對柱塞泵的重新認識和課堂教學
油壓控制技術(shù)現(xiàn)階段遭遇的考驗和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
現(xiàn)階段油壓控制技術(shù)遭遇著嚴峻考驗，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.系統(tǒng)的傳動效率：眾所周知油壓傳動效率較低，在當前節(jié)能環(huán)保的壓力下，油壓傳動因為效率的原因退出了不少市場；2.油壓傳動的可靠性：因為油液污染或摩擦副磨損等因素，油壓傳動的故障概率較機械傳動和電氣傳動要高，因此也限制了油壓傳動更廣泛的應用；3.油壓傳動的信息化：由于油壓傳動的非線性特性及內(nèi)部多物理場耦合的特征，很難對油壓系統(tǒng)進行全面的信息化提取，限制了油壓傳動控制技術(shù)的信息化深入產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
現(xiàn)階段柱塞泵行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在一些問題：1.同質(zhì)惡性競爭，導致企業(yè)盈利能力減弱、研發(fā)投入不足、創(chuàng)新力不足；2.基礎(chǔ)研究與實際應用之間的差距較大，導致企業(yè)更多地轉(zhuǎn)向國外產(chǎn)品的仿造開發(fā)；3.工況試驗無路徑性，企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品與主機的需求存在較大的差距；4.正向設(shè)計開發(fā)能力不足，行業(yè)整體處于仿造消化階段，導致產(chǎn)品的性能水平跟國外產(chǎn)品仍存在較大差距。
為了適應今后油壓控制技術(shù)的行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，柱塞泵行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢主要是：1.更高的工作壓力和轉(zhuǎn)速；2.更快的變量反應時間；3.變量控制的電子化；4.泵的智能化和信息化。
油壓傳動要獲得競爭優(yōu)勢，柱塞泵控制技術(shù)需在如下方面進一步提高：1.開發(fā)容積泵控控制技術(shù)以提升工作效率；2.進一步提高工作壓力以提升功率密度；3.油壓傳動的智能化、信息化和網(wǎng)絡化。
近幾年油壓行業(yè)整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅猛，存在一定程度的供需緊張現(xiàn)象，但在中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，如何做大做強，進一步縮小與國外先進水平的差距，增強行業(yè)配套能力，避免在高端領(lǐng)域的鎖喉之痛再次在油壓行業(yè)出現(xiàn)，值得每一個油壓從業(yè)人員的深思。
柱塞泵領(lǐng)域的一些工作
長期以來，我校在老前輩王明智老師的引領(lǐng)下，我們堅持了高性能油壓元件的研究開發(fā)工作，在一些領(lǐng)域進行了有益探索。
系列徑向柱塞泵的開發(fā)及相關(guān)產(chǎn)品
1.關(guān)鍵摩擦副設(shè)計理論和方法：轉(zhuǎn)子-配流軸提出并課堂教學了過平衡壓力補償設(shè)計理論和方法、在連桿-定子摩擦副采用準靜壓平衡設(shè)計方法、柱塞-連桿摩擦副采用接觸彈流潤滑理論設(shè)計方法，解決了高速滑動摩擦副的摩擦磨損和可靠性問題，工業(yè)試驗11000小時后關(guān)鍵摩擦副磨損量僅3微米；
2.直接檢測式負載敏感控制控制技術(shù)：利用壓力直接檢測方案實現(xiàn)徑向柱塞泵的負載敏感控制，使得變量泵的輸出能夠自動實現(xiàn)負載的流量適應和壓力適應控制過程，并獲得更好的控制精度和動態(tài)特性，最大限度的節(jié)約能耗；
3.摩擦副材料優(yōu)化匹配設(shè)計：在動力學分析基礎(chǔ)上，結(jié)合摩擦副設(shè)計理論方法，從零件工作過程中的剛度、泵的效率、摩擦副散熱、抗咬合能力等方面入手，綜合優(yōu)化匹配摩擦副材料，以確保泵的工作可靠性和壽命。
◆雙向高低速專用徑向柱塞泵開發(fā)
該泵要求雙向運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速范圍90～1000r/min，額定壓力20MPa，環(huán)境溫度-50℃～70℃，排量2.8mL/r，采用10航空油壓油。其控制技術(shù)難點在于較寬的工作溫度范圍、低速工作可靠性和較高的總效率要求。我們在JBP徑向柱塞泵控制技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，開發(fā)了圖2所示的專用徑向柱塞泵產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用雙排10柱塞結(jié)構(gòu)、柱塞定子點接觸方案、轉(zhuǎn)子整體梯度滲流工藝（LGM）、錐面軸承套及摩擦副創(chuàng)新平衡設(shè)計等方法，成功研制開發(fā)了本產(chǎn)品。在滿足性能指標的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品效率指標較國外產(chǎn)品提升5%，達到了預期目標。
◆雙向旋轉(zhuǎn)斜盤軸向柱塞泵
針對徑向泵存在的體積較大，功率重量比較小的缺點，以伺服節(jié)能應用為目標，獨立開展了雙向旋轉(zhuǎn)斜盤軸向柱塞泵的研究開發(fā)工作。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)缸體柱塞泵，結(jié)構(gòu)原理上存在一些不足：1.轉(zhuǎn)子傾覆力矩的影響：使得轉(zhuǎn)子處于動不平衡狀態(tài)，存在公差累積的效應，使得加工工藝相對較為苛刻；2.柱塞離心力的影響：在轉(zhuǎn)速較高時，柱塞受到較大的離心力，且該力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，使得柱塞運動的靈活性受到限制，工作可靠性也受到影響；3.配流吸油阻力較大：由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，柱塞吸油阻力較大，轉(zhuǎn)速越高，對吸油造成的影響也越大，成為開式柱塞泵高速化的一大障礙；4.旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件慣量較大，使得在變速控制過程中存在較大的阻力矩。
旋轉(zhuǎn)斜盤柱塞泵結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子可與殼體集成為一體，具有很高的剛度，不存在傾覆力矩的影響，同時柱塞也避免了離心力的影響，整體的受力更為合理。另外由于轉(zhuǎn)子不再旋轉(zhuǎn)，可避免轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)對吸油造成的影響，因此旋轉(zhuǎn)斜盤結(jié)構(gòu)的柱塞泵成為柱塞泵高速化較為可行的方案。
基于上述分析和柱塞泵控制技術(shù)的積累，我們開發(fā)了軸配流雙向旋轉(zhuǎn)斜盤軸向柱塞，如圖3所示。該泵具有如下特征：1.配流軸與旋轉(zhuǎn)斜盤同軸驅(qū)動，整體轉(zhuǎn)動慣量更?。?.配流軸高速旋轉(zhuǎn)，對油液形成離心效應，使得泵在高速旋轉(zhuǎn)過程中吸油特性更好；3.轉(zhuǎn)子與殼體集成，轉(zhuǎn)子剛度增強，結(jié)構(gòu)更為緊湊；4.柱塞受力得到改善，提高了高速工作的可靠性；5.雙向結(jié)構(gòu)設(shè)計，可適應電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)雙向供油。我們開發(fā)制造了原理樣機，初步試驗表明，其制造工藝簡單，零件數(shù)量較少，吸油特性大為改善，現(xiàn)階段正進行深度開發(fā)研究工作。
圖3 雙向旋轉(zhuǎn)斜盤軸向柱塞泵
◆新型柱塞式靜油壓傳動控制技術(shù)研究開發(fā)
現(xiàn)階段采用的油壓傳動控制技術(shù)一般由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件四部分組成，通過流體的流動將壓力能在系統(tǒng)內(nèi)部進行傳遞完成工作，其工作可靠性、效率和成本相對較高。如何進一步提高油壓傳動的效率，提升功率密度進而提升性能成為現(xiàn)階段油壓傳動控制技術(shù)的熱點與難點?；谏鲜霰尘?，結(jié)合某工程應用背景需求，基于旋轉(zhuǎn)斜盤柱塞泵結(jié)構(gòu)原理，我們經(jīng)過深度思考與探索，國內(nèi)首次提出了新型靜油壓傳動原理，并進行了初步的探索。
1）新型靜油壓耦合傳動原理與探索
機械傳動中存在超載保護、空載啟動與負載沖擊保護的需求，液力傳動是現(xiàn)階段采用的常用方案，傳統(tǒng)油壓傳動也可方便實現(xiàn)上述功能，但存在系統(tǒng)組成復雜和成本高的缺陷。
基于上述背景需求和我們對油壓泵的輸入理解分析，我們提出了靜油壓耦合驅(qū)動原理，如圖4所示。現(xiàn)階段的油壓泵中，驅(qū)動軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)組件輸出高壓油液，同時在旋轉(zhuǎn)組件與殼體之間存在相互作用力矩，作用在殼體上的該力矩由泵的安裝支架或套筒予以平衡?；谏鲜隼斫?，我們在殼體設(shè)置輸出軸并懸置，不再固定，同時在泵的出口到進口之間設(shè)置溢流閥、管路防爆閥和蓄能器，實現(xiàn)了靜油壓耦合傳動的特性。在動力傳遞過程中，泵體油液輸出口由于負載會形成一定的壓力進而產(chǎn)生扭矩作用于殼體，進而驅(qū)動負載工作，當負載較大，產(chǎn)生壓力大于溢流閥設(shè)定壓力時，溢流閥打開并溢流，此時泵轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而殼體則想當于被固定而停止旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了超載保護的功能；利用管路防爆閥可實現(xiàn)空載啟動，利用蓄能器可實現(xiàn)對負載沖擊的吸收。
圖4 靜油壓耦合傳動原理
基于上述原理分析，我們進行了葉片式靜油壓耦合器原理驗證。圖5為所開發(fā)的原理樣機、試驗平臺和實驗曲線。經(jīng)過實驗，證明了該傳動原理的正確性和可行性。從特性分析看，該傳動方式有如下特點：1.更為靜的靜油壓傳動：正常工作過程中油液只存在泄漏引起的流動，傳統(tǒng)泵中的摩擦副相對運動速度大為減小，因而傳動效率較油壓傳動和液力傳動都要更高；2.傳動轉(zhuǎn)速范圍更寬：可實現(xiàn)高低速大范圍內(nèi)的高效率傳動；3.功率重量比和效率較傳統(tǒng)靜油壓傳動更高：只存在高壓力下的泄漏損失和極小的機械損失，結(jié)構(gòu)更為緊湊；4.啟動力矩任意可調(diào)：將溢流閥更換為電比例溢流閥，可實現(xiàn)任意函數(shù)方式加載。
圖5 靜油壓耦合傳動原理驗證
2）新型靜油壓變矩傳動原理與探索
在靜油壓耦合傳動原理的基礎(chǔ)上，以變轉(zhuǎn)速傳動的需求為背景，經(jīng)過進一步的思考，我們提出了靜油壓變矩傳動原理，如圖6所示。其結(jié)構(gòu)上主要由輸入軸1和泵5組成的柱塞泵耦合組件與變量斜盤3和馬達柱塞6組成的變量馬達組件及轉(zhuǎn)子7高度集成而成；功能上是柱塞式靜油壓耦合器與變量馬達的有機集成，即輸出力矩為耦合器輸出力矩疊加變量馬達輸出力矩，轉(zhuǎn)速比為輸入輸出力矩之比。新型靜油壓變矩原理除具有耦合傳動的優(yōu)點外，還具有另外特點：1.泵/馬達轉(zhuǎn)子高度集成；2.壓力感知自動變量調(diào)節(jié)；3.控制方式靈活方便。
圖6 新型靜油壓變矩原理結(jié)構(gòu)圖
新型靜油壓傳動原理結(jié)構(gòu)已經(jīng)于2014年初申請中國國家發(fā)明專利，于2017年初獲得批準。美國明尼蘇達大學于2014年發(fā)表了類似靜油壓變矩傳動研究論文，其采用葉片式耦合與變量徑向柱塞馬達組合實現(xiàn)，并開展了試驗研究，證明了該原理的高效性。
◆電子控制變量柱塞泵研究開發(fā)
