改善柱塞的(de)受力(li)，提高(gao)(gao)(gao)高(gao)(gao)(gao)速工(gong)(gong)作(zuo)的(de)可(ke)靠性(xing)；5.雙向(xiang)(xiang)(xiang)結(jie)(jie)(jie)構設計，可(ke)適應電機(ji)正反(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)，實現雙向(xiang)(xiang)(xiang)供油。研制(zhi)生產了原理樣機(ji)，初步試驗(yan)表明，其生產工(gong)(gong)藝簡單，零部(bu)件數(shu)量(liang)少，吸油性(xing)大大提高(gao)(gao)(gao)，目前正在(zai)進行深(shen)入的(de)開發(fa)研究工(gong)(gong)作(zuo)。

圖3雙向旋轉(zhuan)的斜盤式軸向柱(zhu)塞泵。

新的柱塞式(shi)靜液傳動技(ji)術的研究與開(kai)發。

現有的液壓(ya)傳動(dong)技術一般由(you)四部分組成(cheng)：動(dong)力(li)(li)元件(jian)、控制(zhi)元件(jian)、執行元件(jian)和輔助元件(jian)，壓(ya)力(li)(li)通過流(liu)體(ti)的流(liu)動(dong)在系統內(nei)傳遞(di)而(er)完成(cheng)，其工(gong)作(zuo)可靠性(xing)、效率和成(cheng)本都比較(jiao)高(gao)。怎(zen)樣進一步(bu)提(ti)高(gao)液壓(ya)傳動(dong)的效率，提(ti)高(gao)功率密(mi)度，進而(er)提(ti)高(gao)傳動(dong)性(xing)能(neng)，是當(dang)前(qian)液壓(ya)傳動(dong)技術研究(jiu)的熱點和難點。在以上背景(jing)下，結合(he)某工(gong)程應用背景(jing)的要求，根據旋(xuan)轉斜盤(pan)式柱塞泵的結構原理(li)，在深入(ru)思考和探索(suo)的基(ji)礎上，國(guo)內(nei)首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了新型(xing)靜液傳動(dong)原理(li)，并進行了初步(bu)探索(suo)。

一是新型(xing)靜(jing)液耦(ou)合傳動的原理(li)與探索。

在(zai)機械傳動方(fang)(fang)面(mian)，有過(guo)載(zai)保護(hu)、空(kong)載(zai)起動和負載(zai)沖擊(ji)保護(hu)的(de)要(yao)求(qiu)，目前使用的(de)一般方(fang)(fang)案是液(ye)力(li)傳動，傳統的(de)液(ye)壓傳動也可以方(fang)(fang)便地實現上述(shu)功(gong)能，但存在(zai)系統組成(cheng)復雜，成(cheng)本高的(de)缺點。

根據以上(shang)背(bei)景(jing)要(yao)求和我(wo)們對液壓泵(beng)(beng)輸(shu)(shu)入理解的(de)(de)分析，提(ti)出了(le)液壓靜壓耦(ou)合(he)傳(chuan)動(dong)原理，見圖4。現(xian)有的(de)(de)液壓泵(beng)(beng)，由驅動(dong)軸(zhou)帶動(dong)旋轉(zhuan)(zhuan)部件輸(shu)(shu)出高壓油(you)液，同(tong)時旋轉(zhuan)(zhuan)部件與殼(ke)(ke)體之間存(cun)在相互作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)力(li)(li)矩，作(zuo)(zuo)用(yong)于殼(ke)(ke)體的(de)(de)所述(shu)力(li)(li)矩由泵(beng)(beng)的(de)(de)安裝支架或套筒平衡。根據以上(shang)理解，我(wo)們在機殼(ke)(ke)上(shang)設置輸(shu)(shu)出軸(zhou)并(bing)(bing)懸置，不再固定，同(tong)時在泵(beng)(beng)的(de)(de)出口與進(jin)口之間設置溢(yi)(yi)流閥、導(dao)管(guan)防(fang)爆閥和蓄能(neng)器(qi)，實(shi)現(xian)靜壓耦(ou)合(he)傳(chuan)動(dong)特性。動(dong)態(tai)傳(chuan)遞過程中，泵(beng)(beng)體油(you)液輸(shu)(shu)出口因(yin)負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)形(xing)成一定的(de)(de)壓力(li)(li)，從而產生(sheng)扭(niu)矩，從而驅動(dong)負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)工作(zuo)(zuo)，當負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)較大時，產生(sheng)的(de)(de)壓力(li)(li)大于溢(yi)(yi)流閥的(de)(de)設定壓力(li)(li)時，溢(yi)(yi)流閥打開并(bing)(bing)溢(yi)(yi)流，此時泵(beng)(beng)轉(zhuan)(zhuan)子繼(ji)續旋轉(zhuan)(zhuan)，而殼(ke)(ke)體想要(yao)停止旋轉(zhuan)(zhuan)，實(shi)現(xian)超負(fu)(fu)荷保護功(gong)能(neng)；利(li)用(yong)管(guan)道(dao)防(fang)爆閥實(shi)現(xian)空載(zai)(zai)(zai)起動(dong)，利(li)用(yong)蓄能(neng)器(qi)實(shi)現(xian)對負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)沖擊的(de)(de)吸收。

圖4靜壓耦合傳動的基(ji)本原(yuan)理。

在(zai)此基礎上(shang)，對葉片式靜液聯軸器的原理進行了(le)驗(yan)證。圖5是開(kai)發出(chu)的原理樣本。