新型數字排量泵流量控制技術研究

【摘" 要】作為液壓系統的核心元件，液壓泵的能量利用效率對液壓系統的效率起著至關重要的影響。與傳統軸向柱塞泵相比，數字排量泵是一種具有顯著效率優勢的液壓泵。數字排量泵以徑向柱塞泵為藍本，在每個柱塞頂端均配備有一個高速開關電磁閥。通過對各個電磁閥的開關情況進行控制，可以實現各個柱塞腔的單獨工作。文章在介紹數字排量泵的結構和工作原理的基礎上，著重闡述控制數字排量泵輸出流量的方法。

【關鍵詞】數字排量泵；高速開關電磁閥；流量控制

中圖分類號：U463.22"""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0087-02

Research on Flow Control Technology of New Digital Displacement Pump

WANG Panpan，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，LI Ruizhen

（Institute of Electronic Control and Software，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】As the core component of hydraulic system，the energy utilization efficiency of hydraulic pump plays a crucial role in the efficiency of hydraulic system. The digital displacement pump is a hydraulic pump with significant efficiency advantages over the traditional axial piston pump. The digital displacement pump is modeled on the radial piston pump and is equipped with a high-speed switching solenoid valve at the top of each piston. By controlling the switching of each solenoid valve，each plunger cavity can work independently. On the basis of introducing the structure and working principle of the digital displacement pump，the paper focuses on the method of controlling the output flow of the digital displacement pump.

【Key words】digital displacement pump；high-speed switching solenoid valve；flow control

0" 引言

在非道路工程機械領域，液壓系統憑借高功率密度、高可靠性以及線性執行器和旋轉執行器價格較低等優點占據著不可替代的地位。然而，液壓系統效率偏低，通常僅有約30%的能量能夠得到有效利用。為提高液壓系統的效率，液壓領域從業者提出了眾多方案，例如在液壓系統中增設能量回收裝置，或者去除液壓系統中的某些閥以減少節流損失。其中一種方式是采用新型液壓泵替代傳統液壓泵，這種新型液壓泵即數字排量泵。數字排量泵因其獨特結構能夠實現能量的高效利用，進而提升整個液壓系統的效率。本文后續部分將對數字排量泵的結構和工作原理進行介紹，隨后闡述數字排量泵輸出流量的控制方法。

1" 數字排量泵結構及工作原理

數字排量泵主要由以下部件組成：多個柱塞腔，呈徑向分布于偏心輪外側；進油側開關電磁閥，一端連接低壓側，另一端連接柱塞腔；排油側單向閥，一端連接高壓側，另一端連接柱塞腔，控制液壓油僅能由柱塞腔流向高壓側；柱塞位置傳感器，可實時獲取柱塞在柱塞腔中的位置；電子控制單元，接收柱塞位置傳感器的信號并產生控制進油側開關電磁閥的電信號。數字排量泵結構如圖1所示。當開關電磁閥未得電時，液壓油在輸入軸帶動下由低壓側流入柱塞腔，隨后又從柱塞腔流出到低壓側，數字排量泵不對外做功。當開關電磁閥得電時，液壓油僅可由低壓側向柱塞腔單向流動，從而被壓入高壓油側，數字排量泵對外做功。由于各個柱塞頂端均設有一個高速開關電磁閥，因此各個柱塞能夠單獨工作。通過控制各個高速開關電磁閥的開關狀態，可以控制數字排量泵的輸出流量。

2" 數字排量泵流量控制方法

數字排量泵的流量控制方法稱為行程比控制方法，即數字排量泵的輸出流量Q（L/min）可表示為：

[Q=i=1znλiV]

式中：[z]——數字排量泵柱塞的數量，對于圖1所示的泵，[z]為6；[V]——每個柱塞腔的最大排油體積，L/r；[n]——輸入軸轉速，r/min；[λi]——在一轉中每個柱塞處于高壓區的行程比。

當[λi=1]時，表示在一轉中，此柱塞腔在高速開關電磁閥的控制下一直與負載相通而輸出壓力油；當[λi=0]時，表示在一轉中，此柱塞腔在高速開關電磁閥的控制下始終與油箱相通不輸出壓力油；[λi=0.3]時，表示在一轉中，此柱塞腔在高速開關電磁閥的控制下有30%的行程與負載相通而輸出壓力油，其余70%的行程與油箱相通不輸出壓力油。

現舉例說明數字排量泵的流量控制方法。假設數字排量泵的輸入軸轉速為1800r/min，含有6個柱塞，每個柱塞的容量為10cc。若需求流量為108L/min，則要求泵每轉的排油體積為0.06L（60cc），因此需要在每一轉中所有柱塞始終與負載相通輸出壓力油，即在每一轉中，[λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=1]；若需求流量為63L/min，則要求泵每轉的排油體積為0.35L（35cc），則存在多種方式可實現，詳細闡述如下。

1）方式1。在每一轉中任選3個柱塞始終與負載相通。在其余3個柱塞中任選一個柱塞有50%的行程與負載相通，其余50%的行程與油箱相通。另外2個柱塞始終與油箱相連不輸出壓力油。

2）方式2。在每一轉中所有柱塞58%的行程與負載相通，其余42%的行程與油箱相通。

3）方式3。在每一轉中任選2個柱塞始終與負載相通。在其余4個柱塞中任選3個柱塞有50%的行程與負載相通，其余50%的行程與油箱相通。另外1個柱塞始終與油箱相連不輸出壓力油。

在這3種實現方式中，方式1將參與輸出壓力油的柱塞腔數目降到了最少，可以有效降低數字排量泵的泄漏損失，提升泵效率。

其中，方式1和方式3的核心思想是減少參與輸出壓力油的柱塞腔數量，但是兩者均需要控制柱塞腔部分行程輸出壓力油，這無疑增加了控制的難度。因此，有必要尋找一種既能減少參與輸出壓力油柱塞腔數量，又能降低控制難度的流量控制方法。假設1代表開關電磁閥通電，0代表開關電磁閥斷電。如下所述的編碼控制方法可以滿足啟用柱塞數目少和控制難度較小的要求。

2.1" 依據需求流量計算需求排量比[η]

需求排量比為需求泵排量和最大泵排量的比值。其中，最大泵排量為數字排量泵所有柱塞全部投入使用（所有進油側開關電磁閥全部通電）時，輸入軸旋轉一圈泵所排出的液壓油的體積。而需求泵排量是需求流量和發動機轉速的比值。因此，已知泵的需求流量即可獲得泵的需求排量比。

2.2" 數字碼流計算

在確定數字碼流之前應該確定編碼長度[n]，一般[n]為數字排量泵柱塞總數的倍數。若編碼長度為[n0]，則數字排量泵輸出排量比的精度為[1n0]，若[1n0]滿足精度要求，則確定編碼長度[n]為[n0]。

1）記數字碼流第[j]次編碼的步長為[λj]，則：

[λ1=1η]

計算得到第1次編碼的步長以后，將碼流第1位編為1，其后每隔[（λ1?1）]位編下一個1。

2）計算參數[φj]：

[φj=η×n0?i=1nbiac]

式中：[i=1nbiac]——前[（j?1）]次編碼中，編碼為1的總個數。

3）計算參數[λj+1]：

[λj+1=n0φj]

得到[λj+1]以后，將第[（λj+1?1）]位編碼為1，其后每隔[（λj+1?1）]位編下一個1。若本次編碼結果和上次編碼結果完全相同，則將[λj+1] 位編碼為1，其后每隔[（λj+1?1）]位編下一個1。

4）重復步驟2）和步驟3），當計算出的[λj+1gt;n0]時，結束編碼，未編碼為1的位自動編碼為0。

數字排量泵編碼控制策略流程如圖2所示。對于一個最大排量為60cc的數字排量泵，若需求排量為35cc，即需求排量比為58.3%，選擇碼元長度為12。按照編碼步驟，第1次編碼步長為λ1=[10.583]≈1.72≈2，則第1次編碼結果為101010101010。參數[φ1=0.583×12?6≈1]。第2次編碼步長為[λ2=121=12]，第2次編碼結果為101010101011。參數[φ2=0.583×12?7≈0]，第3次編碼步長為無窮大。至此，結束編碼，最終編碼結果為101010101011。

3" 結論

數字排量泵以徑向柱塞泵為藍本，每個柱塞頂端均配有高速開關電磁閥。開關閥得電時，液壓油被排入高壓側，泵對外做功。開關閥不得電時，液壓油被排入低壓側，泵不對外做功。高速開關電磁閥的存在使得數字排量泵的各個柱塞可以單獨工作，控制每個高速開關電磁閥的開關狀況即可控制數字排量泵的輸出流量。數字排量泵輸出流量的控制方法稱為行程比控制方法，即根據需求流量控制每一轉中處于高壓區的柱塞的數量和行程，從而通過多種方式使其滿足流量輸出要求。若1代表高速開關電磁閥通電，0代表高速開關電磁閥斷電，通過合理的編碼方式對數字排量泵的高速開關電磁閥進行控制即可使數字排量泵滿足流量輸出要求。

參考文獻

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（編輯" 凌" 波）