軸向柱塞變量泵變量調(diào)節(jié)原理分析*

馬琛俊 ， 胡 德 ， 張廣成

（1.上海電氣液壓氣動(dòng)有限公司，上海 200237；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

在當(dāng)今的工業(yè)發(fā)展中，液壓技術(shù)由于具有功率密度高、控制性能好的特點(diǎn)起到了重要作用。液壓泵作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源有著十分重要的地位。常用的液壓泵有定量液壓泵與變量液壓泵之分，定量泵由于排量無法調(diào)節(jié)，通常結(jié)合溢流閥的調(diào)壓作用作為定壓油源，工作時(shí)無論系統(tǒng)的能量需求怎么變化，定量泵油源都要保持不變的輸出，所以能耗大、效率低。而變量泵在適合的變量調(diào)節(jié)下能夠滿足負(fù)載所需要的壓力流量等，從而可以減少能源損耗，所以對(duì)變量泵的研究是很有必要的。

在變量液壓泵中，泵的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)影響著變量泵的靈敏度、精確度等工作方面的性能，不同的液壓變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果與效率也有著不同的作用。

本文主要介紹了直接排量調(diào)節(jié)控制、壓力調(diào)節(jié)控制、流量調(diào)節(jié)控制以及功率調(diào)節(jié)控制四種變量調(diào)節(jié)方式的基本原理，分別對(duì)泵的輸出參數(shù)排量、壓力、流量和功率進(jìn)行控制[1]。液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況直接影響到機(jī)器的可靠性與產(chǎn)品的性能，一種良好的變量調(diào)節(jié)不僅可以減少系統(tǒng)中的能源消耗，而且可以降低機(jī)器發(fā)生故障的概率，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭力[2]。

1 變量調(diào)節(jié)原理及其適用范圍

現(xiàn)如今，研究與制造變量泵的國內(nèi)外液壓企業(yè)有很多，主要生產(chǎn)廠家有力士樂、丹弗斯、派克、油研和華德等。力士樂生產(chǎn)的變量泵主要有A4VSO系列和A10VSO系列軸向變量泵以及A4VSG系列閉式軸向柱塞變量泵等；丹佛斯生產(chǎn)的變量泵主要有45系列軸向柱塞泵及H1P系列閉式軸向柱塞泵等；派克生產(chǎn)的變量泵主要有C系列的軸向柱塞變量泵等；油研生產(chǎn)的變量泵主要有A3HG系列變量柱塞泵等；華德生產(chǎn)的變量泵主要有A7V系列斜軸式軸向柱塞變量泵等。力士樂A4VSO系列軸向變量泵控制響應(yīng)靈敏、噪聲低、壽命長，可用HF液體工作，但運(yùn)行參數(shù)有所降低，最大排量為1 000 cm3/r，最高工作壓力為40 MPa，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、船用機(jī)械及機(jī)床控制等領(lǐng)域；A10VSO系列軸向變量泵同樣具有控制響應(yīng)時(shí)間短、噪聲低、壽命長等特點(diǎn)，最大排量為180 cm3/r，最高工作壓力為35 MPa；A4VSG系列閉式軸向柱塞泵流量和壓力側(cè)可逆（在中心運(yùn)行），同樣具有噪聲低、壽命長等特點(diǎn)，最大排量為1 000 cm3/r，最高工作壓力為40 MPa。丹佛斯45系列軸向柱塞泵可選擇負(fù)載敏感控制與壓力補(bǔ)償控制，具有可靠性強(qiáng)、壽命長等特點(diǎn)，最大排量為130 cm3/r，最高工作壓力為40 MPa；H1P系列閉式軸向柱塞泵擁有運(yùn)行效率極高、組件放置比較靈活、排量范圍較寬、控制精準(zhǔn)以及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，最大排量為251.7 cm3/r，最高工作壓力為48 MPa。派克C系列軸向柱塞變量泵具有噪聲低、壽命長、操作安靜、工作效率高、液壓控制簡單以及易于維修等特點(diǎn)，最大排量為136 cm3/r，最高工作壓力為45 MPa。油研A3HG系列變量柱塞泵應(yīng)用范圍廣泛，具有壓力補(bǔ)償控制型、恒功率（扭矩）控制型及負(fù)載敏感控制型3種控制形式，其在最高工作壓力工作時(shí)效率高，流量范圍寬廣，最大排量為180.7 cm3/r，最高工作壓力為35 MPa。華德A7V系列斜軸式軸向柱塞變量泵在恒定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下，可以無極變化，擁有高性能的旋轉(zhuǎn)組件及球面配油盤，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中，低周速，高效率，具有使用壽命長、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，最大排量為500 cm3/r，最高工作壓力為40 MPa。本文對(duì)典型變量泵的四種變量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了綜述。

1.1 直接排量調(diào)節(jié)

1.1.1 直接控制-直接位置反饋式排量控制

此方式根據(jù)活塞進(jìn)行定位，與普通變量泵伺服變量方式相似[3]。這種反饋方式可以劃分為兩種，即位移直接反饋與位移-力反饋。直接位置反饋式排量控制泵控制原理圖如圖1所示。

圖1 直接位置反饋式排量控制泵控制原理圖

圖1（a）為位移直接反饋控制原理圖，變量機(jī)構(gòu)中變量活塞通過連桿與先導(dǎo)閥的閥套相連接，先導(dǎo)控制油的壓力作用于變量活塞缸的小腔，此反饋方式初始時(shí)先導(dǎo)閥處于中位，活塞缸的大腔充滿液壓油，活塞處于平衡狀態(tài)，而Fc控制閥芯的位移，進(jìn)而控制泵的排量。設(shè)定x方向?yàn)榕帕吭龃蠓较颉c增大，先導(dǎo)閥閥芯左移，先導(dǎo)閥右位工作，變量活塞大腔中的油液與油箱相連，油液逐漸流入油箱，變量活塞向左移動(dòng)，并且?guī)?dòng)先導(dǎo)閥閥套左移，將先導(dǎo)閥閥口關(guān)閉，之后進(jìn)入一個(gè)新的平衡位置。

圖1（b）為位移-力反饋控制原理圖，此結(jié)構(gòu)在先導(dǎo)閥與反饋杠桿之間安裝一根彈簧，將變量活塞桿的位移轉(zhuǎn)變成力的形式與控制力相比較。彈簧與反饋杠桿相接觸，先導(dǎo)閥的閥口開口的大小由外力決定，閥口流量的積分控制變量活塞位移[4]。變量活塞位移帶動(dòng)反饋杠桿位移，將先導(dǎo)閥閥芯關(guān)閉，此時(shí)變量活塞桿在新的位置平衡。

1.1.2 DG型兩點(diǎn)式直接排量控制

此控制方式是通過外部X口的油液壓力控制斜盤傾角，DG型兩點(diǎn)式直接排量控制原理圖如圖2（a）所示。此變量方式只可以使泵的排量在最小排量Vgmin與最大排量Vgmax之間切換。以德國Rexroth公司的最小控制壓力為5 MPa的A10V系列的泵為例，當(dāng)X口的控制壓力大于5 MPa時(shí)，變量泵處于最小排量Vgmin，當(dāng)X口的控制壓力等于0時(shí)，變量泵處于最大排量Vgmax。

此控制中先導(dǎo)控制壓力與工作壓力具有相關(guān)性，工作壓力提高會(huì)使控制壓力也提高，控制壓力最大要控制在28 MPa以內(nèi)。如圖2（b）所示。

圖2 DG型兩點(diǎn)式直接排量控制

1.1.3 應(yīng)用場(chǎng)合

變排量控制泵可用于多種場(chǎng)合，例如，液壓工程機(jī)械、土方機(jī)械等常使用變排量液壓泵來實(shí)現(xiàn)所期望的工作職能。

1.2 壓力調(diào)節(jié)

由壓力調(diào)節(jié)的變量泵稱為恒壓泵，恒壓泵的出口壓力可以隨系統(tǒng)所需壓力變化而變化。壓力調(diào)節(jié)泵在生活中的應(yīng)用范圍較廣，在調(diào)壓系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。

1.2.1 恒壓控制

恒壓控制所需要壓力油由泵自身提供，因此，恒壓泵屬于自控式變量泵。在恒壓控制中，流量在一定范圍內(nèi)變化，其壓力的變化很小，在系統(tǒng)中可以充當(dāng)一個(gè)穩(wěn)定的壓力源。其控制原理圖如圖3（a）所示，主要由恒壓閥CP進(jìn)行變量泵的變量機(jī)構(gòu)的進(jìn)油控制與回油控制，從而帶動(dòng)變量泵的斜盤傾角角度的改變，從而使變量泵的排量發(fā)生改變。

在圖3（a）中，現(xiàn)假設(shè)恒壓閥CP右邊彈簧的調(diào)定力為pt，pp為變量泵的出口壓力，qp為變量泵的出口流量。當(dāng)出口壓力pp小于恒壓閥CP右腔彈簧調(diào)定預(yù)緊力pt時(shí)，恒壓閥閥芯向左移動(dòng)，閥芯右位工作，變量缸大腔與油箱相連接，壓力最小，變量缸活塞向右移動(dòng)，變量泵的排量達(dá)到最大，即變量泵的出口流量達(dá)到最大，若負(fù)載所需流量qL＜qpmax，即泵的輸出流量超過負(fù)載所需流量，過多的流量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力上升，接著導(dǎo)致變量泵的出口壓力上升[5]。當(dāng)出口壓力pp大于恒壓閥CP右腔彈簧調(diào)定預(yù)緊力pt時(shí)，恒壓閥閥芯向右移動(dòng)，即恒壓閥左位工作，變量缸的大腔和小腔都有油液流入，變量缸大腔的壓力克服小腔的壓力，變量缸活塞向左移動(dòng)，變量泵的排量減小，即泵的出口流量減小，最后變量機(jī)構(gòu)在qp＝qL停止動(dòng)作時(shí)，變量泵出口的壓力也相應(yīng)地減小，最終停止動(dòng)作時(shí)pp＝pt，此時(shí)恒壓閥閥芯關(guān)閉，變量缸活塞不動(dòng)。在變量機(jī)構(gòu)停止變量動(dòng)作之后，變量泵的工作壓力穩(wěn)定在調(diào)定壓力值，改變彈簧的調(diào)定壓力值，可以改變變量泵的工作壓力。由上述恒壓控制原理的描述，可以得到壓力-流量特性曲線，如圖3（b）所示。

圖3 恒壓變量控制

1.2.2 應(yīng)用場(chǎng)合

由壓力調(diào)節(jié)控制的泵稱為壓力調(diào)節(jié)泵，其可以應(yīng)用在以下場(chǎng)合：

1）可以用于節(jié)流調(diào)速回路；

2）可以應(yīng)用在需要保持壓力，但負(fù)載要按其所需流量變化的系統(tǒng)；

3）可以作為電液伺服系統(tǒng)的恒壓源，具有動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)；

4）可以用作液壓系統(tǒng)保壓，保壓時(shí)只補(bǔ)償泵的自身泄漏與系統(tǒng)泄漏；

5）可以應(yīng)用在壓力與流量都需要變化的負(fù)載適應(yīng)系統(tǒng)中。

1.3 流量調(diào)節(jié)

通常，由流量調(diào)節(jié)控制的變量泵稱為恒流量泵，恒流量泵的輸出流量只與輸入的控制信號(hào)有關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)[6]。

1.3.1 傳統(tǒng)壓差控制型流量控制

此控制主要由節(jié)流閥進(jìn)行控制，在泵出口處安裝節(jié)流閥，節(jié)流閥兩端會(huì)存在壓差，壓差與彈簧預(yù)緊力相等，這個(gè)壓差對(duì)控制閥的閥芯左右移動(dòng)具有控制作用，從而控制變量缸活塞的移動(dòng)，導(dǎo)致變量泵的排量改變。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)壓差控制型流量控制原理圖

輸入信號(hào)一定，節(jié)流閥開口大小一定，此時(shí)泵的輸出流量與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)，此時(shí)閥不工作，閥芯處于中位。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一定的干擾時(shí)，如負(fù)載壓力升高，流進(jìn)負(fù)載流量變少，節(jié)流閥壓差變小，控制閥右邊壓力變大，閥芯左移，閥右邊工作，AT口連通，變量缸大腔連接油箱，活塞右移，泵排量增大，直至泵輸出與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)流量相同，這時(shí)閥芯位于中位。若負(fù)載壓力降低，情況相反[7]。

1.3.2 DFR/DFR1型壓力-流量控制

此控制屬于復(fù)合控制，不僅可以進(jìn)行流量控制還可實(shí)現(xiàn)壓力切斷，其控制原理圖如圖5所示。在系統(tǒng)沒有壓力作用時(shí)，變量泵下方的變量缸3內(nèi)的復(fù)位彈簧可以將活塞推至最左端，泵的斜盤調(diào)至最大值，泵的輸出排量最大。變量缸4的活塞內(nèi)徑大于變量缸3，當(dāng)有壓力作用在變量缸4時(shí)，控制壓力會(huì)與彈簧彈力進(jìn)行比較，從而達(dá)到控制變量泵排量的目的。

圖5 DFR/DFR1型壓力-流量控制原理圖

圖中壓力切斷閥2彈簧壓力手動(dòng)調(diào)定，若泵的輸出壓力大于壓力切斷閥2的彈簧力，閥的閥芯右移，閥的左位工作，變量缸4活塞會(huì)進(jìn)行左移，變量泵的輸出排量達(dá)到最小[8]。原理圖中閥1為流量控制閥，也稱負(fù)載敏感閥，對(duì)流量進(jìn)行控制，通過泵的流量調(diào)節(jié)閥與泵出口處的節(jié)流閥進(jìn)行流量控制。節(jié)流閥兩端存在出口壓力與負(fù)載壓力的壓差，當(dāng)流量控制閥的彈簧預(yù)緊力與節(jié)流閥壓差平衡時(shí)，泵輸出流量與負(fù)載所需流量相適應(yīng)。其中流量控制閥左邊由泵出口壓力進(jìn)行作用，流量控制閥右邊由負(fù)載壓力進(jìn)行作用，流量控制閥的彈簧預(yù)緊力在出廠時(shí)已設(shè)定完成[9]。節(jié)流閥的開口一定，若其壓差保持一定，則表示泵的輸出流量與輸入閥口開度信號(hào)相對(duì)應(yīng)。若節(jié)流閥的兩端壓差變動(dòng)，如負(fù)載壓力增大，泵的輸出流量小于輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)值，變量缸4大腔與油箱接通，活塞右移，泵排量增大[10]，使其輸入到負(fù)載的流量達(dá)到期望值，泵提供維持節(jié)流閥兩端壓差的流量，這里壓力切斷閥優(yōu)先于流量控制閥。流量控制閥1右側(cè)的阻尼應(yīng)用在DFR1控制中。

1.3.3 應(yīng)用場(chǎng)合

恒流量泵在實(shí)驗(yàn)、化工、環(huán)保、科教等場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。恒流量泵輸出流量較為穩(wěn)定，泵耐用，且輸送物質(zhì)不與外部接觸，可以有效防止污染?？梢晕⒘枯斔?，用于小型罐裝機(jī)械。

1.4 功率調(diào)節(jié)

功率調(diào)節(jié)的泵稱為恒功率泵，即泵在負(fù)載壓力與流量作用下輸出功率一定。功率的公式為壓力乘流量，恒功率泵可以滿足負(fù)載所需的壓力以及流量，這樣的系統(tǒng)能耗可以控制在一定限度內(nèi)，使系統(tǒng)的能耗最低。

1.4.1 A8VO恒功率控制

A8VO變量泵的控制方式為雙彈簧力-位移反饋控制，其控制原理如圖6（a）所示，其特性曲線如圖6（b）所示。

圖6 雙彈簧力-位移反饋控制

由圖6（a）可知，此控制方式由三根彈簧k1、k2、k3來進(jìn)行控制，彈簧k1、k2為變量彈簧，而彈簧k3調(diào)節(jié)變量泵恒功率值。當(dāng)閥芯向右移動(dòng)時(shí)，最先使彈簧k1壓縮，在經(jīng)過一個(gè)x0的距離后才開始?jí)嚎s彈簧k2。由控制特性曲線可知，途中兩條線的控制起點(diǎn)不一致，而控制彈簧k3的起始?jí)嚎s程度便可以在兩條近似雙曲線的線間得到不同控制特性。

當(dāng)變量泵在起始狀態(tài)下，泵的排量處于最大值。若泵的出口壓力始終小于彈簧k1的預(yù)調(diào)節(jié)壓力，則泵會(huì)一直處于最大排量狀態(tài)，即dc段。當(dāng)泵的出口壓力大于彈簧k1壓力，閥芯會(huì)向右移動(dòng)，閥左位工作，活塞左移，泵排量降低，在變量缸活塞左移過程中會(huì)帶動(dòng)反饋桿向左移，此時(shí)控制閥閥芯向右移，使彈簧k1壓縮，因此cb段斜率取決于彈簧k1。若負(fù)載壓力不斷增大，則泵的出口壓力也繼續(xù)升高，若彈簧k1的壓縮量超過x0，那么彈簧k2開始工作，這時(shí)彈簧k1、k2同時(shí)被壓縮，因此斜率變大，此時(shí)進(jìn)入ba段。若泵的出口壓力繼續(xù)增加，那么泵會(huì)進(jìn)入一個(gè)恒壓狀態(tài)，泵的排量最小，泵處于壓力切斷狀態(tài)。當(dāng)彈簧k1、k2被壓縮，泵排量減小的同時(shí)也會(huì)壓縮彈簧k3，當(dāng)控制閥閥芯的兩端壓力相互平衡時(shí)，泵的輸出流量在該負(fù)載壓力狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定。

1.4.2 應(yīng)用場(chǎng)合

恒功率泵一般用于初始階段低壓快速前進(jìn)，之后慢速靠近，最后停止并保壓的系統(tǒng)中。恒功率泵主要用在工程機(jī)械中只配置一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備上，可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，低壓時(shí)大流量，高壓時(shí)小流量[11]。

2 結(jié)論

本文分別介紹了直接排量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)以及功率調(diào)節(jié)四種不同的調(diào)節(jié)方式，以及四種不同變量調(diào)節(jié)方式所對(duì)應(yīng)的泵的應(yīng)用場(chǎng)合。

直接排量控制泵具有傳輸效率高、傳輸功率大、壽命長、耐高壓等特點(diǎn)，但是其對(duì)工作介質(zhì)的要求較高，并且維護(hù)成本較高。恒壓變量泵具有噪聲低、轉(zhuǎn)速高以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其也存在一些問題，比如在阻尼方面的一些設(shè)計(jì)有某些問題，造成恒壓泵不穩(wěn)定，在小排量保壓時(shí)容易產(chǎn)生振蕩。恒流量變量泵具有流量穩(wěn)定、操作靈敏等優(yōu)點(diǎn)，并且可以與高靈敏度的檢測(cè)器一起使用，但其在大流量工作時(shí)連續(xù)性較差，且在高壓工作下對(duì)活塞與缸之間的密封性要求較高。恒功率控制變量泵不僅可靠性高、噪聲小，而且還具有節(jié)約能源、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其也存在一定的問題，還有很多會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生干擾的因素需要被優(yōu)化。未來，在液壓工程中有著良好發(fā)展前景的是融合電控功能的集成泵，通過電控的方式提升液壓系統(tǒng)的效率，優(yōu)化的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力具有高效性、精確性。