变量泵的原理及应用.docx
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变量泵的原理及应用
1.1液压变量泵（马达）的发展简况、现状和应用
1.1.1简述
液压变量泵及变量马达能在变量控制装置的作用下能够根据工作的需要在一定范围内调整输出特性，这一特点已被广泛地应用在众多的液压设备中，如：
恒流控制、恒压控制、恒速控制、恒转矩控制、恒功率控制、功率匹配控制等。
采用变量泵（马达）系统，具有显著的节能效果，近年来使用越来越广泛，而且新的结构和控制方式发展迅速，各个生产厂也在不断改进设计，用以满足液压系统自动控制的不断发展需要。
使用液压系统的目的在于可使某一执行对象以预定的速度向正反两个方向运动。
此时，为调节速度需进行节流，致使能量有所损失，并导致系统效率降低，为此需采用变量泵实现容积控制。
使用变量泵进行位置和速度控制时，能量损耗最小。
正确地使用和调节泵的流量，可使其只排出满足负载运动速度需要的流量，而使用定量泵时只有部分流量供给负载，其余的流量需要旁通至油箱。
此外，为了在不增加管路阻力的条件下提高液压马达的速度，也有必要为减少液压马达的排量而采用变量马达。
表1-1三大类泵的主要应用现状
类别
类型
应用优势
应用弱点
主要应用领域
齿轮泵
外啮合式
使用压力在21MPa以下，价格低，体积小，污染敏感度相对低，允许转速较高
效率最低，不能变量，噪声较大，最大变量比其它两种形式小
农业机械
工程机械
内啮合式（模块式、摆线式）
自吸性好噪音低，流量振动小，摆线式在液压马达方面优势更强
价格高于外啮合，性能在主要方面改善不突出，生产厂商少，可选择性差
叶片泵
双作用式
噪音低，价格明显低于柱塞泵，泵芯插装式使维修简捷，连接口可选择或调整，应用压力在28MPa以下，可与柱塞泵竞争，联轴器连接容易，使用寿命长
不能变量，最低转速有限制（不允许低于600r/min），价格中等
塑料机械
机床
锻压机械
单作用式
变量中价格最低，只要压力符合应优选，但一般只用于恒压变量
应用压力很低，一般在10MPa左右，最高使用压力才18MPa，目前采用渐少，几乎被淘汰
柱塞泵
轴向式
斜盘式
使用压力超过31.5MPa，变量形式丰富，能实现变量的智能化与网络化，通轴型式便于与回路组合，在结构上可与任何其它型式组合，易获大流量高转速，外形尺寸小，便于布置（功率质量比大），总效率高
价格贵，自吸性差，对污染敏感，维护维修要求高
工程机械
运输机械
冶金机械
斜轴式
使用压力是所有泵中最高的，排量大，转速高，排量大，转速高，这三项性能均优于其它类型泵，可用于闭式回路
不能通轴，外形尺寸大，回路组合与安装布置不便，维修拆卸要求较高
径向式
使用压力可超过斜轴泵，可通径，寿命最长，变量型式与斜轴式相当，在液压马达方面优势明显
外径偏大，允许转速偏低，在某种情况下不便于安装布置
图1-1三大类泵的变量调节
1.1.2叶片变量泵（马达）的研发历史和发展
根据密封工作容积在转子旋转一周吸、排油次数的不同，叶片泵分为两类，即完成一次吸、排油的单作用叶片泵和完成两次吸、排油的双作用叶片泵。
根据叶片泵输出流量是否可调，又可分为定量叶片泵和变量叶片泵，双作用叶片泵均为定量泵。
根据叶片变量泵的工作特性不同可分为限压式、恒压式和恒流量式三类，其中限压式应用较多。
恒压式变量泵一般系单作用泵。
该泵的定子可以沿一定方向作平衡运动，以改变定子与转子之间的偏心距，即改变泵的流量。
它的变量机能由泵内的压力反馈伺服装置控制，能自动适应负载流量的需要并维持恒定的工作压力。
在工作中，还可根据要求调节其恒定压力值。
因此，在使用该泵的系统中，实际工况相当于定量泵加溢流阀，且没有多余的油液从系统中流过，使能耗和温升都大大降低，缩小了泵站的体积。
该泵如与比例电磁阀匹配，可以在系统中实现多工作点自动控制。
限压式变量叶片泵有内反馈式和外反馈式两种。
内反馈式变量泵的操纵力来自泵本身的排油压力，外反馈式是借助于外部的反馈柱塞实现反馈的。
限压式变量叶片泵具有压力调整装置和流量调整装置。
泵的输出流量可根据负载变化自动调节，当系统压力高于泵调定的压力时流量会减少，使功率损失降为最低，其输出功率与负载工作速度和负载大小相适应，具有高效、节能、安全可靠等特点，特别适用于作容积调速液压系统中的动力源。
先导式带压力补偿的变量叶片泵允许根据系统要求自动调节其流量，可在满足工作要求的同时降低能耗。
压力补偿的工作原理是：
在先导压力作用下，被控柱塞移动，从而使泵的定子在某一位置平衡。
当输出压力与先导压力相等时，定子向中心移动，并使输出流量满足工作要求。
在输出流量为零的情况下，泵的输出为补偿泄漏和提供先导压力油，而系统压力保持不变。
补偿器的响应时间非常短，不会产生压力超调。
叶片马达和叶片泵一样，也有单作用式和双作用式之分。
由于单作用式液压马达的偏心量小，容积效率低，结构复杂，故一般所用的液压马达都是双作用式的。
因此，变量叶片马达很少在工业上使用。
1.1.2.2轴向柱塞泵（马达）的发展历史
（1）弯轴或轴向柱塞泵（马达）
这是汉斯·托马（HansThoma）1940年的发明。
此后于1946年，他又对缸体的同步驱动进行了改进，将万向接头改为连杆方式，将阀板由平面改成球面。
最近，博世力士乐（BoschRexroth）公司又推出了将连杆与柱塞组成一体的采用锥形柱塞（柱塞杆装在密封部上）的改进型式。
该发明自问世以来60多年间内不断进行改进，现在已经成为各领域最广泛应用的产品。
目前只有博世力士乐公司生产变量弯轴泵，主要品种有A7V系列，排量为20～1000mL/r，最高压力为35MPa，变量角为18°。
该公司还开发了A7VO系列泵，该泵为锥形连杆活塞式，排量为28～1000mL/r，最高压力为40MPa。
在A7V和A7VO基础上，博世力士乐公司还开发了A6V和A6VM变量马达。
此外，林德公司也生产BMV/R型变量弯轴马达，但最大排量只有50.2～60.3mL/r，额定压力为42MPa，最高压力为50MPa，供小型液压设备闭式回路用。
目前，北京华德液压集团有限公司、上海液压泵厂、贵阳501厂等生产博世力士乐的弯轴泵和马达。
弯轴泵和马达的发展趋势如下。
1）由于结构原因，弯轴泵不能带辅助泵，因此只能作为开式回路用泵；此外，由于弯轴泵的变量机构带动缸体一起摆动，因此变量的响应速度较低。
2）作为变量泵，由于其制造工艺复杂，成本较高，因此，排量在250mL/r以下的变量泵正逐步丧失竞争优势，但大排量泵还非其莫属。
3）无论定量还是变量马达，特别是弯轴角40°的锥形连杆活塞结构，由于其具有起动和传递转矩大的独特优点，有较好的发展前途。
（2）斜盘式轴向柱塞泵与马达
这是对1905年哈维·威廉（HarveyWilliams）和雷诺兹·詹尼（ReynoldsJanney）发明的轴式液压传动装置进行改进后得到的，结构更加简单的变量泵与变量马达，1950年后已开始了大量生产。
与斜轴式相比，它体积小、重量轻，具有良好的排量控制响应性能，所以在各种液压泵中的应用日益扩大。
斜盘式轴向柱塞泵与马达还可以有轻型与重载之分。
1）轻型轴向柱塞泵和马达。
2）重载斜盘泵和马达重载斜盘泵和马达是指用于工作条件较恶劣、负载重、额定压力为31.5～42MPa、最高压力为40～50MPa结构较复杂的斜盘泵和马达。
①闭式回路用斜盘泵与马达系统。
它广泛地用于工程和建设机械。
其特点是泵上装有补油泵，泵和液压马达上共同装有闭式系统用全套集成阀，用户只要连接两根管道，就能使该系统运转，如振动压路机、水泥搅拌车等就广泛采用这种系统。
最早生产这种产品的是美国萨澳（SAUER）公司其产品为20系列泵与马达系统。
20世纪80年代中期，上海高压油泵厂引进了美国萨澳（SAUER）20系列泵与马达系统。
现在，萨澳（SAUER）公司已在上海浦东合资生产最新的90系列泵与马达系统。
目前，世界上已经有多家公司生产这类泵与马达闭式系统。
其中比较著名的有美国伊顿（Eaton）公司、丹尼逊（Denison）公司，德国的博世力士乐公司、林德公司等。
其中美国公司都是斜盘泵-斜盘马达闭式系统，德国博世力士乐公司是斜盘泵—弯轴马达闭式系统，而林德公司既有斜盘泵—斜盘马达闭式系统，也有斜盘泵—弯轴马达闭式系统。
我国贵州力源液压件厂也生产萨澳（SAUER）20系列泵与马达闭式系统。
②开式系统用斜盘泵通常，开式系统泵相对于闭式系统泵有更高的要求，要求其有较好的自吸能力，较低的噪声和较多的变量型式，所以闭式系统泵一般不能用于开式系统。
然而，闭式系统泵生产厂家为了降低成本，提高泵的零件通用化程度，往往在闭式系统泵的基础上派生出开式系统泵，如博世力士乐公司的A4SVO开式系统泵就是由闭式系统泵A4V基础上开发出来的；林德公司HPR202系列开式系统泵是HPV202闭式系统泵的改进产品。
我国目前大量生产的CY型轴向柱塞泵也属于开式系统重载斜盘泵。
（3）径向变量泵和马达
在泵体内两侧装有大、小控制柱塞，压力油通过泵体上的油道，一路进入小控制柱塞，另一路通过变量机构（调节阀）产生一压降后，再进入大控制柱塞腔。
泵工作时可通过调整变量控制机构，使大小控制柱塞在水平方向上移动定子，来改变偏心距的大小，从而达到变量的目的。
柱塞泵的容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高等优点，但柱塞泵对液压油的污染较敏感，结构较复杂，造价较高。
1.1.5发展趋势
电子排量泵是当前正在开发的一种液压泵变量控制的方式，其控制原理可见图1-2及图1-3。
图1-2电子排量泵的控制原理
图1-3电子排量泵控制方框图
电子排量泵已由各世界著名液压厂商供应市场，它能适应恒压、负载敏感与恒功率等各种变量要求。
对于需要精确平稳运动与复杂控制的场合，电子排量泵提供了一个平台，用于控制泵的输出压力、输出流量以及输出功率。
现有的转速控制的二次调节系统也可进一步发展利用此平台。
电子排量控制（EDC）可接受PLC或计算机（工控装置）的控制信号，同时泵的内部还有传感器将泵斜盘位置反馈到比例阀的放大器。
智能控制完全可以融合在其中，从而提高控制的精确性、稳定性，达到节能与系统控制的双重效果。
电子排量泵实质上是对泵的变量机构作位置闭环控制，根据系统控制要求，利用所设置的智能控制算法（如采用自适应控制等）来达到应用的目的。
这些算法可通过将其软件程序固化在电子控制器内或者与上位计算机相互通信，使液压泵具有恒压力、恒流量及恒功率等全部功能。
目前这种液压泵的性能可以达到滞环<±1％、重复精度<±0.5％及线性度<±2％EDC（电控变量）。
其不仅为系统控制，无论是电控、遥控、光控带来了硬件基础，也对液压系统的控制增加了信息处理的手段。
网络装置也可以建立在此系统基础上，通过网络可以对系统中的液压泵进行下列控制或通信：
1）对设备具有远程通信功能。
2）通过远程设备用户可以启用软件调整泵的有关参数。
3）通过远程设备对液压泵进行调试以及故障诊断。
4）对泵的运行参数进行采集及数据下载。
1.2.2容积泵（马达）变量调节的基本原理与特点
变量调节的主要目的是控制系统的流量。
在工程实践中，与流量有关的问题，可以从两个不同的角度来考察与分析。
第一，从系统的角度，考察与分析系统是如何实现调速的。
这里，常将流量控制系统区分为以下几种。
（1）阀控（节流调速）系统定量泵与各种控制阀配合进行调速控制。
其特点是响应快，可进行微小流量调节，但能量损失大，效率低，多用于小功率场合。
（2）泵控（容积调速）系统由各种变量泵与相关变量控制阀配合进行调速控制，其特点是能量损失小，效率高，并能实现多种功能的复合控制，如恒压、恒流、p+q+P（P—功率）等；尽管响应速度较慢，但已能满足大部分工业应用的要求。
（3）变转速控制以往常指由电发动机驱动定量泵的情况，转速的变化往往处于被动状态。
近10年来采用交流电动机的变频调速控制，即通过改变变频电动机的转速，来改变定量泵的输出流量，与发动机转速变化相比，具有主动变速的特点。
与常规的阀控、泵控系统相比，其基本特点是，既有泵控系统节能的特色，又接近阀控系统的快速性。
目前，主要是受到定量泵可能的最低转速（小流量区）和最高可能转速（大流量区）的限制，以及大功率变频器可靠性与经济性的制约。
第二，考察与分析液压泵本身的变量控制，对应于第一的
（2），这属于本书讨论的范畴。
容积调节变量泵的基本类型是排量调节泵，它能在任一给定的工作压力下，实现排量与输入信号成比例的控制功能。
由于泵的容积效率随工作压力升高而降低，故这种泵的输出流量得不到精确的控制。
请注意的是，排量调节泵也可以称为变排量泵，甚至直接称为变量泵。
在20世纪60～70年代，一般工程技术人员概念中的变量泵，就是指的变排量泵。
造成这种认识主要有两方面的原因，一方面，像恒压泵、恒流泵等这类“泵的基本参数能按一定规律自动实现变化的变量泵”问世不久，人们不甚了解；另一方面，有的研究人员认为，这类泵功能的实现，最后还是依靠排量的变化来达到。
到20世纪末，一般都已接受了从不同的角度，将变量泵进行必要的分类，特别是从功能上进行分类，以便正确了解其原理与特性，组成在特性、节能等方面与实际工程系统的要求相适应的液压控制回路。
现今，变量控制机构多种多样，可以从不同角度进行分类，表1-2所示是常见的分类方法。
表1-2容积调节变量泵的分类
按外部操纵方式
手动，机动，电动，液动，电液控制
属于外加信号控制变量
按调节方式
排量，压力（恒压），流量（恒流），恒功率，各种复合控制
泵的基本参数按一定规律自动实现变化
按适应性控制
功率匹配，负载敏感，负载适应
包括与负载的适应，与原动机的适应
排量调节是只利用变量机构的位置控制作用，使泵的排量与输入信号成比例。
在表1-2中，还有压力调节、流量调节和功率调节，其是分别针对泵的输出参数压力、流量或功率进行控制，为此要利用泵的出口压力或反映流量的压差与输入信号进行比较，然后通过变量机构的位置作用来确定泵的排量。
这三种控制功能实际上都是在排量控制的基础上，提出特定调节要求而运行的。
实际上，各种所谓的适应控制，说到底，也是通过各种反馈作用，依靠自动改变泵的排量来达到。
所以，可以说泵的变量控制是一个位置控制系统。
1.4典型的液压变量泵（马达）的变量调节方式与分类方法
变量泵（马达）可以通过排量调节来适应复杂工况要求，这个突出的优点使其得到广泛使用。
变量泵（马达）只有排量一个被控对象，在采用不同的控制方式时，可以使变量泵（马达）具有不同的输出特性。
应根据具体的应用场合，选用相适应的变量控制形式，以便获得合适的输出特性。
目前变量泵的生产厂家众多，控制方式多样。
总结现有各种变量泵（马达）的控制方式及其实现形式，并对它们的特性和应用场合进行研究是十分必要的，这对于液压系统的开发与创新具有指导意义，也可以指导新型变量泵的开发设计。
液压变量泵（马达）的变量控制方式多种多样，按照操纵方式不同，有手动、机动、电动、液动、比例、伺服、气动及其它们之间的复合操纵方式等，按变量控制方式分有压力控制、流量控制、功率控制、负载敏感控制、功率限制控制、转矩限制控制以及由它们组合形成的多种复合控制方式等。
按照是否有反馈可以分为开环和闭环控制，闭环控制又有恒压、恒流、恒功率和负载敏感的适应性控制等。
液压变量泵（马达）控制方式的优劣已经成为了衡量其品质的一个重要指标。
同时变量泵（马达）的变量控制方式已经开始向信息化方向大步迈进，利用计算机丰富的功能拓展变量泵的控制性能，以更好地与负载匹配，实现更多的和更高的性能。
表1-4~表1-14给出了液压变量泵和液压变量马达最常用的变量调节方式分类以及它们的特性曲线。
各种调节方式的区别如下：
（1）控制回路的类型指开式回路还是闭式回路，变量泵也因此分开式回路变量泵和闭式回路变量泵。
通常，开式系统泵相对于闭式系统泵有更多的要求，例如要求其有较好的自吸能力，较低的噪声和较多的变量型式，所以闭式系统泵一般不能用于开式系统。
然而，闭式系统泵生产厂家为了降低成本，提高泵的零件通用化程度，往往在闭式系统泵的基础上派生出开式系统用泵，如博世力士乐A4SVO开式系统泵就是由闭式系统泵A4V基础上发展来的；林德HPR202系列开式系统泵是HPV202闭式系统泵的改进产品。
我国目前大量生产的CY型轴向泵也是属于开式系统重载斜盘泵。
（2）传递动力的不同（液压式或机械式）液压式通过改变先导控制压力来控制泵的排量；压力改变，排量也跟着改变。
机械式往往靠通过手动或步进电动机通过转动手轮经过转角——位移变换，驱动泵的变量机构。
（3）控制方式（直动式或先导式）原理类似于溢流阀的先导控制和直接控制，采用先导控制可以节省控制功率，但结构复杂。
（4）运行曲线（定位和可调式）实际是固定的变量方式和可调的变量方式之分，如恒功率变量，其调定的压力流量曲线形状是条双曲线，形状是固定的，而采用电液比例控制，可以按实际需求实现不同的输出压力流量曲线形状。
（5）开环（无反馈式）泵输出的压力或流量是开环控制的，若有干扰存在，会使输出量发生变化而不能纠偏，控制精度不高。
（6）机械——手动式如手动伺服变量控制，通过手动，操控滑阀的开口，产生相应的输出压力和流量来控制泵的变量机构。
（7）电气——机械式如电动变量柱塞泵DCY14-1B，通过可逆电动机驱动螺杆和调节螺母，推动滑阀产生开度，从而推动变量调节液压缸调节泵的斜盘倾角，改变泵的输出排量。
（8）机械——液压式类似机液伺服系统，如CY14-1B系列泵中的伺服变量控制。
（9）电气——液压式通常采用比例电磁铁进行控制，如用比例阀来控制变量泵的变量液压缸，改变泵的排量，泵的排量与电磁铁的电流成正比。
（10）液压——液压式如HD液控方式，取决于先导控制压力pst的压差，液压泵行程缸通过HD控制装置将控制压力提供给液压泵的变量活塞。
泵斜盘和排量无级可变。
每个控制管路对应一个一定的液流方向。
（11）闭环（有反馈式）采用电液比例控制变量泵（马达）的出油口（或进油口）装有检测其工作压力p和流量q的传感器，对于液压泵来说，输出特性就是输出压力p和流量q的函数f（p、q），通过对所检测到的流量和压力信号进行处理后根据工作需要控制变量泵的电液比例控制器工作，改变泵输出的流量和压力以达到液压装置所需的工作要求。
（12）液压——机械式通过先导液压油提供恒定的先导压力来操控泵的变量机构，通过改变控制压力的大小来调节泵的排量，通常要比手动省力。
（13）液压——电气式这种方式是用电机械转换元件如电磁铁或电动机,通过液压控制阀带动泵的变量机构动作，一般不如比例阀或伺服阀控制的变量调节系统精度高。
表1-4液压泵的变量调节（机械——手动）
名称
手动调节
机械转轴调节
电动机调节
运行曲线
符号含义
Vg——特定排量；s——位移；——可调角度
备注
机械—手动式，与位移成正比
可调角度，可逆转
机械——电气式，带电动机
表1-5液压泵的变量调节（液压—机械）
名称
直动式液压调节（与压力有关）
液压调节（与行程有关）①
液压调节（与行程有关）
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；pst——先导压力；s——位移；——可调角度
备注
液压——机械式，与先导压力pst成正比
液压——机械式，与可调角度成正比
液压——机械式，与位移s成正比
1零位有死区
表1-6液压泵的变量调节（液压——液压式）
名称
液压调节（与压力有关）
液压调节（与压力有关）
液压调节（与行程有关）①
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；pst——先导压力
备注
开环回路或反转运行时，排量正比于液压泵的先导压力
①零位有死区。
表1-7液压泵的变量调节（液压-电气）
名称
电动调节，带比例电磁铁
电动调节，带比例电磁铁
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；I——先导电流
备注
使用比例电磁铁，开环或闭环回路的排量与先导电流成正比
表1-8液压泵的变量调节（液压-取决于排量）
名称
液压调节，与流量有关
液压调节，带伺服阀
电子调节
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；Vs——定位排量；U——先导电压；pHD——高压；I——先导电流
备注
与定位排量Vs成正比，可反转
安装电液伺服阀，排量与先导电流I成正比
带伺服阀电液控制，可反转运行，电子放大器可实现控制功能
表1-9液压泵控制器（液压式）
（一）
名称
压力调节器
流量调节器
压力和流量调节器
运行
曲线
符号
含义
q——流量；pHD——高压
备注
通过系统压力适应，保持泵的流量恒定
通过泵的流量适应，保持系统压力恒定
机械式压力调节器叠加在流量控制上
表1-10液压泵控制器（液压式）
（二）
名称
功率控制器
总功率控制器
压力、流量调节器和功率控制器
运行
曲线
符号
含义
q——流量；pHD——高压
备注
恒转矩输入下的（闭环）控制；功率=转矩×转速
在双泵并联运行时，通过压力相加实现功率自动分配
功率控制器叠加在压力和流量调节器上
表1-11各种液压泵的控制器
名称
负载敏感式功率控制器
压力截止和负载敏感式功率控制器
压力、流量调节器电子式
运行
曲线
符号
含义
pHD——高压；q——流量；phydr——液体压力；
——电信号；psoil——需要的压力；qsoil——需要的流量
备注
在负载敏感上叠加压力调节器，泵可根据负载进行调节
最大驱动力受到功率控制器的限制；泵的流量取决于执行机构
电子式控制可作为液压组合式调节器的备选器件
表1-12液压马达的变量调节（液压式）
名称
液压调节（与先导压力有关）
液压两点式调节
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；pst——先导压力
备注
与先导压力pst成正比
两点调节
表1-13液压马达的变量调节（液压电动）
名称
电动调节（带比例电磁铁）
电动两点式调节
（带开关电磁铁）
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；I——电磁铁线圈电流
备注
带比例电磁铁
带开关电磁铁，两点调节
表1-14液压马达控制器
名称
自动控制，与高压有关
速度调节，次级控制
液压控制，与速度有关
运行
曲线
符号
含义
Vg——特定排量；pB——工作压力；n——转速；pst——先导压力；
——电信号
备注
液压控制、自动，与高压控制有关；自动调整到需要的转矩
这类液压泵以次级控制用作液压马达
与速度有关的液压控制，是行走机械液压自动控制的基础
1.5液压系统对泵（马达）变量控制的要求
液压系统，特别是容积调速的泵控系统对泵的变量控制要求越来越高，主要有如下几点。
1）压力、流量和功率均可控制。
这是变量泵的一种发展方向，如一种机电遥控变量泵系统，该系统包括一台比例变量泵、CPU中央处理器、压力传感器、比例溢流阀、变量活塞行程检测装置，通过将压力、流量、电动机功率三种信号反馈给CPU使泵的输出可实现比例、恒压、恒功率三种控制形型式。
2）流量控制范围大，可正向控制，也可负向控制。
3）较短的换向时间，较高的固有频率，适应闭环控制需要。
4）阀控系
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