二維(2D)活塞泵原理性驗證研究

阮 健，李進園，金丁燦，申屠勝男，童成偉

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

二維(2D)活塞泵原理性驗證研究

阮 健，李進園，金丁燦，申屠勝男，童成偉

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

介紹了二維(2D)活塞泵的結構和工作原理，該泵利用活塞雙自由度的運動原理(轉動的同時能夠軸向移動)來實現吸排油功能，并根據其工作原理給出了該泵的理論流量計算公式.為了驗證二維(2D)活塞泵原理的可行性和初步測試該泵的容積效率，搭建了試驗平臺，設計了空載流量特性試驗和負載壓力流量特性試驗.在空載和負載工況下，該泵都能正常完成吸排油工作.在空載工況下，隨著轉速升高實際流量呈線性增長，與理論流量接近.在負載工況下，隨著壓力升高，流量減小.通過試驗驗證了二維(2D)活塞泵的原理可行，容積效率在空載時較高，在負載時隨壓力增大有所下降.

二維(2D)活塞泵；原理驗證；空載流量特性；壓力流量特性

液壓泵作為液壓系統中的動力元件，其功能是將系統的機械能轉換為液壓能，為液壓系統提供壓力油液.若以1905年軸向柱塞泵的出現以及首次將液壓油作為介質為開端，液壓泵的發展歷史已經超過了100年[1].現在普遍應用到工業各領域部門和行走機械的液壓泵主要結構形式有齒輪泵、柱塞泵、葉片泵和螺桿泵[2].液壓泵作為能源動力元件對液壓系統性能、效率及應用領域等都起到了決定性的影響作用，特別是軸向柱塞泵，作為液壓泵的典型代表，具有高壓、高速和大流量的特點，契合液壓功率密度大的發展和應用要求，作為現代液壓技術的標志，自上個世紀初誕生以來，一直是人們關注和研究的熱點[3].

傳統柱塞泵的內部構造復雜，相對運動的零件也較多，對材料、加工精度要求較高，對油液的污染敏感，加工、維護的成本和要求較高，價格昂貴；需要額外獨立的配流機構，如單向閥等進行配流；泵結構中摩擦副較多，使得泵的零件磨損和發熱嚴重.種種限制因素使柱塞泵在發展中的基本結構并未發生突破性的變化[4-5].本課題設計提出了一種新型結構的液壓泵，利用活塞雙自由度的運動原理[6](轉動的同時能夠軸向移動)來實現吸排油功能，因其在工作時有兩個維度上的運動，故其命名為二維(2D)活塞泵.雙自由度運動原理最早用于2D閥的閥芯設計[7]，如今運用在泵的活塞設計上，形成了一種新型的配流方式.二維(2D)活塞泵與傳統液壓泵相比較，具有結構簡單、體積小、重量輕、摩擦副少和響應快的優點，因此設計研究二維(2D)活塞泵具有重要的理論價值和實際意義.

1 二維(2D)活塞泵的結構

1.1 二維(2D)活塞泵的組成

二維(2D)活塞泵結構可分為兩大模塊：泵體模塊和電機模塊.泵體與電機通過機械連接，兩個模塊之間可以獨立安裝和拆卸，這里重點介紹泵體部分.

泵體又分為泵殼、泵芯和二維聯軸節三部分，其組成如圖1所示.泵殼上開有進出油口，泵殼內部分布有進出油流道，流道通過缸體上的吸、排油油槽和吸、排油窗口與缸體內部腔體相連通.電機與二維聯軸節相連帶動十字滾輪軸組件、活塞和一字滾輪軸組件轉動，同時在左右兩個端面凸輪導軌的作用下，迫使十字滾輪組和一字滾輪組帶著活塞一起做軸向的往復運動，從而實現吸排油功能.

1—左端蓋；2—泵殼；3—滾輪罩；4—一字滾輪軸組件；5—左端面凸輪導軌；6—缸體；7—活塞；8—右端面凸輪導軌；9—十字滾輪軸組件；10—二維聯軸節；11—右端蓋圖1 二維(2D)活塞泵組成Fig.1 Components of the two-dimensional (2D) piston pump

1.2 泵芯結構

泵芯是整個二維(2D)液壓活塞泵的最主要功能構件，泵芯實物如圖2所示，泵芯的結構及參數設計直接影響二維(2D)液壓活塞泵的整體參數性能.

圖2 泵芯實物圖Fig.2 The photo of pump core

二維(2D)液壓活塞泵泵芯結構如圖3所示，活塞安裝在缸體內部，凸輪導軌安裝在缸體兩側，凸輪導軌形狀相同，安裝位置相互錯開90°，即一端導軌的最高點和另一端導軌的最低點在軸向方向相對應.缸體的兩端分別裝有與活塞配磨的同心環.缸體、活塞、同心環構成了左右兩個密閉的容腔.左端的一字滾輪組件和右端的十字滾輪組件分別固連于活塞的兩端，十字滾輪組件上的一組小滾輪用于傳動機電的扭矩，起到傳遞扭矩的作用.連接在活塞兩端的滾輪在電機的帶動下，會沿著凸輪導軌滾動，從而促使活塞連續的做往復運動.隨著活塞連續做往復運動，兩個吸排油腔容積隨之有規律的變化，從而完成吸排油工作.

1—滾輪；2—端面凸輪導軌；3—缸體；4—左腔； 5—活塞；6—同心環；7—右腔圖3 泵芯內部結構Fig.3 Inner structure of pump core

活塞結構如圖4所示，活塞有一個臺肩，活塞臺肩上開有呈圓周均勻分布的4個矩形溝槽，稱為配流槽，其槽口位置相互交錯，相互對稱的兩個槽口方向相同，為一組，即有兩組.

圖4 活塞Fig.4 Structure of the piston

同時，在缸體上圓周均勻分布著與活塞臺肩上的配流槽相對應的4個窗口，此外還有兩條環形溝槽，如圖5所示.4個窗口相互對稱的兩個為一組，即有兩組窗口，一組稱為吸油窗口，另一組稱為排油窗口.兩條環形溝槽中一條環形溝槽將兩個吸油窗口相互溝通，稱為吸油槽，另一條環形溝槽將兩個排油窗口相互溝通，稱為排油槽.缸體這兩組窗口和活塞上的兩組配流槽相互配合，在泵工作時起到配流作用.缸體緊壓在泵殼內，缸體上的環形溝槽與泵殼內的流道相通，構成吸、排油油路.

1—吸油窗口；2—吸油槽；3—缸排油窗口；4—排油槽圖5 缸體Fig.5 Structure of the cylinder block

1.3 結構優點

傳統的活塞泵(包括柱塞泵，柱塞可以看成活塞的一種結構形式)一般通過活塞的往復運動形成周期變化工作容腔獲得吸排油的功能，并通過獨立設計的配流機構完成工作容腔吸排油的切換[8].二維(2D)活塞泵在工作過程中活塞除作往復運動完成吸排油外，活塞還在缸體內作旋轉運動，該旋轉被應用于實現配流功能，省去了獨立的配流機構，故其零件數量少、體積小和重量輕.

二維(2D)活塞泵最大的機械損失在滾輪與導軌之間的滾動摩擦，而滾動摩擦的損失與滑動摩擦相比來說要小得多，因此其機械效率很高；而泄漏僅存在活塞與缸體及同心環之間的間隙泄漏，因此2D活塞泵的容積效率很高.此外，二維(2D)活塞泵還有振動噪聲小、壓力脈動小及能夠適應高速化等優點.

2 工作原理

二維(2D)液壓活塞泵的工作原理如圖6所示.泵芯在圖6(a)所示位置時，活塞上的配流槽與缸體的吸排口是不溝通的.當泵芯開始在電機帶動下旋轉時，活塞從軸向方向從右往左看做逆時針運動.滾輪此刻沿著凸輪導軌在活塞軸向方向往左運動，同時帶動活塞也往左運動，如圖6(b)所示，此時缸體右腔容積逐漸增大，形成負壓，活塞上和右腔貫通的配流槽與缸體上的吸油口溝通，右腔開始通過吸油油路從油箱中吸油，隨著缸體上配流通道與溝槽的溝通面積逐漸增大，吸油量逐漸增多；同時，缸體的左腔容積逐漸減小，腔內壓力升高，活塞上和左腔貫通的配流槽與缸體上的排油口溝通，左腔將腔內油液通過排油油路排出，隨著缸體上配流通道與溝槽的溝通面積逐漸增大，排油量也逐漸增多.

當旋轉到如圖6(c)所示位置，活塞到達最左位，活塞上的配流槽與缸體的吸、排油口都不溝通，此時，右腔吸油結束，左腔排油結束.若滾輪繼續沿著凸輪導軌滾動，則滾輪開始沿著端面凸輪在軸向方向往右運動，同時帶動活塞也往右運動.此時，缸體的左右腔容積變化情況與之前情況恰恰相反，右腔容積由最大逐漸變小，活塞上和右腔貫通的配流槽此時也變成與缸體的排油口溝通，右腔進行排油動作；缸體的左腔容積則由最小逐漸變大，活塞上和左腔貫通的配流槽此時變成與缸體的吸油口溝通，左腔吸油.就這樣，每當左腔排油時右腔吸油，右腔排油時左腔吸油，左、右腔相互交替完成吸排油動作切換，源源不斷的將油箱中的油液泵入系統中.

顯然，滾輪帶著活塞旋轉180°，活塞往復運動1次，左、右腔各完成1次吸油和1次排油.由此可以得出：電機通過聯軸節帶著滾輪和活塞每旋轉1周，活塞往復運動2次，左、右油腔各完成2次吸油和2次排油，對于整個泵芯而言，活塞每旋轉1周，吸油4次，排油4次，可見其具有較高的吸排系數.

圖6 泵芯工作原理Fig.6 Working principle of the pump

3 理論流量

二維(2D)活塞泵理論排量是泵軸每轉1周，活塞、缸體和同心環之間形成的密封容腔的幾何容積改變量.由活塞、缸體和同心環構成的密閉容腔的橫截面是一個環形截面如圖7所示，而二維(2D)活塞泵泵軸每轉1周，活塞往復運動2次，左右兩腔各排油2次，共4次，所以二維(2D)活塞泵的理論排量V是環形截面面積和活塞軸向行程的乘積再乘上系數4，即

(1)

式中：d1為活塞伸出桿直徑；d2為活塞軸徑；S為活塞的行程.

圖7 容腔環形截面示意圖Fig.7 Ring-like section of the chamber

二維(2D)活塞泵的流量即排量與轉速的乘積，即

Q=nV

(2)

式中n為電機轉速.

4 實驗和結果

4.1 原理性驗證試驗臺工作原理

二維(2D)活塞泵樣機制造完成后，為了驗證其原理可行性，需對樣機進行原理性驗證測試.原理性驗證試驗臺系統原理如圖8所示.

由于二維(2D)活塞泵自吸能力較差，剛啟動時采用液壓泵對其進行供油.啟動時，關閉截止閥6打開截止閥3，啟動液壓泵和二維(2D)活塞泵，通過溢流閥調節液壓泵輸出端壓力不大于0.5MPa.此時油液從油箱經液壓泵、截止閥6、二維(2D)活塞泵流經流量計和節流閥回到油箱.通過調節節流閥開口大小可以改變系統油路壓力模擬系統負載.待二維(2D)活塞泵工作穩定后，關閉截止閥6和液壓泵，打開截止閥3，此時油液從油箱經截止閥3，進入二維(2D)活塞泵，再流經流量計和節流閥回到油箱.通過調節無刷電機來控制轉速，二維(2D)活塞泵的出口端的流量和壓力通過流量計和壓力表讀出.

1—油箱；2—液壓泵；3，6—截止閥；4—溢流閥；5，10—壓力表； 7—二維(2D)活塞泵；8—無刷電機；9—流量計；11—節流閥圖8 原理性驗證試驗臺系統原理圖Fig.8 System principle diagram of feasibility verification test bench

4.2 空載流量特性試驗

二維(2D)活塞泵試驗前，先將測試樣機和閥塊安裝于試驗臺上，將閥塊上的節流閥旋轉至最大開啟位置.通過信號發生器啟動無刷電機，試驗樣機泵開始進行泵油工作，通過信號發生器調節脈沖時間的旋鈕逐漸給電機提速，通過測速儀測出電機的實時轉速，并記錄該轉速下流量計讀數，此數值即為泵的實際空載流量.在3kW和7.5kW兩種不同功率的無刷電機帶動下測得的實時轉速與流量數據如表1，2所示.

二維(2D)液壓活塞泵試驗樣機安裝在試驗臺上，如圖9所示.

圖9 樣機試驗圖Fig.9 The photo of testing prototype

將表1中轉速和流量兩組數據通過描點法繪制出空載流量特性曲線見圖10，圖中二維(2D)活塞泵的理論流量曲線由式(1，2)得到.表1中的容積效率是泵空載時的實際流量與理論流量之間的比值.

表1 3 kW和7.5 kW電機帶動時試驗數據

圖10 空載流量特性曲線Fig.10 No-load flow characteristic curve

通過表1和圖10可以發現：流量隨著轉速的增大而增大，在兩個不同電機帶動下的空載流量曲線增長趨勢與理論空載流量曲線基本保持一致，且幾乎呈線性增長.說明樣機能夠正常的進行吸排油工作，且具有較高的容積效率.

4.3 負載壓力流量特性試驗

樣機的負載壓力流量特性測試是調節電機的轉速至某一轉速不變，調節閥塊上的節流閥調節出油口的大小模擬負載壓力，試驗時記錄的壓力和流量數據如表2所示，通過計算得到的理論容積效率據如表3所示.

圖11為無刷電機分別在3,4,5,6,7 kr/min的轉速下，流量隨壓力變化曲線圖.從圖11可得：在任一轉速下，隨著壓力的增大，流量逐漸減少，說明壓力的增大導致泵的泄漏增大，從而使得出口流量變小.

表2 壓力—流量—轉速試驗數據

表3 容積效率

圖11 流量—壓力特性曲線Fig.11 Flow-pressure characteristic curve

圖12 容積效率特性曲線Fig.12 Volumetric efficiency characteristic curve

圖12是在電機3,4,5,6,7 kr/min的轉速下，泵的容積效率隨壓力變化的特性曲線圖.從圖12可以看出：隨著負載壓力的增大，樣機的容積效率逐漸減小.

4.4 試驗中存在的問題

試驗數據來之不易，在試驗過程中也遇到了一些問題和麻煩：當增加電機轉速到較快轉速時，電機時常會發生堵轉現象，究其原因，可能是因為活塞在缸體中卡死.活塞在旋轉的同時又要做軸向往復運動，這要求活塞和缸體之間有極好的配合，就使得活塞和缸體的加工要求非常高，由于加工的局限性，導致旋轉的活塞和缸體的同軸度未能達到很高的要求，當轉速升高時導致活塞卡死.其次，聯軸節和活塞之間，聯軸節和電機軸之間的同軸度也有一定的要求，由于裝配等因素，也會使得高速旋轉且往復運動的活塞卡死在缸體中.在負載壓力流量特性試驗中，直流電機常常因為電流過大進而斷電進行自我保護.由于直流電機的功率較小，當出口壓力通過節流閥升高壓力后，直流電機轉速不斷升高，使得電機的負荷不斷加大，當達到一定負荷時，電機則不堪重負，發熱嚴重，進而斷電自我保護.目前，我課題組已經利用15 kW三相交流電機搭建了二維(2D)系列泵實驗臺，電機功率不足將不再是問題.

5 結 論

二維(2D)活塞泵的活塞采用雙自由度的運動原理進行設計，成為了一種新型配流方式，與傳統的活塞泵相比，無需獨立的配流機構，結構大大簡化.對二維(2D)活塞泵樣機進行了空載流量測試和負載壓力試驗，在空載工況下，實際流量隨轉速基本呈線性增長，與理論流量曲線基本一致，具有較高的容積效率；在負載工況下，隨負載壓力增大，實際流量有所下降，容積效率降低.試驗結果表明：雙自由度運動原理用于二維(2D)活塞泵的配流設計是可行的，且該泵具有較高的容積效率，研究二維(2D)活塞泵具有重要的理論價值和實際意義.

[1] 許仰曾.21世紀液壓泵的發展趨勢[J].現代制造，2001(5):72-73.

[2] 賈躍虎，王榮哲，安高虎.新型徑向柱塞泵[M].北京：國防工業出版社，2012.

[3] 裘信國.端面配流徑向柱塞式液壓泵特性的研究[D].杭州：浙江工業大學，2009.

[4] 許耀銘.油膜理論與液壓泵和馬達的摩擦副設計[M].北京：機械工業出版社，1987.

[5] 市川常雄.液壓工程學[M].北京：機國防工業出版社，1982.

[6] 阮健，楊繼隆，歷明忠.2D數字換向閥的步進特性分析[J].浙江工業大學學報，1999，27(1):1-5.

[7] 李勝，朱小平，阮健，等.2D數字壓力閥[J].浙江工業大學學報，2003，31(3):293-296.

[8] 曾祥榮，葉文柄，吳沛容.液壓傳動[M].北京：國際出版社，1980.

[9] 徐繩武.柱塞式液壓泵[M].北京：機械工業出版社，1985.

[10] HOOKE C J, LI K Y. Slipper balance in axial piston pumps and motors[J].Transactions of the ASME，1992，114(4)：766-772.

[11] 張斌.軸向柱塞泵的虛擬樣機及油膜壓力特性研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[12] 那成烈.軸向柱塞泵可壓縮流體配流原理[M].北京：兵器工業出版社，2013.

[13] 馬吉恩，徐兵，楊華勇.軸向柱塞泵流動特性理論建模與實驗分析[J].農業機械學報，2010，41(1):188-194.

[14] 鄒正佳，李勝，阮健，等.2D數字伺服閥的動態特性實驗研究[J].浙江工業大學學報，2011，39(4):429-432.

(責任編輯：劉 巖)

Research and feasibility verification of two-dimensional (2D) piston pump

RUAN Jian, LI Jinyuan, JIN Dingcan, SHENTU Shengnan, TONG Chengwei

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The structure and the operating principle of the two-dimensional (2D) piston pump is introduced, the oil suction and extrusion functions are achieved by the motion principle of two degrees of freedom (rotate and axially move at the same time), and the theoretical flow formula of the pump is given. No-load flow characteristic test and pressure-flow characteristic test are designed in order to verify the feasibility of the principle prototype. Test bed is built in order to get its volumetric efficiency. The results show that the prototype can work properly both under no-load and load condition. The actual flow is close to the theoretical value and the pump has a high volumetric efficiency under no-load condition. Under load condition, volumetric efficiency decrease with the pressure increasing.

two-dimensional (2D) piston pump; feasibility verification; no-load flow characteristic; pressure-flow characteristic

2016-10-09

國家自然科學基金資助項目(51675482)

阮 健(1963—)，男，福建福安人，教授，博士生導師，研究方向為流體傳動與電液數字控制，E-mail：yanyan333@126.com.

TH321

A

1006-4303(2017)03-0264-06