液壓泵產品功率密度特性分析

楊文昌，楊友勝

(中國海洋大學工程學院，山東青島 266100)

0 前言

相比機械傳動與電氣傳動，液壓傳動具有功率密度高[1]、輸出力大、響應快和易于無級調速等突出優勢，在建筑、農業及采礦等領域應用廣泛。液壓泵作為液壓傳動系統的核心元件，將機械動力轉化為液壓動力，為執行部件提供高壓流體。現有技術的液壓泵體積質量偏大[2]，已無法進一步適應深海機電、航空航天和仿生機器人等狹小空間領域的應用要求，液壓泵的高功率密度化、微小型化是當前液壓領域的研究熱點[3-4]，功率密度也成為液壓泵研發和選用的關鍵指標。

液壓泵功率密度定義為泵輸出功率與自身質量之比[5]：ρP=P/W。

常用于液壓傳動系統中的液壓泵按結構形式可分成齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。本文作者結合國內外液壓公司產品，對比了不同類型液壓泵的功率密度曲線，并對其結構特點和材料方面進行了詳細介紹與分析。在此基礎上，就影響泵功率密度特性的關鍵因素進行總結，為未來研發體積小、質量輕、高功率密度的液壓泵提供參考。

1 不同類型液壓泵比較

國際上液壓元件制造商主要有力士樂(Rexroth)、丹佛斯(Danfoss)、威格士(Vickers)、派克(Parker)、不二越(NACHI)、油研(Yuken)、阿托斯(ATOS)[6]等，就結構類型而言，同品牌不同類型的液壓泵在功率密度方面差異較為明顯。

1.1 Bosch Rexroth

力士樂(Bosch Rexroth)3類液壓泵經過比較，功率密度曲線如圖1—圖5所示。

圖2 Rexroth軸向柱塞泵比較(開式回路)

圖3 Rexroth軸向柱塞泵比較(閉式回路)

圖4 Rexroth葉片泵比較

圖5 Rexroth泵產品比較

Rexroth齒輪泵中，內嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵功率密度均隨排量增加而上升，其中外嚙合齒輪泵最大功率密度為6.65 kW/kg，兩種型號內嚙合齒輪泵功率密度曲線變化相近，最大值為4.49 kW/kg，整體低于外嚙合齒輪泵，同排量下功率密度達到外嚙合齒輪泵的70%左右。間隙補償方面，針對軸向間隙，Rexroth齒輪泵利用兩側浮動襯套將泵輸送壓力部分施加到襯套外表面，在預緊力和液壓力共同作用下實現齒輪端面處密封，降低了端面泄漏。除此之外，徑向間隙作為影響內嚙合齒輪泵容積效率的關鍵因素，Rexroth內嚙合齒輪泵采用高強度塑料材質的切口式月牙塊進行徑向間隙補償，月牙塊切口處與高壓油腔貫通，通入背壓油后在壓力作用下變形擴張進而抵住內外齒輪齒頂，徑向間隙得以減小。對于內齒輪泵，泵徑向不平衡力及內泄漏問題隨工作壓力升高逐漸增大，影響容積效率從而限制了其功率密度的提高。

Rexroth柱塞泵的功率密度比較如圖2—3所示，圖2中以A10VO 52/53泵功率密度最高，達到3.5 kW/kg。該泵為通軸斜盤結構，角功率(最大擺角和最大壓力時的功率)可根據工況變化調節，確保在最高轉速和最大壓力下平穩工作，使輸出功率維持在較高水平[7]。閉式泵中A4VG泵的功率密度最大，為3.86 kW/kg。閉式柱塞泵是根據閉式系統能同時實現驅動和制動的特點，通過調節斜盤在正負范圍內的角度，達到調節排量和改變輸出方向的雙向變量柱塞泵。該泵同為斜盤結構，并內置內嚙合齒輪泵將油液提前增壓。相比開式泵，閉式泵工作壓力進一步提高，額定工作壓力40 MPa，最高壓力45 MPa[8]。

根據圖4可知：Rexroth葉片泵功率密度與泵排量呈現明顯正相關，PVQ泵在所有葉片泵中功率密度最高且達到最大值2.693 kW/kg。該泵結構簡單，具備葉片卸荷和間隙自動補償功能。

綜合比較，Rexroth液壓泵產品中以外嚙合齒輪泵功率密度最高，柱塞泵次之，葉片泵最低。

1.2 Saur-Danfoss

由圖6可知：Danfoss鋁制齒輪泵的功率密度明顯高于鑄鐵泵。二者主要區別在于殼體材料的選擇上，Danfoss鋁泵在殼體上應用了比重較輕的鋁合金材料，鋁合金殼體相較于鑄鐵殼體減重效果明顯，功率密度較高，最大值達到7.35 kW/kg。同時Danfoss針對齒輪泵齒形結構加以改進，如圖7所示。與相同尺寸標準漸開線齒輪相比，Danfoss齒輪泵中密封齒數量更多[9]，在保證齒輪強度的基礎上，排量增大，輸出功率增加。

圖6 Danfoss齒輪泵比較

圖7 標準漸開線齒輪(a)與Danfoss鋁泵齒輪(b)

Danfoss柱塞泵經圖8比較發現：H1閉式泵功率密度在小排量范圍內略低于45開式泵，排量增加H1泵功率密度增大并高于45開式泵，最大值達到4.06 kW/kg。45開式泵功率密度最大值為3.53 kW/kg。H1閉式泵采用支架式斜盤，內嚙合齒輪泵集成于泵內用于補油[10]。

圖8 Danfoss柱塞泵比較

Danfoss在水液壓領域也研發了APP、PAH及PAHT系列軸向柱塞泵，APP海水液壓泵已經在反滲透海水淡化領域得到大規模產業化示范應用[11]。由圖9可知：Danfoss水泵功率密度整體偏低，功率密度曲線隨排量基本呈線性關系。排量增加，柱塞直徑和斜盤柱塞分布圓直徑也相應增大，泵的體積及質量隨之增加。同時柱塞分布圓直徑的增加會降低泵的轉速[12]，泵出口流量降低，輸出功率和功率密度隨之下降。

圖9 Danfoss水液壓泵比較

由圖10可知：綜合比較Danfoss液壓泵產品，鋁齒輪泵功率密度最高，柱塞泵次之，水液壓柱塞泵功率密度最低。

圖10 Danfoss泵產品比較

1.3 Eaton-Vickers

Vickers液壓泵產品中以葉片泵和柱塞泵為代表，進行功率密度比較后得到曲線如圖11所示。可知：Vickers柱塞泵中HPV閉式泵功率密度高于PVM和PVX開式泵，最大值為3.56 kW/kg。HPV閉式軸向柱塞泵采用模塊化設計，內部元件高度集成，減小了泵的體積[13]。

圖11 Vickers柱塞泵比較

如圖12所示，Vickers不同型號葉片泵的功率密度變化明顯，VQH葉片泵功率密度平均值較高且達到最大值為4.56 kW/kg。VQH泵在結構上采用圖13所示的子母葉片。2片厚度相同、面積不等的矩形葉片通過凹槽滑動連接，與定子接觸的大葉片為母葉片，小葉片為子葉片。泵出口壓力與子葉片頂部貫通，減小了作用在母葉片上的壓力；母葉片凹槽區域與配油盤排油溝槽相通，底部壓力經過阻尼和配流再次降低，卸載了葉片頂部作用于定子內曲面的推力。葉片受力小且剛度大，密封性能好，泵的輸出壓力較高，最高工作壓力為21 MPa。同時該泵采用由雙金屬撓性材料制成的浮動側板結構，具備間隙自動補償和壓力平衡功能。

圖12 Vickers葉片泵比較

圖13 子母式葉片

結合上述，經圖14進一步比較，Vickers不同類型液壓泵中VQH葉片泵功率密度高于其他類型泵，該泵壓力高、排量大，在壓力等級與排量方面兼具優勢，功率密度高于柱塞泵和齒輪泵。

圖14 Vickers泵產品比較

1.4 Parker Hannifin

對Parker齒輪泵功率密度的比較見圖15，Parker齒輪泵中，PGP 500H泵功率密度變化較平穩，其他泵功率密度隨排量先上升，后降低，整體呈倒V形曲線。最大值由高至低依次為P16鑄鐵泵體鋁端蓋泵、PGP500全鋁泵、PGP130鑄鐵泵及PGP500H鋁制泵體鑄鐵端蓋泵[14]，P16泵達到最大值6.03 kW/kg。PGP130外嚙合齒輪泵通體材料為高強度鑄鐵，功率密度峰值約為4 kW/kg。P16泵在沿用鑄鐵泵體基礎上，前后端蓋材料采用高強度鋁合金，降低了泵自重；鑄鐵泵體耐高壓性能優異，功率密度在上述齒輪泵中最高，峰值達到6.03 kW/kg。PGP500泵通體采用輕質鋁合金，泵自重明顯降低，但耐壓性一般，工作壓力低于鑄鐵泵，受壓力影響輸出功率略有下降，功率密度低于P16泵。結構上Parker在齒輪軸向間隙處進行密封，采用能夠承受高載荷的滑動軸承來減小齒輪間的徑向不平衡力。可見Parker齒輪泵對泵體材料的組合應用對齒輪泵功率密度的提高具有積極作用，為泵的高壓輕量化設計提供了借鑒。

圖15 Parker齒輪泵比較

如圖16所示，Parker葉片泵功率密度與排量基本呈現正相關，T7D泵功率密度值整體較高，達到最大值5.4 kW/kg。Parker葉片泵在結構上沿襲Denison的柱銷式葉片(如圖17所示)，矩形葉片通過直徑4～4.8 mm圓柱銷與轉子滑動連接，柱銷底部壓力與泵出口壓力貫通，使均布于葉片的高壓集中于柱銷上，降低了葉片受力。工作時柱銷被轉子柱銷孔底部環形槽內的高壓油頂出，進而抵住葉片，確保葉片頂端始終緊貼定子內曲面。同時Parker對傳統單刃口葉片因易磨損而影響密封、難以實現高壓化的缺點進行改進，葉片頂部由單刃改為雙刃設計[15]，2個刃口交替與定子接觸，增強了葉片密封性能，工作壓力高達32 MPa，壽命也進一步延長。

圖16 Parker葉片泵比較

圖17 柱銷式葉片

如圖18所示，Parker軸向柱塞泵中，P系列柱塞泵整體功率密度較高，最大值2.78 kW/kg。PC3柱塞泵排量范圍小，功率密度變化明顯。PV+系列斜盤式柱塞泵排量覆蓋范圍大，工作壓力高，但功率密度整體不高。

圖18 Parker柱塞泵比較

如圖19所示，Parker 3類液壓泵中，齒輪泵和葉片泵功率密度較高，柱塞泵較低。Parker對齒輪泵三段式泵體結構的不同部分進行材料優化，輕質鋁合金材料的應用降低了泵自重，功率密度有所提高。但囿于齒輪結構無法達到柱塞泵的排量水平，高壓與大排量難以兼得，大流量工況下齒輪泵的功率密度優勢無法凸顯。比較排量范圍較大的葉片泵和柱塞泵，葉片泵結構緊湊，采用柱銷式雙刃口葉片設計，工作壓力高，相同尺寸和質量下輸出功率較大，功率密度要高于斜盤式柱塞泵。

圖19 Parker泵產品比較

1.5 NACHI-FUJIKOSHI

不二越(NACHI-FUJIKOSHI)的液壓泵產品包括齒輪泵、葉片泵及軸向柱塞泵3類。齒輪泵以IPH內嚙合齒輪泵為代表，功率密度曲線如圖20所示。

圖20 NACHI齒輪泵比較

IPH內齒輪泵殼體采用鋁合金材料，在結構上對泵的軸、徑向間隙進行補償，軸向間隙通過由前、后補償盤組成的密封機構，將高壓油引入補償盤壓力腔，減小了高壓油通過側向平面間隙向低壓腔的滲漏，實現軸向自動補償。徑向采用分體式月牙塊通入背壓油的推力支撐進行密封。額定壓力為25 MPa，最高壓力為30 MPa[16]。由圖20可知：在泵質量接近時，其功率密度隨排量遞增，最大值為1.99 kW/kg。

如圖21所示，NACHI軸向柱塞泵中以PVS和PZS柱塞泵功率密度較高，PZ柱塞泵較低。NACHI柱塞泵整體功率密度偏低，最大值僅有1.79 kW/kg。

圖21 NACHI柱塞泵比較

由圖22綜合比較，IPH 內嚙合齒輪泵在NACHI 3種泵中功率密度較高，高于同排量范圍下的柱塞泵及葉片泵，柱塞泵次之，葉片泵功率密度最低。

圖22 NACHI泵產品比較

1.6 ATOS

ATOS齒輪泵的功率密度比較見圖23，PFG齒輪泵功率密度曲線隨排量變化明顯，整體呈逐段遞增趨勢，最大值3.84 kW/kg。

圖23 ATOS齒輪泵比較

如圖24所示，ATOS PFE葉片泵不同型號泵自重相同，其功率密度與排量間呈嚴格正相關，最大值3.10 kW/kg。結構上PFE泵采用柱銷式葉片，12片偏心柱銷葉片均布于轉子上。與Parker葉片泵的不同在于PFE泵葉片底部柱銷直徑增加至5 mm，柱銷受高壓面積為葉片的1/10左右，葉片厚度為4.5 mm，額定壓力為26 MPa[17]。

圖24 ATOS葉片泵比較

由圖25可知：綜合比較ATOS液壓泵，以PFG-2齒輪泵功率密度最大，PFE-31型葉片泵次之，PFR型徑向柱塞泵功率密度最小。

圖25 ATOS泵產品比較

1.7 Yuken

油研(Yuken)作為日本最大的液壓元件生產企業，其產品在重工領域應用廣泛，葉片泵和柱塞泵是主流產品。功率密度曲線如圖26—圖28所示。

圖26 Yuken柱塞泵比較

由圖26可知：Yuken軸向柱塞泵中A3HM高壓泵平均功率密度最高，最大值3.54 kW/kg；A3H和A3HG柱塞泵功率密度特征隨排量變化不大，曲線集中分布在1.5～2.5 kW/kg區間內；而其他3種泵規格有限，功率密度普遍小于1 kW/kg，最大值僅有1.18 kW/kg。

由圖27可知：Yuken葉片泵功率密度均隨排量變化較大，整體功率密度值偏小，最大值為1.75 kW/kg。Yuken葉片泵結構簡單，葉片底部壓力與泵出口壓力貫通，無降壓措施，葉片受力大。為避免葉片與定子表面長時間工作因受力過大而磨損嚴重，采用輕量化超薄葉片；同時泵設計壓力限制于17 MPa[18]。材料上Yuken葉片泵采用鑄鐵泵體，定子因受葉片頂力及摩擦選擇了更加堅硬耐磨的Cr12MoV模具鋼材料，延長其使用壽命。

圖27 Yuken葉片泵比較

綜合比較(見圖28)，Yuken葉片泵功率密度低于同排量下的柱塞泵，說明壓力等級對葉片泵功率密度影響較大。

圖28 Yuken泵產品比較

1.8 HAWE Hydraulik

哈威(HAWE Hydraulik)液壓泵以軸向和徑向柱塞泵為主，由圖29可知：K60N和V60N軸向柱塞泵的功率密度值較高。它采用斜軸結構布置，與斜盤泵相比受到的傾覆力矩小，受力均勻且平衡。

圖29 HAWE軸向柱塞泵比較

HAWE徑向柱塞泵功率密度曲線如圖30所示。由于柱塞采用徑向布置，受泵體積限制，柱塞細且短，泵排量低流量小[19]，限制了其輸出功率，功率密度整體偏低，最大值約為1 kW/kg。

圖30 HAWE徑向柱塞泵比較

1.9 華德液壓

華德(HUADE)液壓作為國內液壓元件制造企業代表，所生產的柱塞泵按結構分為通軸斜盤泵和斜軸泵2類。

綜合圖31和圖32可知：華德柱塞泵中斜軸泵功率密度整體高于斜盤泵，在結構上斜軸泵傳動軸與缸體軸線間存在一定角度，所受徑向力小，缸體受到的傾覆力矩較小，缸體端面與配油盤貼合度高，泄漏損失及摩擦損失均低于斜盤泵，總效率略高，功率密度高于同排量范圍內的斜盤泵。華德斜軸泵采用帶柱塞環的一體化錐形柱塞設計[20]，利用柱塞環的彈性膨脹進行密封，保證了容積效率。

圖31 華德柱塞泵比較(斜盤式)

圖32 華德柱塞泵比較(斜軸式)

1.10 榆次液壓

榆次液壓目前已經與華德液壓并肩成為國內較大規模的高端液壓件制造企業，液壓泵產品涵蓋了軸向柱塞泵、葉片泵及齒輪泵3類。

榆次葉片泵中以PFE柱銷式葉片泵和V系列子母葉片泵為代表，二者在結構上采用前述ATOS及Vickers的葉片泵技術[21]，由圖33可知，其中45V子母葉片泵功率密度最高，達到3.27 kW/kg。PFE-2泵在PFE泵基礎上，排量增加，泵自重不變，功率密度高于PFE泵。

圖33 榆次葉片泵比較

榆次柱塞泵均為斜盤結構，由圖34可知：排量覆蓋范圍較小的XB01VG柱塞泵功率密度要高于XB03V0泵；排量范圍較大的XB01VSO泵和XB01FO泵中，XB01FO泵高于XB01VSO泵，且XB01FO泵在小排量時，功率密度達到最大值4.15 kW/kg。

圖34 榆次柱塞泵比較

2 同類型液壓泵比較

經過上述比較，同品牌不同結構類型的液壓泵在功率密度上差異較為明顯，多數品牌產品中以齒輪泵和葉片泵功率密度較高，柱塞泵較低。為進一步比較同類型液壓泵在功率密度方面的區別，結合前述曲線，就相同類型液壓泵分別選擇不同品牌中功率密度較高的產品，結合各自材料特點進一步展開對比分析。

2.1 齒輪泵

外嚙合齒輪泵作為結構最簡單、應用范圍最廣的一種齒輪泵，設計和生產水平已趨于成熟。由圖35可知：外嚙合齒輪泵中Danfoss全鋁泵的功率密度最高，其次為Rexroth與Parker公司產品，ATOS與Vickers的外嚙合齒輪泵功率密度整體較低。泵殼體材料選擇上，上述齒輪泵分成鑄鐵與鋁合金2種類型，鑄鐵強度高，塑韌性、耐磨性及耐沖擊性能優異，但密度高、單位質量大；經擠壓鑄造后的鋁合金殼體，耐高壓和沖擊、抗張力及熱力性能較好，且質量輕、可靠性高，兼顧了力學性能與鑄造性能[22]。Danfoss齒輪泵殼體的前端蓋、泵體和后端蓋三部分均采用鋁合金，泵自重低于同排量下其他品牌齒輪泵，功率密度值較高。

圖35 外嚙合齒輪泵比較

同外嚙合齒輪泵相比，內嚙合齒輪泵在結構上更加緊湊。由圖36可知：Rexroth齒輪泵功率密度值在不同排量下均高于NACHI齒輪泵，小排量下功率密度優勢明顯，達到最大值4.50 kW/kg。Rexroth齒輪泵的泵體、軸承蓋和端蓋為鋁合金材料，內部分段式浮動月牙塊間選用工程塑料及彈簧[23]，減重效果好；NACHI泵為鑄鐵泵體，泵自重較大，功率密度值不及Rexroth泵。

圖36 內嚙合齒輪泵比較

2.2 葉片泵

對于葉片泵的比較見圖37，Parker與Vickers葉片泵的功率密度整體高于其他葉片泵。Parker的柱銷式葉片與Vickers的子母葉片都是通過減小葉片根部面積、降低葉片根部受力從而有效控制了主葉片在低壓區時與定子表面的作用力，提高了泵的輸出壓力，進而使輸出功率增大，功率密度較高。

圖37 葉片泵比較

2.3 柱塞泵

斜盤式柱塞泵因其排量覆蓋范圍大而應用最為廣泛。由圖38可以看出：除Vickers柱塞泵功率密度明顯偏低外，其他柱塞泵功率密度均密集分布在2～3.5 kW/kg區間內且曲線較為平穩，不隨排量發生明顯變化。

圖38 柱塞泵比較

3 討論與總結

文中通過對國內外液壓泵產品功率密度的比較分析，結構和材料作為影響液壓泵功率密度的2個關鍵因素，現予以歸納總結：

結構方面，3種類型液壓泵中以外嚙合齒輪泵功率密度最高，是小排量工況下的優選。外嚙合齒輪泵形式固定，兩側端面的浮動側板能夠根據工況及時對腔內壓力進行補償，保證了輸出油液的壓力穩定；同時較高的額定轉速能提供較大的流量，輸出功率較高。在此基礎上，國外幾家公司分別在齒輪結構和泵體材料上進行的優化設計使齒輪泵的功率密度進一步提高。內嚙合齒輪泵功率密度不高的主要原因在于其工作壓力較低。工作壓力過高時，內齒圈所受高壓液體的不平衡徑向力和內泄量均增大，進而影響容積效率[24]。壓力低、流量小使內嚙合齒輪泵的功率密度低于外嚙合齒輪泵。葉片泵與柱塞泵的功率密度略有差別，整體來看，由于葉片結構在尺寸及質量上都小于柱塞結構，同排量下葉片結構更易實現對泵的高功率密度及輕量化設計。柱塞泵在斜盤傾角及柱塞個數上的靈活調節可實現對小中大排量的全覆蓋，應用范圍廣，產品眾多，結構上分為斜軸式與通軸斜盤式，柱塞布置方式上也分為軸向與徑向，工業應用的不同又分為開式泵及閉式泵。比較發現斜軸泵功率密度高于通軸式，軸向則要高于徑向，閉式泵由于自帶補油泵系統、變量控制組件及補油閥、高壓限制閥組件等[25]，質量略有增加，輸出功率明顯提高，功率密度高于開式泵。但柱塞泵內部結構較為復雜，元件數目多且質量大，整體來看功率密度低于齒輪泵及葉片泵。

材料作為液壓泵輕量化設計的重要部分，對功率密度至關重要。在保持原有輸出性能的前提下，減輕內部元件質量是進一步提高液壓泵功率密度的關鍵技術之一。上述部分國外公司將鋁合金應用于泵殼體并形成了規模化產品，通過比較證實鋁合金等輕質合金的應用對提高液壓泵功率密度有積極作用。除鋁合金外，塑料等(聚酰亞胺或增加碳纖維的聚酰亞胺)增強型復合高分子材料[26]及鐵塑、鐵鋁復合材料[27-28]也開始在泵殼體上嘗試應用。此類設計均可以在滿足殼體剛度和強度要求下，降低泵自重，實現輕量化設計，是進一步提高液壓泵功率密度的有效途徑。針對材料的加工，傳統壓鑄工藝生產的泵體在實際中經常出現裂紋、氣孔、縮松及大面積針孔等缺陷[29]，泵體內部在承受高壓的情況下勢必難以保證良好的密封，從而影響泵的容積效率及輸出功率。近年來基于增材制造技術生產的液壓元件在輕量化、小型化方面表現優異：國外研究表明采用增材技術制造的旋轉液壓泵葉輪在功能和性能方面與原有金屬葉輪相似，滿足機械強度和液壓工作要求，質量僅有金屬葉輪的11.3%[30]。國內經過研究表明運用增材制造技術生產的液壓閥塊相較于原始閥塊減重約80%[31]，實現了液壓元件的輕量化設計。

綜上所述，結合液壓泵功率密度定義公式，提高功率密度有2條途徑：(1)增加泵的輸出功率，但實際工程應用中，為降低系統能耗，絕大多數液壓泵在選取時仍堅持功率匹配原則，盲目增加輸出功率將會導致能源過度消耗，產生不必要的浪費，此舉并不可取；(2)降低液壓泵質量，即實現泵的輕量化和小型化。現有液壓泵多采用合金鋼和鑄鐵等金屬材料，利用減材制造加工裝配而成。應用了鋁等輕質金屬的液壓泵，經比較發現其達到了降低泵自重從而提高功率密度的目標，但與非金屬材料相比其減重幅度仍有限。基于增材制造技術的非金屬液壓泵組件在降低自重、優化空間配置和幫助降低能耗等方面展現出無窮潛力，是未來液壓泵實現輕量化設計的有效手段，有助于進一步提高液壓泵的功率密度。