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恒功率恒压泵变量特性及应用研究 程晓东( 机械电子工程) 指导教师：张作龙教授 摘要 随着能源危机的日益临近，节能型产品越来越受到人们的重视。 作为液压系统的动力源，节能型液压泵的研制开发也空前繁荣。本课 题研究的恒功率恒压变量泵正是在这样的背景下应运而生的。本课题 针对国内外研发的这种新型泵，从理论、实验及应用三个方面对泵的 各种特性进行了分析研究。第一部分，通过理论分析获得泵的静态特 性曲线，利用数学建模得出泵动态特性的传递函数，利用m a t l a b 软件 获取泵的动态特性曲线，从理论上分析了泵工作的可行性和稳定性。 第二部分，通过实验对泵的各项性能进行实验研究，包括静态特性、 动态特性及效率特性等，获取泵性能的实验曲线，并对控制阀参数进 行优化，达到了优化泵整体性能的目的。第三部分，将这种新型泵应 用到了生产实践中，构建了这种节能泵的液压系统，并将新系统与原 系统进行比较分析，得出了新型节能泵控系统的优越性。本课题通过 上面三个方面，全面地对这一新型泵的性能进行了分析研究。 关键词：恒功率恒压泵，节能，静动态特性，数学建模，实验研究 t h er e s e a r c ho fp r o p e r t ya n da p p l i c a t i o no v e rt h e p u m p u n d e rc o n s t a n tp o w e ra n dc o n s t a n tp r e s s u r e c h e n g x i a o - d o n g ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g z u o - l o n g a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d d e c r e a s eo fr e s o u r c e , t h eh i g h e f f i c i e n c y a n d e n e r g y - s a v i n gp r o d u c th a sb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h ec o n s t a n t p o w e ra n dc o n s t a n tp r e s s u r ep u m ph a sj u s tb e e nd e v e l o p e du n d e rt h i s b a c k g r o u n d t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss t u d y i n gt h ep r o p e r t yo f t h ep u m pa n dp u tf o r w a r dad o a b l es c h e m ef o rt h ep o s s i b l ep r o b l e m t h e w h o l ed i s s e r t a t i o nw i l tb ec o m p o s e do ft h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp l a c e , a c c o r d i n gt ot h ea c a d e m i ca n a l y s i s , w ec a ng e tt h es t a t i cr e s p o n s ec u r v e ； f o rt h ed y n a m i cp r o p e r t y , w ec a nf i r s t l yc a l c u l a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e l o ft h es y s t e m , a n dt h e no b t a i nt h ed y n a m i cr e s p o n s ec u r v eb yu s i n gt h e s i m u l a t i n gs o f l w a r e - - m a t l a b a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs t a t i ca n d d y n a m i cc u r v e , i tc a nb es u r et h a tt h es t a b i l i t yo f t h ep u m p i sa s c e n d a n t i n t h es e c o n dp l a c e ，b yu s i n ga d v a n c e de x p e r i m e n t a t i o na n da p p a r a t u s , w e 啪m a k ea ne x p e r i m e n to nt h ed i v e r s i f i e dp r o p e r t yo ft h ep u m p 。 a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t ，w ec a ng e tag r e a td e a lo fd a t a , a n dt h e no b t a i n t h ee x p e r i m e n tc m v e w i t ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n tc u r v ea n d s i m u l a t i n gc u r v e , w ec a nt e s t i f yf a t h e r l yt h a tt h ep u m pi ss t e a d ya n d a s c e n d a n t w h e nw em a k et h ee x p e r i m e n t , w ea l s oc h o o s ed i f f e r e n t p a r a m e t e ro ft h ep u m pi no r d e rt om a k es u r et h a tt h ep u m pc a ! lh a v ea b e t t e rp r o p e r t y i nt h et h i r dp l a c e , a f t e rt h ea c a d e m i ca n de x p e r i m e n t i n v e s t i g a t i o n , w ea p p l yt h en e w s t y l e p u m pt o t h ep r a c t i c e i n m y d i s s e r t a t i o n , id e s i g n e dan e wh y d r a u l i cs y s t e mb yu s i n gt h i sn e w - s t y l e p u m p ，a n dt h e nc o m p a r e dw i t ht h ec u s t o m a r yh y d r a u l i cs y s t e m , a n a l y z e d t h ea d v a n t a g eo ft h e n e w - s t y l ep u m ps y s t e m e s p e c i a l l y i nt h e e n e r g y s a v i n gp a r t i nc o n c l u s i o n , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ft h i s d i s s e r t a t i o n , w ec a nh a v ea l l a r o u n du n d e r s t a n d a b i l i t yt ot h i sn e w - s t y l e p u m pe s p e c i a l l yi nt h eh i g he f f i c i e n c ya n de n e r g y - s a v i n gp a r t k e y w o r d s ：c o n s t a n tp o w e ra n dc o n s t a n tp r e s s u r ep u m p ，e n e r g y - s a v i n g s t a t i ca n dd y n a m i c p r o p e r t y , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：整选鱼二 舻7 年j 月汐日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即； 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：遂垫查二堋年j 月汐日 导师躲诤趟啦叩年广月印日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 引言 第1 章前言 随着工业技术的不断发展，液压技术越来越广泛的应用于国民生 产的各个行业。尤其是2 0 世纪6 0 年代以后，随着原子能、空间技术、 计算机技术的发展，液压技术也得到了很大发展，液压系统在某些领 域内甚至已占有绝对优势，例如，国外目前生产的9 5 的工程机械、 9 0 的数控加工中心、9 5 以上的自动线都采用了液压技术。因此采 用液压技术的程度现己成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志之 一。 目前液压工业已成为全球性的工业，从上个世纪6 0 年代以来，我 国液压技术在各个工业领域内都得到了广泛的应用。而近2 0 年来，随 着现代电子技术的飞速发展，液压传动技术在各个工业领域都面临着 电气传动技术的强劲挑战，如在大功率范围内，电牵引采煤机已经全 面取代液压牵引采煤机。在严峻的挑战面前，液压技术己经开始了新 一轮的技术发展。总结概括国外液压行业著名公司的发展方向，当前 液压技术新的前沿性研究方向主要为以下几个方面【1 1 ： ( 1 ) 采用电子技术直接控制，实现智能化和自动化。 德国v o i t h 公司早在1 9 9 6 年就推出了变频液压比例调速泵组，把 变频器三相异步电机和低噪声内啮合齿轮泵及编码器组合成一体。泵 组可直接接收电子指令信号实现开环或闭环控制。美国罗克维尔公司 在9 0 年代研制成功的液粘调速传动装置，通过电液比例压力阀控制摩 擦片间的液体粘度，从而控制风机或带式输送机驱动滚筒。它的液压 调速装置可直接接收电子指令信号，实现开环及闭环控制。德国 b o s c h 公司最新研制的比例伺服阀，既具有伺服阀的高控制精度和高 频响应，又具有比例阀的耐污染性。比例放大器包括模拟放大器和数 字放大器，接口考虑了总线连接，并带有阀芯位置反馈闭环，其流量 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 输出稳态调节特性无中位死区，可直接接收计算机指令信号，实施开 环和闭环控制。这种阀可以用在矿井多绳提升机的液压制动电控系统 中，实现恒减速制动。 ( 2 ) 节省能耗，提高液压元件的效率。 a 4 v 型变量柱塞泵是德国力士乐公司8 0 年代推出的产品。该公司 最近推出了a 4 v s o - - d s i z 次调节单元，采用内置伺服控制阀，转速 增量编码器和斜盘角传感器，该泵的特点是不带节流系统，因此控制 性能好、响应快、效率高、节能效果明显。瑞典黑格隆公司f 1 9 0 年代 以来，研制出多种内曲线径向柱塞式端面配流轴转和壳转马达，端面 配流与轴配流相比较，降低了泄漏，减小了磨损，提高了机械效率和 容积效率。 ( 3 ) 树立绿色设计理念，降低各种形式的环境污染。 在采用液压传动的机械设备中，液压系统的环境性指标主要存在 以下两个问题：一是消耗一次性能源石油；二是有噪音污染和漏油污 染。因此很多学者和公司都致力于研制低噪声液压元件以纯水系 统为代表的生态液压系统以及无振动的零泄漏系统。德国v o i t h 公 司研制的直齿共轭内啮合齿轮泵，采用特殊齿形，使噪声降到6 0 d b ( a ) 以下。力士乐公司新研制的a 1 0 v s o l _ _ d f e e 变量控制泵也比普通的 a 1 0 v 泵大大降低了噪声。各种应用纯水介质的液压元件都在加紧研 制之中，英国h u l l 大学的c a b r o o k e s 教授在1 9 9 6 年研发出基于 整体陶瓷柱塞、斜盘、配流盘及缸体的陶瓷轴向柱塞泵。力士乐下属 公司h y d r a u d y n e 液压缸厂生产了一种新型的专利产品活塞杆带 陶瓷涂层的液压缸，这种液压缸具有良好的耐腐蚀和耐磨损性能。德 国m a r k e l 和h u n g e r 公司以及美国的p a r k e r 公司都研制出了成系列的 耐水密封元件。 综上所述不难看出，整个液压技术的发展趋势正朝着高精度、大 功率、节能、环保的方向发展，并在各个方面都已取得很大的成效， 这些都为液压技术在各工业领域的进一步推广奠定了坚实的基础。 作为液压系统的动力源液压泵的性能好坏将直接影响到整个 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 液压系统的性能。随着对液压系统越来越高的要求，对液压泵性能的 要求也越来越高。特别是2 0 世纪7 0 年代初，世界上发生第一次石油 危机以来，人们更加迫切的寻找大功率、低噪声、自吸性能好、节能、 省料、使用更可靠的动力源。随之而来，一场关于液压泵的革命在世 界范围内广泛展开。本论文将针对一种新型的轴向柱塞泵恒功率 恒压轴向柱塞泵进行系统研究，通过实验获取其静、动态特性曲线； 同时解决恒功率阀、恒压阀并存可能产生的相互干扰，并对这种新型 变量泵的能耗进行研究。 1 2 国内外柱塞泵的发展状况 1 2 1 国内柱塞泵的发展状况 我国目前大量使用的是c y l 4 1 b 轴向泵，2 0 0 3 年全国的总产量 达到了1 5 2 0 万台。c y 型轴向柱塞泵是我国自行开发的液压元件， 目前全国的年产量达7 万台左右，设备上的保有量达4 0 万台以上，是 我国开式油路液压系统使用的主要柱塞泵产品，被广泛应用于各行各 业。这类泵的最大特点是采用大轴承支承缸体，具有压力高、工艺性 好、成本低、维修方便等优点，比较适合国情，因此，它成为当今我 国应用最广的开式油路轴向柱塞泵。 c y 型轴向柱塞泵之所以几十年来经久不衰，关键在于能够针对 它在生产和使用中出现的问题不断地进行改进。3 0 多年来，该系列泵 进行过四次大的改进，并且开发了恒压变量泵、电液比例变量泵和油 泵电机组等代表当代国际发展趋势的新品种【2 1 。 c y 型轴向柱塞泵虽然比较成熟，但它仍然存在一些问题： ( 1 ) 在转速_ 1 5 0 0 r m i n 时使用，自吸能力有待提高； ( 3 ) 部分生产厂家的滑靴包球质量不好，因此在使用过程中脱靴现象 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 较多，这是影响该泵使用寿命的主要因素。当然，由于液压系统污染 控制不好，也是产生脱靴的重要因素； ( 4 ) 由于结构上的困难，一直没有在c y 泵的基础上开发通轴泵； ( 5 ) 在某些条件下，体积和重量偏大。 下面以p c y 型恒压变量泵为例，说明我国变量泵的发展过程。多 年来，p c y 恒压变量泵得到不断的改进和发展，现概略介绍如下【3 】： 1 、第一代p c y l 4 1 b 恒压变量泵 第一代p c y l 4 一l b 恒压变量泵设计有1 0 、2 5 、6 3 、1 6 0 、2 5 0m i f f r 五种规格，但实际投放市场的只有2 5 m l r 和6 3 m l r 两种规格。具有如 下结构特点： ( 1 ) 变量活塞倒装，小头在上面，大头在下面。上腔常通高压，内装 定位弹簧，以保证恒压阀不工作时，泵的排量最大，变量活塞下腔处 于常卸荷状态。 ( 2 ) 恒压阀装在变量机构下法兰内部。 ( 3 ) 恒压阀阀芯直径为8 m m ，在阀芯外面装有阀套。 ( 4 ) 为保证泵恒压变量时变量特性的稳定性，在变量活塞下腔装有一 个常泄漏的阻尼器。 主要缺点： ( 1 ) 恒压阀装在下法兰内部，通用性较差，特别对于小排量( 例如 1 0 p c y 泵) ，下法兰内无法安装恒压阀。此外，恒压阀调试也不方便。 ( 2 ) 恒压阀制造工艺较复杂，制造成本较高，泵价格较贵。 c 3 ) 由于有常泄口，故能量损失大，特别是在保压系统中，系统容易 发热。 ( 4 ) 恒压阀阀芯直径大，当泵变量时，容易引起恒压特性不稳定，引 发系统振荡。 2 、第二代p c y l 4 一l b 型恒压变量泵 第二代恒压变量泵克服了第一代恒压变量泵的缺点，但由于泵的 安装联接尺寸未变，故泵的型号未变。 结构特点： 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 1 ) 变量活塞大头在上，小头在下，上、下腔同时通高压，上腔内装 有定位弹簧，以保证恒压阀不工作时，泵的排量最大。 ( 2 ) 恒压阀为独立部件，安装在上法兰上面。 ( 3 ) 恒压阀芯直径为q b 6 m m ，与国外泵的恒压阀阀芯直径一样。 ( 4 ) 当恒压阀开启时，变量活塞上腔放油，变量活塞向上运动，泵的 排量减小，实现恒压变量。 存在问题： ( 1 ) 泵变量机构和恒压阀内一些阻尼设计存在缺陷，恒压特性容易产 生不稳定，特别是泵在小排量保压时容易引发振荡。 ( 2 ) 缺少远程调压和其他变型品种。 3 、第三代恒压变量泵( q + + p c y l 4 1 b k ) 第三代恒压变量泵是改型泵。在原p c y l 4 - - 1 b 泵型号前加一个 “q ，表示轻重量、轻噪声；最后“b ”改为“b k ，表示仅用于开式油路。 结构特点如下： ( 1 ) 泵主体的结构有重大改进，排量规格有l o 、1 6 、2 5 、3 2 、4 0 、 6 3 、8 0 、1 0 0 、1 2 5 、1 6 0l n l r ，主要优点是噪声低，转速高、自吸能 力好、可靠性高、重量比前两代泵轻2 0 以上。 ( 2 ) 变量活塞的布置与第二代恒压变量泵相同，但恒压阀旋转1 8 0 0 安装。 ( 3 ) 第三代恒压变量泵比前两代泵有重大改进。其基本功能类似于溢 流阀，即将恒压阀作为先导阀来控制变量活塞( 相当于溢流阀的主阀) 的运动，节流器使变量活塞上下腔形成压力差，并向上腔补油。恒压 阀始终由泵的出口压力单独控制，只与泵的负载有关，不受其他干扰。 因此该泵的恒压特性稳定，不会产生系统振荡。 1 2 2 国外柱塞泵研究现状 l 、弯轴泵研究现状 目前世界上生产弯轴泵的公司主要有三家：德国力士乐 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 ( r e x r o t h ) 、林德( l i n d e ) 和瑞典v o a c 公司。 ( 1 ) 定量泵 力士乐公司生产的定量泵和马达规格品种最多，有三种结构。a 2 f ( 2 4 ) 结构的排量为1 0 1 8 0 m l r ，a 2 f ( 5 ) 结构的排量为2 0 0 2 0 0 0 m l r ，这两种结构的最高压力都是3 5 m p a ，弯轴2 5 。；a 2 f ( 6 1 ) 结构将连杆和柱塞合二为一，做成锥形连杆活塞，活塞和缸孔之间采 用活塞环密封，并用两个重型圆锥滚子轴承承受径向和轴向推力，弯 轴角为4 0 0 ，最高压力达4 0 m p a 。因此，在同样的尺寸和重量下，a 2 f ( 6 1 ) 结构具有更大的排量和功率，马达有更大的起动和输出扭矩。除 力士乐公司外，瑞典v o a c 公司也生产弯轴角4 0 。的泵和马达，在结 构上，靠斜齿轮驱动缸体，排量为5 2 5 0 m l r ，最高压力为4 2 m p a 。 根据开发先后，可以认为力士乐a 2 f 结构是v o a c 结构的改进型。1 4 1 ( 2 ) 变量泵 目前只有力士乐公司生产变量弯轴泵，主要品种有a 7 v 系列，排 量为2 0 1 0 0 0m l r ，最高压力为3 5m p a ，变量角为1 8 。该公司还开 发了a t v o 系列泵，该泵为锥形连杆活塞式，排量为2 8 1 0 0 0m l r ， 最高压力为4 0m p a 。在a 7 v 和a t v o 基础上，力士乐还开发了a 6 v 和a 6 v m 变量马达。此外，林德公司也生产b m v r 型变量弯轴马达， 但最大排量只有5 0 2 6 0 3m l r ，额定压力为4 2m p a ，最高压力为5 0 m p a ，供小型液压设备闭式油路用。总之，弯轴泵和马达的发展趋势 如下：第一方面，由于结构原因，弯轴泵不能带辅助泵，因此只能作 为开式油路用泵；此外，由于弯轴泵变量机构是带动缸体一起摆动， 因此变量的响应速度较低；第二方面，作为变量泵，由于其制造工艺 复杂，成本较高，因此，排量在2 5 0m l r 以下的变量泵正逐步丧失竞 争优势，但大排量泵还非其莫属；第三方面，无论定量还是变量马达， 特别是弯轴角4 0 0 的锥形连杆活塞结构，由于其具有起动和传递扭矩 大的独特优点，有较好的发展前途p l 。 2 、重载斜盘泵的研究现状 重载斜盘泵是指用于工作条件较恶劣，负载重，额定压力为3 1 5 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 4 2m p a 、最高压力为4 0 5 0m p a 结构较复杂的斜盘泵。 ( 1 ) 闭式油路用斜盘泵一马达系统 它被广泛地用于工程和建设机械。其特点是泵上装有补油泵，泵 和马达上共同装有闭式系统用全套集成阀，用户只要连接两根管道， 就能使该系统运转，如振动压路机、水泥搅拌车等就广泛采用这种系 统。最早生产这种产品的是美国桑斯川特( s u n d s r t a n d ) 公司2 0 系列 泵一马达系统。上世纪8 0 年代中期，上海高压油泵厂引进了美国桑斯 川特2 0 系列泵一马达系统。现在，桑斯川特公司己在上海浦东合资生 产最新的9 0 系列泵一马达系统。 目前，世界上已经有多家公司生产这类泵一马达闭式系统。其中 比较著名的有美国伊顿( e a t o n ) 公司、丹尼逊( d e n i s o n ) 公司、德 国的力士乐公司j 林德公司等。其中美国公司都是斜盘泵一斜盘马达 闭式系统，德国力士乐是斜盘泵一弯轴马达闭式系统，而林德公司既 有斜盘泵一斜盘马达闭式系统，也有斜盘泵一弯轴马达闭式系统 6 1 。 ( 2 ) 开式系统用斜盘泵 通常，开式系统泵相对于闭式系统泵有更多的要求，例如要求其 有较好的自吸能力，较低的噪声和较多的变量型式，所以闭式系统泵 一般不能用于开式系统。然而，闭式系统泵的生产厂家为了降低成本， 提高泵的零件通用化程度，往往在闭式系统泵的基础上派生出开式系 统用泵，如力士乐a 4 s v o 开式系统泵就是由闭式系统泵a 4 v 基础上 发展的；林德 玎，r 0 2 系列开式系统泵是h p v - 0 2 闭式系统泵的改进 产品。 3 、轻型柱塞泵发展过程 早在上世纪6 0 年代，一些柱塞泵的生产厂家就企图发展一种中压 ( 中等负载) 、结构简单、价格便宜，可以与齿轮泵和叶片泵竞争的变 量柱塞泵。 在上世纪6 0 年代初期，英国d o w t y 公司设计了一种名为“v 甜i s ， 的斜盘式轴向柱塞泵，其最高压力为2 0 m p a ，结构简单，采用许多少 切削和无切削加工零件，需要机加工的零件只有8 种，其成本甚至可 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 以和齿轮泵竞争，但该泵最后因发热问题没有解决，而没有被大量投 放市场。 与此同时，美国威格士( v i c k e r s ) 公司也设计了一种p v b 系列轻 型柱塞泵，其结构简单，配流盘与后盖连成一体，缸体、滑靴等零件 都由铸铁或粉末冶金制造，采用单作用缸( 弹簧回程) 实现变量，主 要用于机床上，不过当时并没有引起人们的重视。 直到上世纪7 0 年代末，日本大金公司从引进美国桑斯川特公司 1 5 和1 8 系列泵，并在其基础上开发出v 1 5 和v 3 8 系列轻型柱塞泵( 排 量分别为1 4 8 和3 7 7 m l r ，额定压力为1 4m p a ，最高压力为2 lm p a ) 后，轻型柱塞泵才引起世人的重视。 大金公司的轻型柱塞泵，在结构方面有许多与p v b 泵相似之处。 它也是采用单作用变量油缸，用弹簧使斜盘复位，为了减小复位弹簧 力，在设计中，使斜盘的回转中心高于缸体中心线与滑靴球头中心平 面的交点，以便于压紧缸体的中心弹簧和柱塞缸内液体压力共同使斜 盘复位。也许由于摩擦副材料和热处理的原因，大金公司的轻型柱塞 泵在缸体与后盖之间，仍安装有配流盘。 日本大金开发的轻型柱塞泵引起人们的广泛重视，在1 9 8 1 年日本 油空压展览会上，日本油研、萱场、丰兴、不二越等公司都相继展出 了轻型柱塞泵。在上世纪9 0 年代前后，世界上许多厂家相继发展了轻 型柱塞泵，如美国的桑斯川特、伊顿、丹尼逊、派克，德国的力士乐， 意大利的阿托斯等都有同类产品。我国邵阳液压件厂在1 9 8 3 年引进了 美国p v b 轻型柱塞泵，随后重庆液压件厂也从德国力士乐引进了 a 1 0 v 轻型柱塞泵，但是由于售价太贵，在国内市场并未得到大量推 广使用闭。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 本课题研究的背景和意义 随着能源危机的日益临近，对节能型泵的要求和需求都越来越高， 对节能型泵的研发也因而进入了一个高峰期。世界上很多大型泵产品 供应商如力士乐、帕克、阿托斯、伊顿等都已经开发出了各具特色的 节能型泵产品。综合目前世界上柱塞泵的研究状况，在此简要介绍两 种节能型泵的特点。 l 、恒压柱塞泵 2 0 世纪7 0 年代初，世界上发生第一次石油危机，为了节省能源， 恒压变量泵应运而生。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，为了节能，在开 式油路中，液压传动系统正在悄悄地发生着一个重大的变化，那就是： 用恒压泵控系统取代溢流阀控系统。虽然这一变化尚未完成，但是人 们已经开始关注这一动向。我国在1 9 8 0 年开始研制p c y 型恒压变量 泵，1 9 8 2 年研制成功6 3 p c y l 4 - - 1 b 型恒压变量泵。恒压变量泵是一 种高效、节能、大功率的液压动力源，它被广泛应用于工程机械、机 床工业、航空航天工业等液压系统领域f 7 。 从图1 1 的输出特性来看，恒压泵控系统与定量泵溢流阀系统 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 相同。不同的是恒压泵控系统达到设定压力后，泵的排量减小，系统 压力不变，只有少量的漏损而没有溢流流量，从而大大减轻了系统的 发热，节省了能源消耗。 图1 2 为恒压泵控系统的压力一流量图，图中系统的最大流量由 泵的最大输出流量决定，最大压力由恒压阀决定，负载所需的压力和 流量均位于该图压力和流量所包围的区域内，该系统的最大输出功率 由c 点决定，它为d c e o 所包围的面积。假如l 点为负载的工作点， 则系统实际有用的功率为b 1 l e l o 所包围的面积，实际消耗的功率为 b l b 图1 2 恒压泵控系统压力流量图图l - 3 恒压泵控系统的效率特性 将做成等效曲线图，可以得出恒压泵控系统的等效曲线，如图 1 - 3 ，从图中可以看出；在负载压力达到系统8 0 以上设定压力时， 不论系统的输出流量大小，恒压泵控系统均比阀控系统有较高的效率， 特别是在高压小流量时。因此这种单级压力的恒压泵控系统，特别适 用于节流调速系统、电液换向阀中位常闭系统、电液伺服阀系统、蓄 能器传动系统、机床夹紧机构液压系统、保压系统，能大量减少系统 的溢流损失，具有较好的节能效果。 但从图l - 2 中可以看到，在恒压泵控系统中，由于原动机功率都 必须根据泵的最大输出流量和压力来选择，即装机功率为最大流量与 最大压力的乘积，也就是图l - 2 中d c e o 所围的面积，这样就造成了 恒压泵控系统中原动机装机功率大的缺点1 8 , 9 1 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 总之，恒压变量泵可以使系统不溢流，具有液压功率损失小、系 统发热小等优点，但装机功率大是它的缺点。 2 、恒功率柱塞泵 恒功率轴向变量泵是应用最广的泵之一，它同样也是一种节能产 品。它有如下优点：( 1 ) 减小了原动机的驱动功率，使液压设备体积 小，重量轻；( 2 ) 驱动恒功率泵的原动机经常处于满负载下工作，故 原动机的效率高，功率因数高，从 而降低了功率消耗；( 3 ) 恒功率泵 在高压小流量或低压大流量下工 作，与工作机械低速重载或高速轻 载使用需求相吻合，使液压设备能 充分发挥其工作能力【1 0 j 。 图1 - 4 为恒功率泵控系统的恒 功率变量特性，通过图中曲线可以 发现，当压力小到一定程度时，泵 全流量工作；当达到最大压力后系图1 4 恒功率变量特性 统要溢流；这就造成液压功率损失大、系统发热高等缺点。针对这种 恒功率变量泵的特点，它广泛的应用于工程机械、矿山机械、冶金、 船舶等这些功率要求大且工况多变的主机上【l i 1 2 】。 本课题研究的恒功率恒压变量泵控系统是一种新型泵控系统，它 克服了以往阀控系统及泵控系统的很多缺陷。该泵由泵和连接在泵的 变量机构上的恒功率阀以及恒压阀共同构成，恒功率阀通过不同长度 的内外弹簧实现泵的恒功率变量，而恒压阀通过恒压阀芯和恒压阀芯 上的封油段的运动来实现泵的恒压变量，这种新型恒功率一恒压变量 泵与现有技术相比，同时具有恒功率变量泵和恒压变量泵的优点，能 同时实现恒功率和恒压的变量特性，具有原动机功率小、运行功率因 数高、流量大、液压功率损失小、系统发热小等优点，甚至可省去系 统的溢流阀。使系统在无溢流或少溢流的工况下运行，实现系统运行 全过程的节能。这些优点在中高功率且负载变化大的液压机械设备上 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 显得尤为突出1 1 3 1 。 图1 - 5 为恒功率恒压泵控系统的压力流量特性，两图分别表示工 作点工作在恒功率区和恒压区的两种情况。左图中l n l e 2 0 区域为有 用功，l l l e 3 e 2 区域为阀压力损失和系统阻力损失；右图中i 祖岛o 区 域为有用功，l l 。e e 2 为恒功率恒压泵控系统损失，如果工作点压力由 恒功率泵控系统控制，则系统的功率损失将会增加b l b l i l o 区域的溢 流损失，从图中可以看出当泵的功率偏大时这部分的溢流损失是很严 重的。所以，恒功率恒压泵控系统比简单的恒功率泵控系统有更好的 节能效果。 q q q 1 0 图1 5 恒功率恒压泵控系统压力一流量分析 1 3 2 本课题研究的内容 本课题将针对这种新型变量泵进行基础性实验研究，通过实验获 取静、动态特性；同时解决恒功率、恒压阀并存可能产生的相互干扰， 并对这种新型变量泵的效率及能耗进行研究。内容主要分一下几点： l 、确定实验方案，构建实验系统，对这种新型变量泵的静动态特性及 效率进行实验研究，查找恒功率、恒匿同时并存对泵控制特性可能产 生的干扰，找出解决方法。 2 、以提高泵静动态特性品质为目的，对变量控制阀结构参数进行优化。 3 、构建新型泵的泵控系统，进行能耗分析实验研究。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 本课题实验研究的恒功率恒压轴向柱塞泵为q 6 3 y p c y l 4 一i b 型 泵，理论排量为6 3 m l r 、额定压力3 1 5 m p a ，应用于开式回路的轻型 轴向柱塞泵。 在以后的章节中，将分步骤从理论和实验两个方面对这一新型泵 的特性进行分析，并通过构建该种泵的液压系统，应用于生产实践中。 1 4 小结 本章对国内外液压技术的发展及液压泵的发展情况都进行了简要 的说明。明确了本课题研究的背景、研究目的、研究意义以及研究内 容等。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 第2 章泵特性的理论研究 本章将主要对这种新型恒功率恒压柱塞泵的静态特性和动态特性 进行理论分析。对于动态特性，通过建模获得泵动态特性的传递函数 及伯德图，通过对泵特性的理论分析与第四章中实验获取的泵特性特 性进行对比验证。 2 1 典型轴向柱塞泵的工作原理 柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动时密封工作腔的容积变化来 实现吸油和压油的。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，容易得到高 精度的配合，所以这类泵的特点是泄漏小，容积效率高，可以在高压 下工作。轴向柱塞泵经多年的发展已经形成了较为完整的产品体系。 这里仅通过对最基本的轴向柱塞泵的介绍来说明这类泵的基本工作原 理。 2 1 1 轴向柱塞泵工作原理 轴向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两大类。如图2 1 所示为轴向 柱塞泵的工作原理。泵由斜盘l 、柱塞2 、缸体3 、配油盘4 等主要零 件组成。斜盘1 和配油盘4 是不动的，传动轴5 带动缸体3 和柱塞2 一起转动，柱塞2 靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上。当传 动轴按图示旋转时，柱塞2 在其自下而上回转的半周内逐渐向外伸出， 使缸体孔内密封工作腔容积不断增加，产生局部真空，从而将油液经 配油盘4 上的配油口a 吸入；柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐 向里推入，使密封工作腔容积不断减小，将油液从配油盘4 上的窗口 b 向外压出。缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油 和压油动作。改变斜盘的倾角j ，就可以改变柱塞往复行程的大小， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 因而也就改变了泵的排量。 a 图2 - i 轴向柱塞泵的工作原理 轴向柱塞泵的实际输出流量用下式计算： q = 每，2 d t a n & n r ， | 式中：d 柱塞直径；d 柱塞分布圆直径； j 斜盘轴线与缸体轴线间的夹角；z 柱塞数； 实际上，泵的输出流量是脉动的，当柱塞数为单数时脉动较小， 因此一般常用的柱塞泵的柱塞数视流量的大小，取7 、9 、1 1 个。 轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，易于 实现变量，压力可以很高( 可以达到3 0 m p a 以上) ，但它对油液的污 染比较敏感1 1 4 1 卯。 2 1 2 变量控制机构 轴向柱塞泵上可以安装各种各样的变量控制机构来变更斜盘或斜 轴相对于缸体轴线的夹角，以达到调节流量的目的。这种装置按控制 方式分为手动控制、液压控制、电气控制等多种；按控制目的分为恒 压力控制、恒流量控制、恒功率控制等多种；按控制信息分为负载传 感控制、速度传感控制、压力传感控制等多种。下面举出一种恒压控 制变量机构的例子来说明其概况。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 图2 - 2 恒压控制变量机构 由图2 2 所示的结构简图中可以看到，该泵是用弹簧平衡的三通 阀( 即恒压阀) 控制变量活塞以改变泵流量的自动调节系统。恒压阀 弹簧的预调力f o ( 即预调压力p o ) 控制泵的输出压力p 。使其等于p o 。 当负载所需流量q l 减小时，泵的输出压力p 。上升，恒压阀开口x v 变 大，变量活塞一腔进油使斜盘倾角减小，泵的输出流量减小，使p | 恢复至预调压力p 0 。反之亦然。上面所说的各种控制式样无非就是依 据不同的参数、通过不同的手段来规定伺服阀( 或另一些控制阀) 的 动作而己【1 0 1 。： 2 2 恒功率恒压柱塞泵的静态特性分析 本节将从该种泵的结构、工作原理等方面对泵的静态特性进行研 究，通过分析获得泵的静态特性的理论曲线。 2 2 1 恒功率恒压变量泵的结构特点 恒功率恒压变量柱塞泵是近年来新出现的节能型柱塞泵。恒功率 恒压泵按伺服类型分为电子伺服和机械伺服两类，它们都是按三通阀 控差动缸的原理而工作的。它把恒功率泵和恒压泵结合在一起，具有 1 6 一 一 矿山 j ； ：。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 原动机功率小、运行功率因素高、流量大、液压功率损失小、系统发 热小等优点，甚至可省去系统的溢流阀。使系统在无溢流或少溢流状 态下运行，实现系统运行全过程的节能，是一种高效节能的变量柱塞 泵【6 】。 本文中提出的这种恒功率恒压变量柱塞泵，包括泵壳体、吸油口、 排油口和变量机构，其特征在于变量机构上安装有恒功率阀和恒压阀， 恒功率阀由恒功率阀芯、弹簧芯轴、内弹簧、外弹簧和弹簧套构成， 恒功率阀芯设置在变量活塞内部，上端连接有弹簧芯轴，在弹簧套和 弹簧芯轴之间设置有内弹簧和外弹簧，变量活塞与弹簧套和泵壳体之 间分别构成变量活塞的上端腔和下端腔，弹簧芯轴、内弹簧、外弹簧 都设置在上端腔内，下端腔与泵壳体排油口之间通过输油管道连接， 当恒功率阀芯处于变量活塞下端时，下端腔还通过输油管道与恒功率 阀芯的上部油腔和下部环形油腔相连，恒功率阀芯上部油腔与变量活 塞上端腔相连；当恒功率阀芯处于变量活塞的上端时，将下端腔与恒 功率阀芯上部腔的通路切断，上端腔通过输油管道和恒功率阀芯中间 的排油孔与油箱相通；恒压阀阀体内设置有恒压阀芯、弹簧座、大弹 簧、小弹簧和调节螺杆，弹簧座设置在恒压阀芯的一端，大弹簧和小 弹簧设置在弹簧座与调节螺杆之间；恒压阀芯的左端设置有左端腔， 左端腔通过输油通道与泵壳体的排油口相连，阀体上设有进油口和回 油口，进油口与变量活塞的上端腔相连，回油口与油箱相通；恒压阀 芯上还设置有用于切断左端腔与进油口之间通路的封油段。 该泵在结构上有如下的特点： ( 1 ) 支承缸体采用高精度专用滚针轴承。使泵的噪声低，外形尺寸小。 ( 2 ) 泵的进油通道比排油通道面积加大4 0 以上，因此自吸能力强、 转速高、噪声低。 ( 3 ) 改进了中心弹簧结构，减轻了柱塞重量，加强了滑靴包锁部位的 壁厚，大大提高了滑靴和柱塞的接合强度，减少了松靴和脱靴，提高 了泵的使用可靠性。 该泵的主要优点如下： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 ( 1 ) 原动机功率小。通常恒功率一恒压变量泵的传动功率只需要泵额 定流量和额定压力下功率的2 0 - - 4 0 。如果泵的实际工作压力低于 其额定压力，泵的传动功率还可以更小一些。 ( 2 ) 运行功率因数高。由于驱动恒功率一恒压变量泵的原动机经常处 在全负荷下工作，因此其运行功率因数高，节省了能源消耗。 ( 3 ) 提高主机运行速度。在同样的传动功率下，恒功率一恒压变量泵 可以实现低压大流量或高压小流量，因此特别适合于低负荷行程较大 的主机，可大大提高主机的运行速度。 ( 4 ) 液压功率损失小。由于这种泵在达到系统最大工作压力后是按恒 压泵特性工作的，其可以达到输出流量为零( 仅补偿系统漏损所需的 流量) ，维持系统压力不变。因此，采用这种变量泵无溢流损失，甚 至系统可省去溢流阀，冷却器也可减少或减小，同时大大延长工作介 质( 液压油) 的使用期限。 总之，这种恒功率恒压变量泵是一种节电、节油的高效节能变量 泵。这种泵的价格比恒功率泵或恒压泵价格略高一些，但由于原动机 的功率可减小，运行费用低，所以从经济上还是很合算的【l 引。 2 2 2 恒功率恒压变量泵的工作原理 本文所研究的这种恒功率恒压变量泵结构图2 - 3 所示。工作原理 如下：变量泵工作时从吸油口1 4 吸油，从排油口1 8 排油。由排油口 1 8 输出的高压油经过输油通道1 3 进入变量活塞8 的下端腔1 1 ，然后 经过阻尼孔1 0 和输油通道9 分别进入恒功率阀芯1 5 的上部油腔6 和 下部环形油腔7 。当泵的排油口1 8 的压力作用在恒功率阀芯1 5 下部 环形油腔7 的推力小于弹簧2 的预调节压力时，恒功率阀芯1 5 处于变 量活塞8 最下端，这时泵的输出流量最大。当泵的排油口1 8 的压力增 大时，恒功率阀芯1 5 下部环形油腔7 中的油压也增大，当环形油腔7 中压力油向上的推力大于上端腔1 9 中的弹簧向下的推力时，恒功率阀 芯1 5 向上运动，将变量活塞8 的下端腔1 1 与恒压阀芯1 5 上部油腔 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 图2 - 3 恒功率恒压变量泵结构原理图 功率阀芯1 5 中间的排油口1 6 排出，上端腔1 9 卸压，下端腔1 1 内的 压力油推动变量活塞8 向上运动，变量斜盘1 2 的倾角减小，泵的流量 减小。由于上端腔1 9 中的内弹簧2 比外弹簧3 长，所以内弹簧2 先于 外弹簧3 起作用，当达到c 点时，外弹簧3 也开始起作用；当变量活 塞8 上端腔1 9 中的内弹簧2 和外弹簧3 向下的推力大于恒功率阀芯 1 5 下部环形油腔7 中的压力油向上的推力时，设置在弹簧芯轴5 与弹 簧套l 之间的弹簧通过弹簧芯轴5 推动恒功率阀芯1 5 向下运动，这时 变量活塞8 下端腔1 1 内的压力油经阻尼孔1 0 、输油通道9 进入恒功 率阀芯1 5 的上部油腔6 和变量活塞8 的上端腔1 9 ，上端腔1 9 内的压 力油推动变量活塞8 向下运动，使变量斜盘1 2 的倾角增大，泵的流量 增加。 当恒功率变量达到系统调定最大压力时，恒功率阀停止工作，开 始恒压变量。由泵壳体的排油口1 8 排出的高压油经过输油通道p 进 入恒压阀体4 的左端腔2 0 ，变量活塞8 的上端腔1 9 与恒压阀体4 的 a 腔连通，当泵的输出压力大于大弹簧2 4 和小弹簧2 3 设定的调节压 力时，左端腔2 0 中的压力油推动恒压阀芯2 2 向右运动，使恒压阀体 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章泵特性的理论研究 4 的a 腔和0 腔连通，变量活塞8 的上端腔1 9 中的压力油通过输油 通道、a 腔、o 腔排出，上端腔1 9 卸压，下端腔1 l 中的压力油推动 变量活塞8 向上运动，泵的流量减小，直至输出流