對(duì)柱塞泵的重新認(rèn)識(shí)和課堂教學(xué)
油壓控制技術(shù)現(xiàn)階段遭遇的考驗(yàn)和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)階段油壓控制技術(shù)遭遇著嚴(yán)峻考驗(yàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.系統(tǒng)的傳動(dòng)效率：眾所周知油壓傳動(dòng)效率較低，在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的壓力下，油壓傳動(dòng)因?yàn)樾实脑蛲顺隽瞬簧偈袌?chǎng)；2.油壓傳動(dòng)的可靠性：因?yàn)橛鸵何廴净蚰Σ粮蹦p等因素，油壓傳動(dòng)的故障概率較機(jī)械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)要高，因此也限制了油壓傳動(dòng)更廣泛的應(yīng)用；3.油壓傳動(dòng)的信息化：由于油壓傳動(dòng)的非線性特性及內(nèi)部多物理場(chǎng)耦合的特征，很難對(duì)油壓系統(tǒng)進(jìn)行全面的信息化提取，限制了油壓傳動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用之間的差距較大，導(dǎo)致企業(yè)更多地轉(zhuǎn)向國(guó)外產(chǎn)品的仿造開發(fā)；3.工況試驗(yàn)無(wú)路徑性，企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品與主機(jī)的需求存在較大的差距；4.正向設(shè)計(jì)開發(fā)能力不足，行業(yè)整體處于仿造消化階段，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能水平跟國(guó)外產(chǎn)品仍存在較大差距。
為了適應(yīng)今后油壓控制技術(shù)的行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，柱塞泵行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)主要是：1.更高的工作壓力和轉(zhuǎn)速；2.更快的變量反應(yīng)時(shí)間；3.變量控制的電子化；4.泵的智能化和信息化。
油壓傳動(dòng)要獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，柱塞泵控制技術(shù)需在如下方面進(jìn)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(jìn)一步提高工作壓力以提升功率密度；3.油壓傳動(dòng)的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)，進(jìn)一步縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，增強(qiáng)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(gè)油壓從業(yè)人員的深思。
柱塞泵領(lǐng)域的一些工作
長(zhǎng)期以來(lái)，我校在老前輩王明智老師的引領(lǐng)下，我們堅(jiān)持了高性能油壓元件的研究開發(fā)工作，在一些領(lǐng)域進(jìn)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(jì)理論和方法：轉(zhuǎn)子-配流軸提出并課堂教學(xué)了過平衡壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論和方法、在連桿-定子摩擦副采用準(zhǔn)靜壓平衡設(shè)計(jì)方法、柱塞-連桿摩擦副采用接觸彈流潤(rùn)滑理論設(shè)計(jì)方法，解決了高速滑動(dòng)摩擦副的摩擦磨損和可靠性問題，工業(yè)試驗(yàn)11000小時(shí)后關(guān)鍵摩擦副磨損量?jī)H3微米；
2.直接檢測(cè)式負(fù)載敏感控制控制技術(shù)：利用壓力直接檢測(cè)方案實(shí)現(xiàn)徑向柱塞泵的負(fù)載敏感控制，使得變量泵的輸出能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的流量適應(yīng)和壓力適應(yīng)控制過程，并獲得更好的控制精度和動(dòng)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(jì)：在動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合摩擦副設(shè)計(jì)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(yùn)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(diǎn)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?cè)贘BP徑向柱塞泵控制技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)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(jì)等方法，成功研制開發(fā)了本產(chǎn)品。在滿足性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品效率指標(biāo)較國(guó)外產(chǎn)品提升5%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
◆雙向旋轉(zhuǎn)斜盤軸向柱塞泵
針對(duì)徑向泵存在的體積較大，功率重量比較小的缺點(diǎn)，以伺服節(jié)能應(yīng)用為目標(biāo)，獨(dú)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(dòng)不平衡狀態(tài)，存在公差累積的效應(yīng)，使得加工工藝相對(duì)較為苛刻；2.柱塞離心力的影響：在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)，整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小；2.配流軸高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)油液形成離心效應(yīng)，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(qiáng)，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(jì)，可適應(yīng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)雙向供油。我們開發(fā)制造了原理樣機(jī)，初步試驗(yàn)表明，其制造工藝簡(jiǎn)單，零件數(shù)量較少，吸油特性大為改善，現(xiàn)階段正進(jìn)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(dòng)控制技術(shù)研究開發(fā)
現(xiàn)階段采用的油壓傳動(dòng)控制技術(shù)一般由動(dòng)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(dòng)將壓力能在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行傳遞完成工作，其工作可靠性、效率和成本相對(duì)較高。如何進(jìn)一步提高油壓傳動(dòng)的效率，提升功率密度進(jìn)而提升性能成為現(xiàn)階段油壓傳動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。基于上述背景，結(jié)合某工程應(yīng)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(guó)內(nèi)首次提出了新型靜油壓傳動(dòng)原理，并進(jìn)行了初步的探索。
1）新型靜油壓耦合傳動(dòng)原理與探索
機(jī)械傳動(dòng)中存在超載保護(hù)、空載啟動(dòng)與負(fù)載沖擊保護(hù)的需求，液力傳動(dòng)是現(xiàn)階段采用的常用方案，傳統(tǒng)油壓傳動(dòng)也可方便實(shí)現(xiàn)上述功能，但存在系統(tǒng)組成復(fù)雜和成本高的缺陷。
基于上述背景需求和我們對(duì)油壓泵的輸入理解分析，我們提出了靜油壓耦合驅(qū)動(dòng)原理，如圖4所示。現(xiàn)階段的油壓泵中，驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)組件輸出高壓油液，同時(shí)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。基于上述理解，我們?cè)跉んw設(shè)置輸出軸并懸置，不再固定，同時(shí)在泵的出口到進(jìn)口之間設(shè)置溢流閥、管路防爆閥和蓄能器，實(shí)現(xiàn)了靜油壓耦合傳動(dòng)的特性。在動(dòng)力傳遞過程中，泵體油液輸出口由于負(fù)載會(huì)形成一定的壓力進(jìn)而產(chǎn)生扭矩作用于殼體，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，當(dāng)負(fù)載較大，產(chǎn)生壓力大于溢流閥設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥打開并溢流，此時(shí)泵轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而殼體則想當(dāng)于被固定而停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了超載保護(hù)的功能；利用管路防爆閥可實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)，利用蓄能器可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載沖擊的吸收。
圖4 靜油壓耦合傳動(dòng)原理
基于上述原理分析，我們進(jìn)行了葉片式靜油壓耦合器原理驗(yàn)證。圖5為所開發(fā)的原理樣機(jī)、試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)曲線。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，證明了該傳動(dòng)原理的正確性和可行性。從特性分析看，該傳動(dòng)方式有如下特點(diǎn)：1.更為靜的靜油壓傳動(dòng)：正常工作過程中油液只存在泄漏引起的流動(dòng)，傳統(tǒng)泵中的摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大為減小，因而傳動(dòng)效率較油壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)都要更高；2.傳動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍更寬：可實(shí)現(xiàn)高低速大范圍內(nèi)的高效率傳動(dòng)；3.功率重量比和效率較傳統(tǒng)靜油壓傳動(dòng)更高：只存在高壓力下的泄漏損失和極小的機(jī)械損失，結(jié)構(gòu)更為緊湊；4.啟動(dòng)力矩任意可調(diào)：將溢流閥更換為電比例溢流閥，可實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)方式加載。
圖5 靜油壓耦合傳動(dòng)原理驗(yàn)證
2）新型靜油壓變矩傳動(dòng)原理與探索
在靜油壓耦合傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，以變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)的需求為背景，經(jīng)過進(jìn)一步的思考，我們提出了靜油壓變矩傳動(dòng)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(dá)柱塞6組成的變量馬達(dá)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(dá)的有機(jī)集成，即輸出力矩為耦合器輸出力矩疊加變量馬達(dá)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(dòng)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有另外特點(diǎn)：1.泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)子高度集成；2.壓力感知自動(dòng)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(dòng)原理結(jié)構(gòu)已經(jīng)于2014年初申請(qǐng)中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利，于2017年初獲得批準(zhǔn)。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)于2014年發(fā)表了類似靜油壓變矩傳動(dòng)研究論文，其采用葉片式耦合與變量徑向柱塞馬達(dá)組合實(shí)現(xiàn)，并開展了試驗(yàn)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)
