變量機構軸向柱塞泵設計中的應用研究

張 雪

（新鄉職業技術學院，河南 新鄉453000）

變量機構的型式很多，按照控制方式，可分為手動式、機動式、電動式、液動式、電液比例控制式等。按照變量執行機構可分為機械式、液壓伺服機構式、液壓缸式，如圖1所示。按照性能參數還可分為恒功率式、恒壓式、恒流量式等。

圖1 變量執行機構

以上各種型式的變量機構常常組合使用。例如，圖1（a)所示，手動變量機構采用杠桿或采用手輪轉動絲杠，帶動斜盤改變傾斜角，如果用可逆電機旋轉絲杠可實現電動變量。圖1（b）所示，在伺服閥C端用手輪或杠桿輸入一位移量，稱手動伺服變量式；若以電機或液壓裝置輸入位移量時，則稱電動或液動伺服變量式；如果輸入的控制信號量使得泵輸出的功率為常值，則構成了壓力補償變量式。再如圖1（c）中，用帶有電磁閥的外液壓源控制，可成為遠程液控變量式；如果用伺服閥控制變量缸，并使泵出口壓力為恒值，可成為恒壓變量型式。

由此可知，變量的型式是多種多樣的，下面介紹其中最常用的變量機構。

1 手動變量機構

手動變量機構是一種最簡單的變量機構，適用于不經常變量的液壓系統。變量時用手輪轉動絲杠旋轉，絲杠上的螺母直線運動帶動斜盤改變傾斜角實現變量。手動變量機構原理圖及變量特性如圖2所示。

圖2 手動變量機構原理及特征

如圖2中表明手動變量機構可實現雙向變量。流量Q的方向和大小與變量機構行程y成正比。

2 手動伺服變量機構

該機構用機械方式通過伺服閥帶動變量缸改變斜盤傾角實現變量。手動伺服變量機構的原理圖和變量特性如圖3所示。

圖3 手動伺服變量機構

如圖3中伺服變量機構由雙邊控制閥和差動變量缸組成。控制閥的閥套與變量活塞桿相連，變量缸的缸體與泵體相連。當控制閥處于中位時，斜盤穩定在一定的位置上。變量時，若控制閥C端向左移動，油路1和2連通，變量缸A﹑B兩腔都是泵出口壓力。由于B腔面積大于A腔，變量活塞在液壓力作用下向右移動，推動斜盤傾斜角減小，流量隨之減少。與此同時，由于閥套與活塞桿相連，閥套也向右移動逐步關閉油路l和2，于是斜盤穩定在新的位置上。

反之，控制閥向右移動時，油路2和3連通，變量缸B腔與回油路接通，變量活塞在A腔液壓力作用下向左移動，使斜盤傾角增大，流量也增大。同理，由于控制閥閥套的反饋移動，使斜盤穩定在新的位置。

這種利用機械位置反饋的伺服變量機構減少了變量控制力，大大提高了變量的性能和精度。變量信號輸入可以是手動，也可以是電動。如用外液壓源可實現遠程無級變量。因此，這種變量型式廣泛用于頻繁變速的行走車輛、工程機械、機床等許多液壓系統中。

3 恒功率變量機構

恒功率變量機構是根據泵出口壓力調節輸出流量，使泵輸出流量與壓力的乘積近似保持不變，即原動機輸出功率大致保持恒定。變量機構原理如圖3所示。

如圖3中恒功率變量機構仍由雙邊控制閥和差動變量缸組成。與手動伺服變量機構不同的是控制閥C端由彈簧預壓調定，D端用控制油路接通泵出口管路。利用液壓力與彈簧力平衡的關系控制變量活塞，改變斜盤傾角。工作原理與手動伺服變量機構類似。

為使泵功率為一恒值，理論上，泵出口壓力與輸出流量應保持雙曲線關系，如圖4所示。但是，實際泵的變量機構都是采用彈簧來控制的。因此，只能用一段折線(一根彈簧)或二段折錢(二根彈簧)來近似替代雙曲線。圖3（a）所示的變量特性就是采用內外雙彈簧和機械限位裝置控制的恒功率變量特性。

圖4 恒功率理論變量特征曲線

泵開始工作時，控制閥D端的液壓力不足以克服外彈簧預緊力，斜盤傾角最大，流量也最大，變量特性為水平線。當泵出口壓力上升到如圖4所示值時，控制閥D端按壓力大于C端彈簧預緊力，閥芯向左移動，控制變量活塞向右推動斜盤減小傾角，流量隨之減少，變量特性為折線。線的斜率取決于外彈簧的則度。當泵壓力繼續升高到如圖4所示值時，內彈簧也參與工作。由于內外彈簧的合成剛度更大，變量特性為折線，線的斜率取決于內外彈簧的合成剛度。隨著出口壓力繼續升高，閥芯碰到限位裝置，則輸出流星也不再減少，變量特性為折線。

特性曲線中各折點位置可以通過調整彈簧預緊力和限位裝置來改變，折線的斜率取決于彈簧剛度。

恒功率變量是常用的變量型式之一，能充分發揮原動機的功率效能，并使液壓設備體積小、重量輕。常用于壓力經常變化的壓力機、重型設備、工程機械等液壓系統中。

4 恒流量變量機構

恒流量變量機構是根據裝于泵出口主油路中的節流閥兩側的壓力差調節輸出流量，保持流量為一恒值。變量機構原理及變量特性如圖5所示。

圖5 恒流量變量機構原理及特征

圖5中恒流量變量機構由帶有節流閥的雙邊控制閥(恒流量閥)和差動變量缸組成。控制閥C端預壓彈簧調定后，節流閥兩側壓力差在控制閥閥芯上產生的液壓力與彈簧力相平衡，閥芯處于中垃，斜盤傾角固定在某一角度，泵輸出流量為調定值。

當泵轉速增加時，輸出流量也相應增加。由于節流器面積不變，則節流器兩端壓力差增大，推動控制閥閥芯左移，帶動變量活塞左移，斜盤傾角減小，流量城少，直至恢復到調定值。此時，閥芯上液壓力與彈簧力重新平衡閥芯處于中位，斜盤傾角穩定，泵輸出流量為恒定值。反之，當泵轉速減小后，輸出流量減少。類似的分析可知，斜盤傾角會增加，流量也隨之增加，仍保持為一恒定值。

圖5（b）為變量特性曲線。為保持調定流量的最低穩定轉速。從圖5中可以看出，從以上，泵輸出流量不隨轉速變化而改變，始終保持恒定值。

恒流量變量泵用于對液壓執行機構要求速度恒定的設備中，例如機床、運輸機械等液壓系統。但是恒流量變量泵恒定流星的精度不高，誤差較大，這也限制了它的應用。