轴向柱塞泵/马达技术的发展演变 - 文章

轴向柱塞泵/马达技术的发展演变

作者：杨华勇张斌徐兵

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摘要：轴向柱塞泵/马达在发展过程中的技术演变进行了详细介绍，并对其发展走向进行分析。针对轴向柱塞泵/马达的主要问题，阐述了国内外的研究现状。介绍了在计算机技术和电子测量技术进步的基础上应运而生的轴向柱塞泵/马达的新技术、新方法。最后针对我国柱塞泵/马达的发展的情况，提出了一些要求，并进行了展望，指出只要紧跟国际潮流、不断在技术和方法上创新，我国的轴向柱塞泵/马达技术将迎头赶上、在我国现代化建设中继续扮演重要的角色。
关键词：轴向柱塞泵/马达虚拟样机模型泵发展演变

前言

轴向柱塞泵/马达是液压系统中重要的动力元件和执行元件，广泛地应用在工业液压和行走液压领域，是现代液压元件中使用最广的液压元件之一。此外，由于轴向柱塞泵/马达结构复杂，对制造工艺、材料的要求非常高，因此它又是技术含量很高的液压元件之一。

近年来，随着材料、制造、电子等技术的发展，轴向柱塞泵/马达的新技术层出不穷，例如荷兰Innas公司开发的Float Cup结构轴向柱塞泵，丹麦的Saur-Danfoss公司为工程机械量身定做的H1系列的多功能泵，德国Rexroth公司推出的电子智能泵等等。而我国自20世纪六、七十年代开发了CY系列和引进Rexroth技术的泵/马达后，轴向柱塞泵/马达技术进展缓慢。近年来，随着我国经济的腾飞，在工业现代化和大规模城市化进程中，工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向柱塞泵/马达的需求十分旺盛，因此提高我国轴向柱塞泵/马达的性能显得十分迫切，对轴向柱塞泵/马达技术革新的要求也十分紧迫！纵览国内外轴向柱塞泵/马达技术的发展演变对认识轴向柱塞泵/马达的发展趋势和加快我国轴向柱塞泵/马达技术的发展都有着重要的指导意义和现实意义。

1 轴柱塞泵/马达的演化历程

1.1 演化历程

轴向柱塞泵/马达的雏形可以追溯到十六世纪初，Ramelli开发了用于从矿井里往外汲水的皮革密封的轴向柱塞泵，如图1。从结构上看，它和现在的柱塞泵已经十分相似[2]。直到1905年，美国Harvey William教授和Reynold Janny工程师设计了端面配流的斜盘泵/马达的静液传动装置，用在军舰炮塔转向的液压系统中，后来人们称此结构的泵为Janny泵，如图2

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1907年，美国人Renault改进了Janny的这种柱塞传动机械，有效提高了其的运行效率[2]。

斜轴式柱塞泵发展较晚，1930年，瑞士Hans Thoma教授设计了第一台斜轴泵，后人常把斜轴泵称为Thoma泵，如图3[3] 。其缸体中心线与传动轴中心线成一夹角，使缸体对配油盘的倾复力矩减小，因此允许的倾角较大。

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图3 Thoma 泵

20世纪50年代中期，美国Denison公司和英国Lucas公司摆脱Janny泵的传统，设计了轴承支承缸体的斜盘泵。这种泵传动轴只传递扭矩，不传递弯矩，保障了配流副的良好接触，加上制造水平的提高，使其工作压力提高到35 MPa，转速也大幅提高，引起斜盘泵历史上的一次飞跃。

20世纪60年代中期，由于对液压系统集成化的要求，特别是在行走车辆闭式回路的应用，通轴泵获得了新的发展 [5-6]。主轴尾端可以安装辅助泵或其他作用的泵，使通轴泵具有集成多种元件的复合功能，大大简化了液压系统，这是斜盘泵/马达发展的另一次飞跃。

20世纪70年代以后，欧美很多轴向柱塞泵/马达的制造商逐渐崛起，针对不同领域做了很多技术革新，比如Vickers针对注塑机节能的要求推出PVB轻型泵；泵/马达和电子技术结合也越来越紧密，出现了多种多样控制方式。

1966年，我国综合了国外后斜盘式柱塞泵的特点，设计出CY14-1型轴向柱塞泵/马达。经过30多年的实践，对CY14-1相继做过四次大的改进，前两次以标准化和缩小体积为主，改进为CY14-1A型。第三次针对配油盘烧损和斜盘磨损以及工艺问题，形成了CY14-1B型泵/马达。第四次针对CY14-1B型噪声高、转速低、易松靴脱靴、可靠性差、自吸能力差，规格不全和无通轴泵等缺陷，开发了Q**CY14-1Bk系列开式低噪声泵和QT**CY14-1Bk系列通轴泵。

进入九十年代后，德国Rexroth公司开发了A4V泵。柱塞与传动轴成一交角，工作时离心力有助于柱塞的回程，也有利于减小配流盘直径，降低缸体配流面的线速度；采用球面配流，有利于补偿轴向偏载对缸体产生的倾复力矩。

进入21世纪，荷兰Innas公司设计了一种名为Floating Cup结构的轴向柱塞泵，如图4。这种泵为双层柱塞结构，类似于将两个泵面对面的叠加，它可以平衡泵一部分的轴向力，减轻轴承的工作负载，减少流量脉动，降低噪声[9]。

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从最初用于低压排水到现在高压甚至超高压的驱动方式，柱塞泵的性能得到了巨大的提升，应用也越来越广。

1.2 分类比较与发展趋势

按照配流方式来分，轴向柱塞泵/马达可以分为阀配流式和端面配流式，但是阀配流由于靠单向阀来实现配流，无级变量困难、自吸能力差、不可逆，因此其应用越来越少，本文将不作详细介绍。

就端面配流而言，可分为斜盘式和斜轴式。由于斜轴泵/马达的倾角比斜盘泵/马达的要大，可达到40°左右，因此作为液压马达启动效果好和输出扭矩大。但其结构复杂，工艺性差，而且不能实现通轴式结构，加上变量结构复杂，使得其作为液压泵在现代液压领域的应用有所减少。

斜盘泵除了斜盘倾角比斜轴泵略小之外，其他各个方面都获得了不错的综合性能。本文也将以斜盘泵为重点进行介绍。

近年来，轴向柱塞泵的发展趋势呈现出了以下一些新的特点。

(1) 高速化、高压化是轴向柱塞泵/马达的发展方向。这体现了其功率密度的提高，而且使其可以直接与发动机匹配，应用更为方便。

(2) 无论是定量还是变量的斜轴马达，由于启动性能好和传递扭矩大的特点，都有着较好的前景。

(3) 轻型轴向柱塞泵由于成本仅比叶片泵高20%左右，但是性能却比其高不少，可以和叶片泵进行竞争，这也是轴向柱塞泵的一个发展方向[1]。

(4) 和电子技术相结合，实现多种控制方式。Rexroth公司推出的电子泵，实现对压力流量进行精确的闭环控制。此外变频控制也在液压电梯、注塑机等领域逐步开始应用。

2 关键技术及其国内外研究现状

2.1关键摩擦副润滑与摩擦磨损优化技术

轴向柱塞泵/马达在其发展历程中柱塞副、配流副和柱塞与斜盘的接触副（现在基本上是滑靴结构）这三个摩擦副始终没有发生大的变化。它们是吸油、压油、配流完成泵/马达工作的最重要的环节，也是产生能量耗散、泄漏、流量脉动的地方，泵/马达的性能和寿命与这些摩擦副息息相关，因此摩擦副的改造和优化也就成了轴向柱塞泵/马达的最重要的关键技术之一。

美国普渡大学（Purdue University）Monika教授通过对柱塞副的间隙处油膜动力学、摩擦力和能量耗散的研究，揭示了不同形状的柱塞所受摩擦力的分布规律，得出圆柱形并不是最好摩擦状态的柱塞形状，如图5所示，而且认为柱塞在柱塞腔有更为复杂的微观运动，如图6所示，该运动可以简化为柱塞绕轴Zx的旋转，在A断面和B断面处柱塞中心线相对Zx轴在X方向和Y方向的偏距为矢量e={e1,e2,e3,e4}，通过式（1）可求解柱塞的受力状况，此微运动模型也得到了相应的试验验证[11]。

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图5 柱塞形貌和摩擦力的关系

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图6 柱塞在柱塞腔的微观运动示意图

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式中 FeKi—— 柱塞受到的各个偏心位置机械外力的作用，i=1，2，3，4；
FfKi—— 柱塞受到的各个偏心位置液压力的作用，i=1，2，3，4；
e—— 柱塞中心线相对于轴衬中心线的偏距矢量；
Δh—— 柱塞与轴衬间的油膜厚度矢量；
t—— 时间。

德国亚琛工业大学(RWTH Aachen)集中在对压力梯度及摩擦力的研究上，分析了对柱塞泵/马达三个摩擦副的摩擦力分布规律及其带载能力。

此外，国外还有很多研究机构进行了相关的研究。英国的巴斯大学(University of Bath) 、日本新滹大学(Niigata University) [13]对柱塞副之间油膜的压力场特性开展微观层次的研究工作；美国密苏里-哥伦比亚大学(University of Missouri-Columbia)对柱塞腔内的摩擦力，对滑靴副间隙泄漏特点，对配流副的容积效率进行了研究[14-16]；伯明翰大学(University of Birmingham)对滑靴副油膜的压力分布和承载能力开展试验和理论分析[17]等等。

在国内，兰州理工大学的那成烈等对配流盘压力流量脉动进行了分析，并设计了减小脉动的配流机构。哈尔滨工业大学的许耀铭等对滑靴和配流副进行设计与试验研究，同时在油膜理论方面进行了探索[19]。浙江工业大学分析了滑靴在变粘度条件下的支撑及泄漏特性[20]。浙江大学也对配流副与滑靴副润滑特性进行了研究，并搭建了配流副润滑特性试验系统[21]。

2.2减震降噪技术

减振降噪是关系到轴向柱塞泵/马达发展前途的关键技术。随着社会的进步，人们对工作环境的要求越来越高，噪声是工作环境优劣的一个重要衡量指标。世界各国对液压泵的噪声也有着明确的规定。在液压设备中，泵/马达是液压设备的主要噪声源。轴向柱塞泵/马达由于缸体输出的油液的不连续和吸油、压油腔的分离结构使其产生了较大的流量脉动和液压噪声，此外还有复杂流道产生的气穴噪声。液压噪声和机械噪声的交织形成了轴向柱塞泵的整体噪声。

MANRING教授通过考虑油液的压缩性和泄漏进行分析验证了奇数和偶数柱塞泵/马达的脉动差别不大的结论 [22] 。我国的王意、叶敏、许贤良等通过研究配流过程推导出了相似的结论。哈尔滨工业大学、燕山大学也开展了降噪方面的研究。

德国亚琛工业大学通过研究在泵/马达的壳体上设置减震结构，如图7，在一定程度降低柱塞泵的振动，此项成果已经在Rexroth的泵/马达上应用。

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1.3电液变排量控制技术

轴向柱塞泵/马达的变量控制方式多种多样，按照操纵方式不同，有手动、电动、比例、伺服等，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等，轴向柱塞泵的控制方式的优劣已经成了衡量其品质的一个重要指标，但变量控制也存在着一些问题，这些问题的改善和解决也是轴向柱塞泵/马达的一项重要技术。

(1) 由于轴向柱塞泵/马达配流结构，会产生较大的流量和压力脉动，对控制的干扰比较大。

(2) 变量范围偏小。斜盘泵主要依靠改变斜盘倾角来实现变量，倾角受倾覆力矩以及滑靴结构等因素的限制，一般在18°以内。德国Linde公司02 系列泵采用新滑靴球铰结构使倾角增大到了21°。普通球铰是滑靴包柱塞结构，而02系列为柱塞包滑靴结构，球窝做在柱塞上。这种结构使其排量增大16%，体积缩小18% 。

(3) 轴向柱塞泵/马达的变量机构对油液污染一般都很敏感，需要对介质很好的维护。

1.4新材料与新工艺相关技术

由于轴向柱塞泵/马达结构、运动和流场都比较复杂，其中的关键摩擦副对磨损和受力要求都很高，而且为了保证油膜间隙对加工精度的要求就更高，因此新材料的应用和新的制造工艺对轴向柱塞泵性能的提升也有着重要的意义。只是新材料和制造工业需要依赖材料相关学科的突破和整体制造水平的提高来实现。

3 轴向柱塞泵/马达研究的新技术

近年来，随着计算机运算能力的不断增强和微电子传感技术的发展，使得基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵的仿真技术和基于模型泵思想的轴向柱塞泵的试验技术发展了起来。

3.1基于虚拟样机的轴向柱塞泵/马达仿真技术

虚拟样机技术是一项新生的工程技术。可以在计算机上建立机械系统的三维模型，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，它以对象的动力学/运动学模型为核心，其他相关模型为补充。

由于轴向柱塞泵/马达中某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合，液压系统也存在大量非线性环节，运用传统试验法和理论分析法设计和优化泵/马达费工费时，而且分析结果往往与实际相差甚远[23]。而虚拟样机的分析方法完全按照对象最本质的因素建模，在动力学特性上非常接近于物理样机，因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机设计性能的评估[24]。

液压系统虚拟样机技术是利用目前所具有的CAD建模技术，融合先进的液压仿真技术，对液压系统的动、静态特性进行预测和研究 [25]。因此基于轴向柱塞泵/马达的动力学关系，耦合液固两种建模方式，建立两种模型可以实时通信的虚拟样机，用来进行轴向柱塞泵/马达的仿真。

德国亚琛工业大学采用液压系统仿真软件DSHplus和多体动力学仿真软件ADAMS联合进行仿真，其中机械模块以ADAMS中的物理模型和动力学关系为基础[26]，液压模块用于计算流体产生的压力参数，摩擦模块用于计算摩擦力[27-28]，通过多个模块可以对泵的关键摩擦副进行联合仿真，其数据流程如图8所示。这是一种初步的虚拟样机的思想，对以后的研究有重要的启发意义。

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Rexroth公司使用ADAMS软件自带的液压模块和斜轴泵动力学模型耦合，对传动轴进行了动力学仿真（图9），为倾角的优化提供了依据[29]。

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Parker公司于2004年首次明确提出了采用虚拟样机的思路对轴向柱塞泵进行研究。他们采用液压系统软件EASY5和ADAMS联合建立虚拟样机，如图10。对柱塞腔的摩擦力、压力脉动和部分结构件的动态应力状况进行了仿真分析，为泵的设计及产品优化开辟了新的途经[30]。

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在国内，浙江大学也开展了轴向柱塞泵/马达的虚拟样机方面的研究，对HAWE的V30泵采用ADAMS和系统仿真软件AMEsim来建立虚拟样机（图11），通过动力学和液压两个模型的实时交互完成联合仿真并对轴向柱塞泵的流量脉动以及柱塞和主轴的动态应力进行了分析[23]。

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图11 柱塞泵虚拟样机数据流程和三维模型

采用虚拟样机的仿真手段可以降低试验成本，提高试验效率，缩短产品的研发周期，对于轴向柱塞泵/马达的开发和故障诊断都有着重要意义。

3.2 基于模型泵思想的马达试验技术

轴向柱塞泵/马达结构复杂、液固耦合而且高速旋转的特点决定了针对其局部特性的试验研究往往要进行多次简化，这使得试验与泵/马达的真实运行情况相差甚远。例如2004年，MANRING教授搭建了柱塞副静态特性的试验装置（图12）[14]，用一个静态柱塞副研究其油膜特性，这种方法和实际相差较远，仅能定性的做一些理论验证。

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图12 MANRING 教授柱塞副试验平台

近年来，随着电子传感技术的进步，使得在泵/马达的基本结构不变的条件下对泵的内部流体特性进行检测成为可能。这就是模型泵的试验思想，以实际泵/马达为基体，采用微传感器和无线数据传输等技术实现在动态情况下在线检测泵/马达的特性参数，模型泵甚至可以和实际产品一样驱动负载。因此这样的测试结果更有说服力。这种基于模型泵思想的测试平台对元件的优化和改进有着十分重要的指导意义。

2000年，OLEMS[31]阐述了一种基于模型泵技术的平台，用来测试泵内部温度场和压力来研究柱塞腔的能量耗散情况，如图13。试验台采用细小的热电偶和和微型压力传感器来测试温度分布和压力值，采用无线传输的方法把数据传输到计算机上 [24]，结果表明测量结果和实际吻合很好。

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图13 Olems温度测试平台

IVANTYSYNOVA等阐述了其测试柱塞腔内摩擦力和压力的测试平台，如图14。用三维压力传感器来测量摩擦力、传感器数据线通过缸体到主轴，然后无线传输至计算机上。这种研究柱塞副三维方向摩擦力的观点是更为切合实际的。

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图14 摩擦力测试平台

此外，Monika研究小组还建立了柱塞副腔内的压力分布测试平台。试验台采用单个柱塞结构，柱塞固定，通过斜盘旋转来实现柱塞泵工作模拟，只是单柱塞的结构可能会对试验带来一些局限。

德国亚琛工业大学也搭建了基于模型泵思想的摩擦副实验台并进行了相关研究。

采用模型泵的试验技术和实际更相近，结果可以更逼真地描述其实际工作的情况，这对于泵/马达的研究和新结构的设计与优化有十分重要的作用。

4 我国的发展现状和差距

国产轴向柱塞泵/马达主要有引进国外技术的产品和我国自主研发的CY系列柱塞泵/马达。引进国外技术Rexroth、Yuken等系列，性能介于国外产品和CY泵之间。纵观国产轴向柱塞泵/马达发展现状，主要有以下特点。

(1) 就性能指标来讲，国产Rexroth系列的排量、额定压力、转速都要比CY系列的大一些。其额定压力35 MPa，峰值压力达40 MPa；转速达到2000 r/min以上，而CY系列额定压力在31.5 MPa，转速一般限定在1500 r/min。

(2) 就市场份额来看，CY由于价格优势仍稳定占有一定的低端市场份额，但利润率低。由于性能不稳定很难应用于工程机械、注塑机等领域。国产Rexroth产品有少量应用于起重机等领域。国外产品凭借性能优势占据了较大的高端市场份额。

(3) 就企业情况来看，在欧美，轴向柱塞泵/马达的生产厂家是比较多的，但在国内比较有影响力的也只有六至八家，而且其中多数采用的国外的技术。

由于我国液压行业的基础薄弱，和国外的技术水平相比，国内还是比较落后的，在轴向柱塞泵/马达领域主要表现在以下几个方面。

(1) 和国内屈指可数的几个企业相比，国外企业数目很多、规模很大。比如Rexroth、Eaton、Linde、Parker、Denison、Danfoss、Hawe、Yuken等；另外小松、川崎和三菱等一些企业，生产的泵/马达直接为自己的工程机械整机配套。

(2) 国外的厂家有丰富的产品线，产品系列多，产品型号全，比如Rexroth 的AF系列、AV系列、KVA系列等，为工业液压和工程机械液压行业配置了丰富的产品线。

(3) 国外产品性能出色，技术更新快。排量从几毫升到上千升，额定压力有的可达40 MPa以上，自吸转速大多都在2000 r/min以上，个别小排量的甚至达到8000 r/min以上，而且寿命长、噪音低。

(4) 就变量控制方式来讲，国外产品变量方式比较多，而且各种变量方式又有很多可选功能。

虽然有差距，但我国对轴向柱塞泵/马达的需求却一直很旺盛，这对轴向柱塞泵/马达的发展是一个很大的机遇，只要能够在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵/马达技术和产品一定可以上一个新台阶。

5 结论

纵览轴向柱塞泵/马达技术漫长的发展演变，可以得出以下三点结论：

(1) 轴向柱塞泵/马达在发展中，基本结构保持了稳定，高速高压以及良好的控制方法是其发展的方向。

(2) 随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于泵/马达的研究，使仿真和试验更为接近现实，泵/马达设计和优化的效率大大提高。

(3) 我国的轴向柱塞泵/马达技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵/马达技术的发展有很大的推动作用。因此只要能紧跟国际技术潮流，发挥后发优势，一定能赶上国际先进水平，甚至后来居上。

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