水液压柱塞泵的研究进展及展望

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(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京　100124)

引言

现代水压传动与控制技术是在20世纪下半叶重新崛起的一种以水(包括海水、淡水)作为工作介质的绿色传动技术，是当前国际上流体传动及控制领域前沿性研究方向。它能避免使用液压油引起的环境污染和火灾安全隐患，节约石油资源；此外，水作为工作介质还有价格低廉，来源广泛，无需处理，可避免介质对诸如纺织物、食品和药品等产品的污染，水的自清洁特性使设备维护保养方便[1]。同时， 直接以海水作为工

作介质的海水液压传动技术已成为当今国际上水下作业装备动力驱动系统的发展方向[2, 3]，并被西方发达国家多年的实际应用证明为最佳的动力驱动方式[4-7]，海水液压系统代替油压系统已成为水下作业装备动力驱动方式的必然选择[8]，在水下作业工具、深海空间站、深潜调查船的浮力调节、海洋能能量转换系统、反渗透海水淡化系统、高压水清洗、高层建筑灭火等方面以及食品、医药等领域取得了广泛应用[9-12]。

水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件，多年来美国、英国、德国、丹麦、芬兰、日本等西方国家均将其列为有重要工程应用价值的高新技术项目，重点进行研究，研制出了一系列成熟的水液压泵产品[13]，且目前投入市场的产品主要以轴向柱塞式结构为主[14]。近年来我国华中科技大学、浙江大学、北京工业大学、中国海洋大学、西南交通大学、燕山大学、大连海事大学等单位逐步开展了水压传动与控制方面的研究工作。研制出了多台水液压柱塞泵样机，在潜艇高压细水雾灭火系统、载人潜器的浮力调节以及高压水清洗等领域取得了初步应用。

本研究主要介绍国内外不同配流形式的水液压柱塞泵，以及国内水液压柱塞泵的研究历程和最新进展，最后结合国内外研究现状提出今后水压柱塞泵的研究方向和发展重点。

1　阀配流水液压柱塞泵

阀式配流是发展较早的配流方式。由于配流阀的密封性能好，易于获得高压，且具有良好的抗污染性能，因此广泛应用于高压、超高压水压柱塞泵中。但此类柱塞泵工作过程不可逆，不能做水压马达使用，且功率密度比较小。

1.1　阀配流水液压柱塞泵国外研究现状

1989年日本萱场(Kayaba)工业株式会社研发出一种阀配流水压轴向柱塞泵，用于载人潜器的浮力调节，主轴与斜盘做成一体，并采用两个径向陶瓷球轴承和一个轴向动压润滑陶瓷止推轴承支承主轴和斜盘旋转，斜盘、柱塞、轴承均采用陶瓷，滑靴和缸套采用碳纤维增强工程塑料(CFRP)，其结构如图1所示[15]。该泵有3个柱塞，流量为7.05 L/min，最高工作压力为21 MPa，最高转速为1800 r/min，容积效率超过85%，机械效率约为90%。

德国Hauhinco公司研制了EHK-3K系列三柱塞曲柄连杆泵和RKP系列径向柱塞泵[16]。其中EHK-3K系列三柱塞泵是在原乳化液泵的基础上改进而来，其机械传动轴承部分采用油水分离结构，流量为8 ～700 L/min，压力为15～80 MPa，适用于黏度为5×10-7～4×10-6m2/s 的液体介质，改变一些关键部件的配合间隙和材料后便可用于纯水介质。而RKP系列径向柱塞泵采用5个或7个柱塞，输出流量为3～240 L/min，结构如图2所示，最高压力达32 MPa；其中RKP-160型径向柱塞泵在21 MPa压力下容积效率达94%。该类泵流量和压力脉动较小，工作寿命长，抗污染能力强，效率高，已用于海底管道铺设及维护系统等海洋开发机械设备中。

图1　Kayaba阀配流海水液压泵

图2德国Hauhinco公司径向阀配流水液压泵

1.2　海水液压泵国内研究现状

华中科技大学是国内最早开展水液压传动技术研究的单位。据目前公布的文献资料来看，开发出的水液压柱塞泵样机大多采用油水分离阀配流结构，其1996年研制出国内第一台油水分离中低压轴向柱塞式海水泵[17]，额定工作压力为3 MPa, 最高工作压力为6.3 MPa , 额定流量为100 L/min，之后相继研制出流量为200 L/min、330 L/min(额定压力均为3.5 MPa，最大压力为6.3 MPa)的一系列海水泵样机[14, 18]。2013年，华中科技大学研制出了浮力调节超高压海水泵样机，如图3所示，该泵采用油水分离结构，即配流阀和缸孔浸没在水中，其他关键摩擦副浸没在油中，使用密封圈将油水隔开，并使用压力补偿器来平衡油液润滑腔与环境的压力，工作转速为1000 r/min，空载流量为6.3 L/min，48 MPa时为5.7 L/min，总效率为81%，容积效率为91%，机械效率为90%[19, 20]。

图3　华中科技大学阀配流超高压海水泵

2005年，华中科技大学杨曙东教授研制出基于海水润滑的中高压柱塞泵，所有摩擦副均采用海水润滑，结构如图4所示，该泵采用轴向柱塞式阀配流结构，缸体不动，中心弹簧回程，主轴带动斜盘旋转以使柱塞往复运动来完成吸、排水工作。样机在额定工况下运行50 h后，输出流量为40.2 L/min，容积效率为81.9%，机械效率为86.6%，总效率约为70.9%[21]。

图4　基于海水润滑的中高压阀配流柱塞泵

北京工业大学聂松林教授对油水分离阀配流式海水轴向柱塞泵结构进行了一系列改进，于2006年研制出潜艇高压细水雾灭火泵[22]，现已小批量装备海军某新型试验艇，如图5所示，该泵采用一体式阀配流结构[23]，工作压力为4～6 MPa，流量为200 L/min，容积效率约为95%。

图5　阀配流高压细水雾灭火泵

2012年又研制出额定压力30 MPa，额定流量为30 L/min的全水润滑阀配流水液压轴向柱塞泵样机[24]，如图6所示，采用轴向柱塞式阀配流结构，分布式弹簧回程，斜盘静止，主轴带动缸体旋转以使柱塞往复运动来完成吸、排水工作。目前该泵正处于性能改进阶段。

图6　全水润滑旋转阀配流纯水柱塞泵

2　端面配流水液压柱塞泵

端面配流方式相比于阀配流方式自吸能力较好，转速较高，结构较为紧凑，具有可逆性，可作为水压马达使用。但配流盘在高压时的泄漏较大，因而此种配流方式适用于中高压水压柱塞泵的场合。

2.1　端面配流水液压柱塞泵国外研究现状

丹麦Danfoss公司研制的APP系列轴向柱塞泵采用海水作为工作介质[25]，如图7所示。该泵采用了后斜盘式结构，分布式弹簧回程，泵内集成有冲洗阀，保证泵不工作时海水能够从进口流向出口实现冲洗功能。该泵额定压力为8 MPa，最高转速为1200 r/min，最大流量为500 L/min，总效率大于80%，6 MPa时噪声为84 dB，寿命超过8000 h。

图7　Danfoss公司APP系列海水轴向柱塞泵

英国TWHC(The Water Hydraulics Co.)公司从20世纪80年代起致力于推动纯水液压技术的发展，旗下Janus系列海水元件已经成功的走向市场。研制的斜盘式水压变量泵可采用海水或淡水作为工作介质[26]，如图8所示。该泵采用比例电磁铁控制斜盘角度来实现变量，主要材料选用316不锈钢，最高转速为1750 r/min， 最大工作压力为16 MPa，最大功率为88 kW， 最大流量为390 L/min。

图8　Water Hydraulics公司Janus系列水压变量泵

2.2　端面配流水液压柱塞泵国内研究现状

浙江大学是国内较早开展全水润滑水液压泵研究的单位，在杨华勇和周华教授的带领下，近年来对水液压泵的关键技术问题开展了大量卓有成效的研究，研制的水液压泵样机主要包括端面配流海水轴向柱塞泵和水液压内啮合齿轮泵两种[27-31]。并于2009年研制出面向反渗透海水淡化系统的海水轴向柱塞泵，如图9所示，采用缸外大轴承支撑缸体、集中回程弹簧的结构，该泵在额定压力为8 MPa和额定转速1500 r/min下的容积效率约为86.8%，总效率约为81.2%[32]，在反渗透海水淡化系统上累计运行时间超过2000 h。

图9　浙江大学端面配流海水液压泵

华中科技大学唐群国副教授在国家863计划的资助下，于2010年研制了一台全海水润滑盘配流液压泵。如图10所示，该泵采用两个小轴承支撑主轴和缸体，采用分布式回程弹簧结构，额定压力为14 MPa，最高压力为16 MPa，额定流量为40 L/min，额定转速为1500 r/min，容积效率接近80%[33, 34]。

图10　华中科技大学端面配流海水液压泵

北京工业大学聂松林教授在“十一五”国家海洋领域863计划项目以及国家自然科学基金的资助下对端面配流海水液压泵进行了大量的探索创新研究。2008年研制出端面配流斜轴式海水柱塞泵，结构如图11所示。该泵采用间隙自动补偿结构来密封柱塞副[35]，及陶瓷轴承承载，额定工作压力为14 MPa时，排量为173 mL/r，额定转速为750 r/min，容积效率大于83%[36-38]。

图11　端面配流斜轴式海水柱塞泵

在“十二五”国家海洋领域863计划主题项目的资助下，北京工业大学还积极开展了端面配流斜盘式海水轴向柱塞泵的研制，在材料筛选、配流特性、关键摩擦副可靠性设计、可靠性强化试验等方面做了大量的基础研究，2013年成功研制出多台额定压力为14 MPa， 额定转速为1500 r/min的全水润滑端面配流斜盘式海水轴向柱塞泵[39-44]，如图12所示，该泵在工作压力为14 MPa时的输出流量可达113 L/min，容积效率为82%，目前该泵正处于可靠性强化试验阶段，在额定工况下已累计运行超过500 h。

图12　全水润滑斜盘式海水轴向柱塞泵

3　电磁直驱式水液压柱塞泵

随着材料学、电磁学、自动化控制等学科的发展，出现了电机和泵设计成一体的电磁直驱式液压柱塞泵，可以克服传统的旋转电机驱动轴向柱塞泵存在的摩擦副较多、变量机构复杂、流量脉动大的缺点。目前国内的北京航空航天大学、西安交通大学、兰州理工大学等高校均开展了电磁直驱式油压柱塞泵的研究，研制出了电磁直接驱动电液伺服油压泵、盘式永磁同步电机串联直驱式柱塞泵、并联电机叶片泵等样机[45-48]。

由于电磁直驱式液压柱塞泵结构方案存在的低流量脉动、结构紧凑、功率密度大等优点特别合适海洋应用环境尤其是深海条件下低振动的特殊需求，因此近年来北京工业大学、华中科技大学等高校开展了电磁直驱式水液压柱塞泵的研究。

2010年，华中科技大学朱碧海副教授提出一种带双斜盘结构的水压轴向柱塞式电机泵[49]，如图13所示。该泵将双斜盘轴向柱塞泵泵体集成于屏蔽电动机转子内部，使柱塞泵缸体与电动机转子连接成一体结构，工作时通过电机旋转直接驱动柱塞泵缸体运动继而完成泵的吸排水过程。该泵在额定转速1500 r/min，工作压力8 MPa时的容积效率为70%[50, 51]。

图13　双斜盘柱塞式电机泵结构图

2009年，北京工业大学聂松林教授在国家自然科学基金和海装预研项目的资助下，以低振动、恒流量、高效率以及高可靠性为研究目标，开展了面向潜器的直线电机驱动海水柱塞泵的研究。通过直线电机的运动将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构，消除了传统水液压泵组机械传动链中间传动环节所带来的一系列不良影响(如大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、振动、噪声及磨损等)，可大大地降低海水液压柱塞泵组及系统的振动和空气辐射噪声级别[52, 53]。该泵采用4台大推力直线电机驱动8个柱塞做往复运动，每个柱塞通过一套吸水阀和压出阀实现配流[52]，现已加工制造出额定压力10 MPa、额定流量为100 L/min的直驱水压柱塞泵样机[54-57]，如图14所示，目前该泵正处于组装调试及性能试验阶段。

4　展望

水液压柱塞泵的发展经历了油水分离阀配流到全水润滑端面配流结构的转变，随着材料学、摩擦学不断发展，应结合两种结构各自的优势，将全水润滑超高压阀配流水压柱塞泵以及端面配流高压水压柱塞泵作为未来的发展方向；为了适应未来水压变频调速泵控系统的发展需求，不但要研制传统的斜盘式水压变量泵，还要结合电磁学、自动化控制等学科的最新研究成果，开辟新的道路，积极开展电磁直驱式水液压柱塞泵的研究。

图14　直线电机驱动海水柱塞泵

目前国产水压柱塞泵在性能方面与国外成熟产品还存在不小的差距，需要从样机的可靠性设计和寿命试验入手，进行系统深入的理论和实验研究，提高国产水压柱塞泵的工作性能，争取早日替代国外产品，不断开拓应用市场，积极推动国产水液压柱塞泵在军工、钢铁冶金、消防及反渗透淡化等产业的广泛应用。

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