【正文】 如荷蘭 Innas 公司開發(fā)的 Float Cup 結構軸向柱塞泵，丹麥的 SaurDanfoss 公司為工程機械量身定做的 H1 系列的多功能泵，德國 Rexroth 公司推出的電子智能泵等等。而我國自 20 世紀六、七十年代開發(fā)了 CY 系列和引進 Rexroth 技術的泵 /馬達后，軸向柱塞泵 /馬達技術進展緩慢。近年來，隨著我國經(jīng)濟的騰飛，在工業(yè)現(xiàn)代化和大規(guī)模城市化進程中，工程機械、塑料機械、冶金、機床和農(nóng)業(yè)機械等領域對軸向柱塞泵 /馬達的需求十分旺盛，因此提高我國軸向柱塞泵 /馬達的性 能顯得十分迫切，對軸向柱塞泵 /馬達技術革新的要求也十分緊迫！縱覽國內(nèi)外軸向柱塞泵 /馬達技術的發(fā)展演變對認識軸向柱塞泵/馬達的發(fā)展趨勢和加快我國軸向柱塞泵 /馬達技術的發(fā)展都有著重要的指導意義和現(xiàn)實意義。 軸向柱塞泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向 對軸向柱塞泵的研究可謂歷史悠久，其中為了改善軸向柱塞泵流量脈動，減小振動和噪聲，國內(nèi)外液壓界科技工作者作了大量的研究和實驗工作，研究表明：軸向柱塞泵的實際流量受到各種因數(shù)的影響，其流量脈動遠遠大于理論流量脈動，且脈動系數(shù)與柱塞數(shù)的奇偶性無關。 就軸向柱塞泵柱塞數(shù)的奇偶 選擇問題，中國學者王意在 1982年提出了“偶數(shù)泵可以和奇數(shù)泵工作一樣好”的觀點，并在 1984年，選擇九柱塞泵與他設計的八柱塞泵進行流量脈動對比測試，實驗表明：八柱塞泵略小于九柱塞泵。 1985年，德國 Achen大學流體動力研究所從理論上得出：八柱塞泵在受力、噪聲方面優(yōu)于九柱塞泵，模擬實驗裝置上測得結果是八樁塞泵的壓力脈動約為九柱塞泵的 122％。葉敏則考慮配油盤的偏轉安裝，并對傳統(tǒng)公式進行了修正，已看不出奇數(shù)泵的流量脈動遠遠小于偶數(shù)泵。在“流體控制與機器人” 96學術年會上，北京理工大學的張百海教授就通常工況下， 帶有預壓縮角的軸向柱塞泵流量脈動作了分析，認為其流量脈動系數(shù)遠遠大于其固有流量脈動系數(shù)，且 2 偶數(shù)泵和奇數(shù)泵具有相同的流量脈動頻率，但他沒有給出實驗證明。鄒駿則在九柱塞泵的基礎上，設計并制造出一個八柱塞泵，對八、九柱塞泵作了仿真分析及實驗對比，認為八柱塞泵的總體性能優(yōu)于九柱塞泵。此外，北京航空航天大學的王占林教授與博士生從柱塞泵的計算機輔助設計入手，對斜盤式軸向柱塞泵作了運動學分析，給出了柱塞分別處于預升壓過渡區(qū)和預減壓過渡區(qū)柱塞腔中油液的壓力分布及求解方法，對柱塞泵作了流量仿真分析，得出奇偶數(shù)柱塞泵的流量脈動 相差無幾的結論。 目前，國內(nèi)對軸向柱塞泵的實際流量及脈動系數(shù)研究較多的是甘肅工業(yè)大學的那成烈教授和安徽理工大學的許賢良教授，他們以各自不同的角度對軸向柱塞泵的實際流量及脈動系數(shù)進行了較深入的研究。 那成烈教授在國家自然科學基金資助項目“軸向柱塞泵噪聲控制”的研究中，指出軸向柱塞泵流量脈動不僅決定于供油質量，也是流體噪聲控制的主要因素之一。他主要從配油盤的結構上對流量脈動進行了全面的分析研究。他的多位學生在他的指導下，對軸向柱塞泵的實際流量及脈動系數(shù)做了大量的研究。 蘭州理工大學的那焱青針對軸向柱塞泵的流量脈 動是工程噪聲控制的主要因素之一，找出了軸向柱塞泵瞬時流量的影響因素，并運用計算機仿真分析給出了減小流量不均勻系數(shù)的方法。 西南交通大學的鄧斌在配油過程流量仿真中，對瞬時理論流量和倒灌流量分別進行了仿真，提出了倒罐流量引起的流量脈動比柱塞泵的幾何流量脈動大，因此對于柱塞水壓泵的流量脈動應從減小倒灌流量入手，即減小柱塞腔內(nèi)壓力的脈動。在對實際流量進行分析仿真時，利用 b— ? 紊流模型和 SIMPLEST算法對水壓軸向柱塞泵配油過程中的流場進行了三維模擬，揭示了流量變 化及柱塞腔和配流窗口中的流速分布規(guī)律，并指出轉速和負載壓力對水壓軸向柱塞泵的流量脈動有較大影響。 甘肅工業(yè)大學的劉淑蓮通過對對稱偏轉配油盤的軸向柱塞泵流量脈動形成機理進行理論分析，提出了計算流量脈動的修正公式。并用計算機仿真研究軸向柱塞裂流量脈動與柱塞奇偶數(shù)、阻尼形式及通油比例等影響因素的關系。同時對帶有橫向傾角減振機構的斜盤酌兩種結構形式的泵流量進行了分析與仿真。 蘭州理工大學的尹文波主要從幾何因數(shù)，即配油盤的結構對實際流量的影響進行分析和仿真，指出軸向柱塞泵瞬時流量脈動系數(shù)比工作介質不可壓縮時大一個數(shù)量 級，且與柱塞數(shù)的奇偶性無關。同時指出流量脈動系數(shù)最大的影響因素是油液的彈性模量和油泵靜工作壓力，其次是柱塞數(shù)。 安徽理工大學的許賢良教授從幾何角度分析了配流結構與流量脈動之間的關系，提出了偶數(shù)柱塞的流量特性及流量脈動是由 ? (兩相鄰柱塞間夾角 )、 f? ， (缸孔腰形角）、p? （配油 盤腰形角 )的組合確定的。他的學生，安徽理工大學劉小華對影響軸向柱塞泵的幾何因素和非 幾何因素 (包括泄漏 )進行了理論分析，同時對實際流量脈動進行了計算 3 仿真和動態(tài)測試，最后得出結論：流量脈動劇烈，且流量脈動頻率只與柱塞數(shù)有關，與奇偶性無關。中國礦業(yè)大學的劉利國則考慮配油盤實際幾何參數(shù)，根據(jù)柱塞實際排液狀況，得出八柱塞泵流量脈動和七柱塞泵流量脈動相差不大的結論。 就軸向柱塞泵的泄漏問題，國外的研究者更感興趣于柱塞和缸體間因摩損而引起的泄漏。英國密蘇里大學哥倫比亞分校的 Noah ，著重考慮了柱塞和缸體間各種磨損所帶來的泄漏及泵在預升壓過渡區(qū)的油液倒灌，得到了七 、八、九柱塞泵的實際流量與理論流量的比較圖，結果顯示：泵的實際流量脈動遠遠大于理論脈動，且偶數(shù)泵在數(shù)據(jù)顯示上好于奇數(shù)泵。 加拿大薩省大學的李澤良在研究軸向柱塞泵中柱塞與缸體間的泄漏時，用一個壓力控制伺服閥以一個高頻率響應用來模擬軸向柱塞泵的柱塞與缸體間的磨損，并采用控制運算法模仿各種不同程度的柱塞磨損，測出其泄漏量。實驗結果指出實驗系統(tǒng)與有真正磨損的柱塞泵相比，其流壁脈動、壓力脈動相當一致，這就為進一步的深入研究提供了一定的數(shù)據(jù)依據(jù)。 德國漢堡技術大學的 RolfLasaar分別從柱塞受力角度和泵的實際流量角 度對斜盤式軸向柱塞泵柱塞與缸體的間隙進行了較為詳盡的分析，從柱塞所受摩擦力角度：要求間隙取大者；從泄漏量對流壁的影響角度：要求間隙越小越好。作者通過計算和實驗，得到了此間隙的最優(yōu)化處理模式。 綜上所述，軸向柱塞泵的實際流量脈動異常復雜，傳統(tǒng)理論力所難及。由于柱塞泵的流量、壓力脈動相當復雜，涉及若干幾何因素和非幾何因素，至今還沒有人能夠定性地、更沒有人定量地給出哪些幾何因素和非幾何因素在軸向柱塞泵的流量、壓力中所起的作用和地位。業(yè)界更多地偏向于從配油盤結構的角度去分析軸向柱塞泵的實際流量及脈動系數(shù)，而且形成了 較為完善的分析計算體系；至于泄漏對實際流量及脈動系數(shù)的影響，雖進行了一定的研究，但還沒一個較為完整的分析計算，更無計算公式。 軸向柱塞泵在發(fā)展中，基本結構保持了穩(wěn)定，高速高壓以及良好的控制方法是其發(fā)展的方向。 2 直軸式軸向柱塞泵工作原理與性能參數(shù) 直軸式軸向柱塞泵工作原理 軸向柱塞泵是將多個柱塞配置在一個共同缸體的圓周上 ,并使柱塞中心線和缸體中心線平行的一種泵。軸向柱塞泵有兩種形式 ,直軸式 (斜盤式 )和斜軸式 (擺缸式 ),如圖21 所示為直軸式軸向柱塞泵的工作原理 ,這種泵主體由缸體 配油盤 柱塞 3 和斜盤 4 組成。柱塞沿圓周均勻分布在缸體內(nèi)。斜盤軸線與缸體軸線傾斜一角度 ,柱塞靠機械裝置或在低壓油作用下壓緊在斜盤上 (圖中為彈簧 ),配油盤 2和斜盤 4固定不轉 ,當原 4 動機通過傳動軸使缸體轉動時 ,由于斜盤的作用 ,迫使柱塞在缸體內(nèi)作往復運動 ,并通過配油盤的配油窗口進行吸油和壓油。如圖 21 中所示回轉方向 ,當缸體轉角在π～ 2π范圍內(nèi) ,柱塞向外伸出 ,柱塞底部缸孔的密封工作容積增大 ,通過配油盤的吸油窗口吸油 。在 0～π范圍內(nèi) ,柱塞被斜盤推入缸體 ,使缸孔容積減小 ,通過配油盤的壓油窗口壓油。缸體每轉一周 ,每個柱塞各完成吸、壓油一次 ,如改變斜盤傾角 ,就能改變柱塞行程的長度 ,即改變液壓泵的排量 ,改變斜盤傾角方向 ,就能改變吸油和壓油的方向 ,即成為雙向變量泵。 圖 2— 1 軸向柱塞泵的工作原理 1— 缸體 2— 配油盤 3— 柱塞 4— 斜盤 5— 傳動軸 6— 彈簧 直軸式軸向柱塞泵主要性 能參數(shù) 給定設計參數(shù) 最大工作壓力 max 40p ? MPa 額定流量 35Q? ml/r 最大流量 max 70Q ? ml/r 額定轉速 1500n? r/min 最大轉速 max 3000n ? r/min 排量、流量、容積效率與結構參數(shù) 軸向柱塞泵幾何排量 bq 是指缸體旋轉一周，全部柱塞腔所排出油油液的容積，即 22m a x ta n44q d Z S d Z D?? ??? 式中 d—— 柱塞直徑； Z—— 柱塞數(shù)； D—— 柱塞分布圓直徑； ? —— 斜盤傾角。 5 泵的理論排量 q 為 1000vQq n ?? ? 式中： ?? —— 油泵的容積效率 ，計算時一般去 ～ 。本文中取 ?? = 。 1000 351500 ?? ? ? ? /q ml r? 為了避免氣蝕現(xiàn)象，在計算 q 值之后，需按下式做校核計算： 13max pn q C?? 式中： pC —— 常數(shù)，對進口無預壓力的油泵 pC =5400；對進口壓力為 25/kgf cm 的油泵 pC =9100。 133000 2 4 .6 1 4 5 .460 pC? ? ? 所以主參數(shù)排量符合設計要求。 從泵的排量公式 22m a x ta n44q d Z S d Z D?? ???可以看出，柱塞直徑 d ，分布圓直徑 D,柱塞數(shù) Z都是泵的固定結構參數(shù)，并且當原動機確定之后傳動軸轉速 n 也是不變的量。要想改變泵輸出流量的方向和大小，可以通過改變斜盤傾斜角 ? 來實現(xiàn)。 對于直軸式軸向柱塞泵，斜盤最大傾斜角 max? 在 15~20 之間 ， 該設計是非通軸泵，受結構限制，取上限，即 ? =20 。 柱塞數(shù) Z，由泵的結構與流量脈動率 ? 來決定，因為是非通軸式所以一般取 Z=7。 柱塞直徑 d和柱塞分布圓半徑 R 31803 sinqzd ztg??? 當 Z=7時， ? ?330 .0 5 9 0 .0 5 9 2 4 .6 1 .5 820qd cmt g t g? ?? ? ? 由于上式計算出的 mm? 需要圓整化，并按有關標準選取標準直徑，應選 16d mm? 柱塞直徑確定后，應從滿足流量的要求而確定柱塞分部圓半徑。即 4 4 16 24 .64fR d m m? ? ? ? 將柱塞分布圓半徑進行圓整取 25fR mm? 。 排量是液壓泵的主要性能參數(shù)之一，是泵幾何參數(shù)的特征量。相同結構型式的系列泵中，排量越大，做功能力也越大。因此對液壓元件型號命名的標準中明確規(guī)定用排量作為主要參數(shù)來區(qū)別同一系列不同規(guī)格型號的產(chǎn)品。 222?? 扭 矩與機械效率 6 不計摩擦損失時泵的理論扭矩 tbM 為 ? ?6 61 2 0 . 0 2 4 6 1 0 0 . 0 4 7 1 0 /2 2 3 . 1 4btb pqM N m? ??? ? ? ?? 式中 bp 為泵吸、排油腔壓力差。 考慮摩擦損失 bM 時，實際輸出扭矩 gbM 為 ? ?6 6 60 .0 4 7 1 0 0 .0 0 5 1 0 0 .0 4 3 1 0 /g b tb bM M M N m? ? ? ? ? ? ? ? 軸向柱塞泵的摩擦損失主要由缸體底面與配油盤之間、滑靴斜盤平面之 間、柱塞與柱塞腔之間的摩擦副的相對運動以及軸承運動而產(chǎn)生的。泵的機械效率定義為實際輸出扭矩 gbM 與理論扭矩 tbM 之比，即 660 . 0 4 3 1 0 0 . 9 10 . 0 4 7 1 0gbbm tbMM? ?? ? ?? 軸向柱塞泵的機械效率 bm?? ～ 。所以此泵符合設計要求。 功率與效率 不計各種損失時，泵的理論功率 tbN 2tb b tb ghN p Q nM??? ? ?615002 3 . 1 4 0 . 0 4 7 1 0 7 3 7 960tbN k w? ? ? ? ? ? 泵的實際輸入功率 brN 為 12br gb bmN nM? ?? ? ?61 5 0 0 12 3 . 1 4 0 . 0 4 3 1 0 7 4 1 96 0 0 . 9 1brN k w? ? ? ? ? ? ? 定義泵的總效率 ? 為輸出功率 bcN 與輸入功率 brN 之比，即 0 .9 5 0 .9 1 0 .8 6tbv b mbrNN? ? ?? ? ? ? ? 上式表明，泵總效率為容積效率與機械效率之積。對于軸向柱塞泵，總效率一般為 ~ ? ? ，上式滿足要求。 3 直軸式軸向柱塞泵運動學及流量品質分析 泵在一定斜盤傾角下工作時，柱塞一方面與缸體一起旋轉，沿缸體平面做圓周運動，另一方面又相對缸體做往復直線運動。這兩個運動的合成，使柱塞軸線上任何一點的運動軌