L10 柱塞泵變量控制原理分析與應用

張恒瑞，陳一卓

（1.空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

1 概述

隨著液壓傳動在高速、高壓、大流量方向上的關鍵技術不斷發展，液壓傳動技術的工業應用價值也日漸凸顯，如工程機械、礦山機械、船舶機械以及航空航天設備及其保障裝備，都愈發依賴液壓傳動技術。而制約傳動技術發展的關鍵因素，則是液壓系統中關鍵元件的技術發展水平，其中又以液壓泵最重要。

液壓泵根據運動部件結構可以分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵等，因其結構不同，具有不同的工作特點。齒輪泵（圖1）是利用齒輪嚙合原理工作的，靠一對互相嚙合的齒輪，實現齒輪泵的供油工作。齒輪泵生產成本低廉，但是因其結構特點，最高許用壓力較低，使用范圍有一定局限性。葉片泵（圖2）是由轉子帶動葉片旋轉，靠葉片帶動油液運動，實現供油過程的液壓泵。葉片泵相對于齒輪泵，其工作性能有很大提升，可以適用于較高壓力流量的場合。而柱塞泵則是依靠其特有的柱塞結構特點，能夠適用于更高壓力的場合，更大地滿足用戶的工作需求。

圖1 齒輪泵結構圖

圖2 葉片泵結構圖

L10 柱塞泵是我國自主研發設計制造的一款高性能液壓泵，其結構緊湊、功能可靠、壽命長、質量穩定、成本較低等優勢，因而在工業應用中備受青睞。下面就L10 柱塞泵的結構原理以及變量控制原理進行闡述。

2 結構組成原理

該型液壓泵為軸向柱塞泵，結構組成如圖3 所示。主要組成結構有缸體（轉子）、柱塞、回程盤、斜盤、分流盤、主軸、殼體、變量活塞、回位活塞和變量控制閥等。在柱塞泵的正常工作過程中，柱塞隨著缸體繞中心軸旋轉，同時在斜盤和回程盤的作用下，在缸體的缸孔內做伸出和縮回的運動。在柱塞伸出過程中，缸孔末端與分流盤的吸油區相通，通過殼體上的吸油孔完成吸油過程；在柱塞向內縮回的過程中，缸孔末端與分流盤的排油區相通，通過殼體上的排油孔完成排油過程。

圖3 結構組成圖

結構中變量活塞與回位活塞配合可以控制斜盤角度。當變量活塞得到控制信號向內縮回時，斜盤傾斜角度增大，柱塞泵的排量增大，當斜盤角度最大時，柱塞伸出和縮回的行程增大，柱塞泵的排量增大；當變量活塞得到控制信號向外伸出時，斜盤的傾斜角度減小，柱塞泵的排量減小，當斜盤角度基本達到豎直角度，此時，柱塞伸出和縮回的行程近似為0，泵僅需滿足泄漏和潤滑的油量，排量基本為0。

3 恒壓、恒流控制原理

L10V0 柱塞泵是變量活塞與回位活塞配合可以控制斜盤角度，從而控制排量大小。變量活塞的動作是由變量控制閥進行控制的。根據L10V0 柱塞泵應用需求，有DR 恒壓控制、FR 恒流控制等（圖4）。

圖4 閥控系統原理圖

DR 恒壓控制，可以通過壓力控制閥控制變量油缸來保證出口壓力基本不變。控制原理是利用壓力控制閥的彈簧力來平衡壓力控制閥閥芯兩端壓力差，即泵出口處節流閥前后壓力差。在系統壓力小于壓力控制閥設定壓力時，閥控系統不起作用，泵輸出流量與最大排量和轉速有關。在系統壓力達到壓力控制閥設定壓力時，壓力控制閥作用實現泵輸出的恒壓控制。這個控制過程與系統執行元件運動速度關系密切。當執行元件快速運動時，系統需要較大流量，此時，壓力控制閥左右壓差與彈簧力平衡，泵大流量輸出；當執行元件由快進狀態轉為工進狀態時，執行元件速度降低，所需流量降低，此時，節流閥前后流量差增大，根據節流小孔基本原理可知，節流閥處消耗壓力增大，導致泵出口壓力增大。但此時壓力控制閥左側壓力增大，打破平衡狀態使得閥芯右移，高壓油進入變量活塞，調節泵輸出流量減小直至系統所需流量，節流口處消耗壓力減小至無損失，泵輸出壓力減小，作用于壓力控制閥左側壓力減小，壓力控制閥恢復至初始狀態，泵的輸出壓力穩定在壓力控制閥調定壓力值，實現恒壓控制。

FR 恒流控制，可以通過流量控制閥控制變量缸來保證泵輸出流量恒定不變。控制原理是利用流量控制閥的彈簧力來平衡流量控制閥兩端壓力差，即泵出口處節流閥前后壓力差。根據節流小孔基本原理可知，節流閥前后壓差不變，流量只受節流閥口開度大小，保持節流閥開度大小一定，即可保證泵輸出流量恒定，即實現恒流控制。FR 恒流控制過程中，系統壓力小于壓力控制閥彈簧設定壓力，壓力控制閥處于初始狀態，閥芯位于右位，正常狀態下，壓力控制閥不工作。流量控制閥彈簧為軟彈簧，彈簧力力相對較小，一般在20bar 以內，在閥芯工作左右移動壓縮彈簧時，我們可以近似認為彈簧力始終保持不變。此時，流量控制閥起到壓力補償作用，流量控制閥兩端通過控制油路與泵輸出處的節流閥兩端相連，由于流量控制閥兩端壓差與彈簧力平衡，節流閥兩端壓差與彈簧力保持平衡，即保持定值。因此，系統流量只與節流閥的閥口開度有關，與壓差無關。若當泵輸出流量偏離預定值，在節流閥作用下泵輸出壓力增大，會打破流量控制閥的現有平衡位置，推動閥芯右移，壓力油經過流量控制閥進入變量活塞，改變泵斜盤角度，減小泵的流量，泵的輸出壓力也隨之降低，直到流量控制閥達到新的平衡點，使得泵的輸出壓力重新回到預定值。

4 遠程壓力控制應用

L10V0 柱塞泵可以外接比例溢流閥，通過對比例溢流閥控制實現對泵輸出壓力的遠程壓力調節。具體思路如圖5 所示。

圖5 遠程壓力控制應用圖

該種應用工況下，泵的輸出油口直接連接負載，無節流閥參與工作，壓力控制閥彈簧力設定值較高，起到保護作用，流量控制閥彈簧力設定為20bar 左右，柱塞泵的閥控系統的X 控制油口接入了一外部比例溢流閥，比例溢流閥可以通過外部手柄進行開啟壓力大小的無級調節，從而可以對柱塞泵的最高輸出壓力進行無級調節。具體原理如下，當系統負載小于比例溢流閥調定壓力時，比例溢流閥不工作，壓力控制閥與流量控制閥的閥芯都在各自彈簧力作用下右位工作，變量活塞處于泄壓狀態，泵一最大流量輸出以滿足執行元件動作需要。當系統負載大于比例溢流閥設定壓力時，此時，系統壓力經過控制油路推開比例溢流閥流回油箱，壓力控制閥的閥芯都在各自彈簧力作用下右位工作，流量控制閥因其兩端控※制油路存在壓差，該壓差克服流量控制閥彈簧力，推動流量控制閥閥芯右移處于左位工作，這是高壓油可經控制油路進入變量活塞，推動斜盤角度減小，控制泵的輸出流量為0，從而限制整個系統的最高輸出壓力在比例溢流閥設定范圍內工作。

5 結語

本文主要介紹了L10 高性能柱塞泵，具體分析了該型柱塞泵的結構組成原理，詳細分析了柱塞泵的恒壓控制與恒流控制的功用與原理，并且探索設計了一種利用外接比例溢流閥實現對系統遠程壓力控制的應用，對用戶具體應用該型柱塞泵具有積極的指導意義。