恒压变量轴向柱塞泵的研究

赵 琦 殷学超

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

随着社会经济的高速发展，在各个行业中液压传动都是不可或缺的，柱塞泵作为液压系统中的“心脏”，是使用最高的液压驱动动力元件。如今的市场要求我们不断地创新，做到与众不同，做到独一无二，正是市场使命，造就了液压泵产品的多样化。其多元性主要体现在[1]：1）输送介质的多样性；2）产品结构的差异性；3）运行要求的不同性。

从输送介质来区分，早期的轴向柱塞泵的输送介质主要是水及其它的流体、气体等，但现在可以输送的东西越来越多，包括各种气体、液体、固体的组合形式。目前国内的大方向是要求环保和可持续发展，柱塞泵的工作环境对泵的设计提出了相应的要求，比如要求柱塞泵具有噪声低、泄漏少、寿命稳定等要素，这些要素对泵的设计提供了依据。在这种大环境大需求下，形成了多元形式的泵。

随着时代的不断进步、不断创新、不断发展，液压系统也随之发展，液压系统也慢慢朝着精细化、精密化、环保化、智能化、模块化等方向发展，它对整个液压系统的影响较为直接，也是判断液压系统稳定的重要依据，恒压变量轴向柱塞泵正是在这种情况下应运而生。最近几年，使用容积式运动原理传动的液压系统压力逐渐增大，大大提高了柱塞泵的使用范围，应用也随之越来越广泛。该种容积式的柱塞泵具有很多优点，如质量轻、输出压力高，多种变量机构任意选择、使用寿命长等。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

目前国外柱塞泵的厂家主要集中在德国、日本、美国等发达国家，这些厂家的市场占有率超过65%，其关键技术也对外封锁。

国外对轴向柱塞泵的研究较早，美国Denison 型号的柱塞泵，该泵的主要特点是压力高、效果好、采用斜盘后置的方式，其结构紧凑、简单、性能稳定，如图1 所示。

图1 Denison 轴向柱塞泵

英国的Vardis 柱塞泵，该型号的柱塞泵其泵体结构为一体铸造形式，配油盘集成在铸造泵体上，柱塞泵的轴承为滑动轴承，其采用了特殊的变量机构来实现，其零部件数量少，成本低廉，如图2 所示。

图2 英国Vardis 轴向柱塞泵

日本川崎K 系列轴向柱塞泵，结构如图3 所示，该泵柱塞的回程不是借助弹簧，而是由固定压板使压盘拖动柱塞强制返回，中心弹簧只是对缸体配油表面起到密封作用，该泵共9 个柱塞，斜盘倾角为14°，在泵轴后端装设一摆线齿轮泵[2]。

图3 日本川崎K 系列轴向柱塞泵

德国Bosch 轴向柱塞泵如图4 所示，泵的主体部分与前述的日本川崎K 系列相似，其变量机构不同于前述的垂直布置，而与泵轴成斜向布置。

图4 德国Bosch 轴向柱塞泵

1.2 国内研究现状

国内柱塞泵的水平大致相当于国外30 年前的技术水平，产品的使用寿命和无故障率都远远达不到发达国家的设计水平。因此，开发出具有自主知识产权的高寿命、高稳定性的柱塞泵，不但可以摆脱国外的技术封锁，也能提高国产化程度，这样能大大降低企业的采购成本。

从1980 年以来，我国逐渐开始研究PCY 型号的恒压变量轴向柱塞泵，在2 年后研发成功，并且逐渐研发了多代产品，并全部投入市场，满足各个行业对液压泵的需求，占据了一定的市场份额。第一代PCY14-1B 恒压变量泵共有5 种规格，分别为10，25，63，160，250 mL/r，但是真正投入到市场的只有25 和63 mL/r 这2 种，其结构如图5 所示。

图5 一代PCY14-1B 恒压变量泵

其结构特点为：

1）变量活塞大头安装在下方，小头安装在上方，采用倒装方式；

2）恒压调节阀装在变量机构下法兰的内部；

3）恒压控制阀阀芯的直径为0.8cm；

4）一般常泄露的阻尼器安装在活塞的下腔体内。

第二代恒压变量泵主要是在第一代的基础上进行改进，泵的安装尺寸均未改变，其结构如图6 所示。

图6 第二代PCY14-1B 恒压变量泵

其结构特点为：

1）变量活塞大头安装在上方，小头安装在下方；

2）上法兰的上方安装有恒压调节阀；

3）恒压阀芯的直径为0.6cm，与国外同类恒压调节阀阀芯直径相同；

4）一旦恒压阀起作用时，油会从变量活塞的上腔体内排出，进而实现活塞的上移，此时柱塞泵的排量减少，实现泵的恒压变量控制。

第三代恒压变量泵是柱塞泵，其变动较大，具体结构如图7 所示。

图7 第三代QPCY14-1BK 恒压变量泵

其主要结构特点为：

1）柱塞泵的主体结构相比之前进行了较大的改变，不仅增加了柱塞泵的规格种类和型号，扩大了使用的工作范围，而且还具有稳定性好、速度高、隔音性能好等优点；

2）该恒压变量泵中的恒压阀的方向旋转了180°；

3）该恒压变量泵将节流器并排安装在变量活塞的2 个腔体中，使变量活塞的上下腔形成压差，由于压差的作用变量活塞的上腔体内不断被泵供油。

柱塞泵的变量机构按照调节的方式不同可分为为恒功率控制机构、恒压控制机构、恒流量控制机构，它们是通过检测柱塞泵的流量、压力作为检测信号与输入值信号进行比较，再通过变量机构的位置反馈来实现排量的控制；按照控制信息可分为速度传感控制、压力传感控制、负荷传感控制[3]。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

2 恒压变量轴向柱塞泵的变量机构及工作原理

本文主要讨论的是恒压变量控制型的变量机构，如图8 所示为恒压变量机构原理图。

图8 恒压变量机构原理图

恒压变量泵的定义是：采用恒压控制的变量柱塞泵，其运行原理如上图8 所示，其中：1 为控制滑阀、2 为调节弹簧、3 是控制油缸，1 和2 并称为恒压阀。其具体控制流程如下：

1）当液压系统压力低于正常压力值时，此时控制油缸的右腔体内没有液压油，弹簧力控制油缸向右运动，进而来触发柱塞泵的变量机构，使得柱塞泵处在最大压力处；

2）当液压系统压力增加，一旦压力增大到恒压阀设定的压力时，此时调压弹簧的弹力会小于控制阀的液体压力，促使阀芯像右移动，此时控制油缸的右端会有油液进入，控制油缸的活塞会向左运动，进而再推动柱塞泵的变量机构，此时柱塞泵的排量会减小，柱塞泵的工作压力也慢慢降低；

3）当控制阀左腔体的压力等于调节弹簧的压力时，此过程滑阀会关闭工作，控制油缸将不再动作，变量机构执行结束，柱塞泵的工作压力将会逐渐稳定在调节弹簧的设定值上面。同时，当液压系统的压力逐渐降低时，由于变量机构调节作用，使得泵的输出流量不断增加，液压系统压力又会回到初始设定的值[4]。

如图9 所示为恒压变量泵的工作特性曲线，当P

这种泵的运动机制是：在某一个设定值的压力下，如果负载所需要的泵的流量从图9 所示的点A逐渐变化到点B 时，此时一旦变量泵的输出流量不变时，整个液压系统将会出现供过于求的现象，促使柱塞泵的出口压力不断升高，这时变量机构产生相应的控制，会使液压系统的排量不断减小，减小到与B 点上的流量相对应时，来匹配负载所需要求的系统流量的减小，但同时又会保持系统压力不变。

图9 恒压变量泵的工作特性曲线

恒压变量柱塞泵主要由3 大部分组成：柱塞泵、变量油缸、调压阀。它主要通过柱塞的往复动作，进而改变柱塞缸体内的液体容积，进行油液的输入输出。斜盘式轴向柱塞泵一般具有效果好、参数高、寿命长等优点，应用十分广泛，它主要是通过控制斜盘的倾角来实现变量控制[4]。

恒压变量泵主要工作原理为：当驱动电机带动传动轴旋转时，传动轴带动缸体持续旋转，此时沿着圆周布置的若干个柱塞同时绕着传动轴旋转，滑靴被中间弹簧的弹力作用挤压在柱塞泵变量头上，这样圆周布置的柱塞就会伴随缸体的转动做往复的伸缩运动，进而实现吸油和排油功能。

当设定的压力大于液压系统的输出压力，此时柱塞泵全排量输出，即实现定量工作，当系统输出的压力达到设定的压力时，就会通过变量机构自动地调节泵的流量，从而来确保液压系统压力的恒定，满足柱塞泵的使用需求。

如图10 所示为恒压变量柱塞泵结构示意图，该结构将输出的压力油同时通至变量活塞下腔和恒压阀的控制油入口，当输出压力小于调定压力时，作用在恒压阀芯上的油压推力小于调定弹簧力，恒压阀处于开启状态，压力油进入变量活塞上腔，变量活塞压在最低位置，泵全排量输出压力油；当泵在调定恒压力工作时，作用在恒压阀芯上的油压推力等于调定弹簧力，恒压阀的进排油口同时处于开启状态，使变量活塞上下腔的油压推力相等，变量活塞在某一平衡位置工作[5]，若液压阻尼（负载）加大，油压瞬时升高，恒压阀排油口开大、进油口关小，变量活塞上腔比下腔压力低、变量活塞向上移动，泵的流量减小，直至压力下降到调定恒压力，这时变量活塞在新的平衡位置工作。反之，若液压阻尼（负载）减小，油压瞬时下降，恒压阀进油口开大，排油口关小，变量活塞上腔比下腔油压高，变量活塞向下移动，泵的流量增大，直至压力上升至调定恒压力[6]。

图10 恒压变量柱塞泵结构图

3 结束语

本文总结了恒压变量轴向柱塞泵的研究现状和成果，并详细分析了国内恒压变量泵的发展历程。指出当前国内恒压控制变量泵产品性能相比于国外有很大的差距，提出创新研究恒压变量柱塞泵的社会意义。对恒压变量泵的工作原理进行了细致的分析，并重点研究了变量工作机构的工作机理。