工程机械用斜盘式轴向柱塞泵.pdf

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1、工程机械用斜盘式 轴向柱塞泵 Swas hp l a t e a x i a l pi s t on pu m p i n c on s t r uc t i on ma c hi ne r y 液压 泵是 液 压 传 动系 统 的动 力 元 件 ，按结构形式可分为齿轮泵、叶片泵和 柱塞泵等。由于工程机械工作条件恶劣、 负载重 、变速范围大、多系统动作等特 点，因此具有压力高、转速高、体积小和 变量控制方便等优点的轴向柱塞泵与马达 在工程机械中得到了广泛的应用。轴向柱 塞泵主要结构形式有斜盘式和斜轴式两大 类。斜盘泵可制成通轴式，与带曲折摇架 的斜轴泵相 比体积小 ，且能方便地集成安 装闭式油

2、路所需的补油泵和各个辅助阀 组，还能同轴安装第二台甚至第三台泵构 成紧凑简单的多联泵，因此通轴式斜盘泵 在工程机械的应用更广泛。而对于液压马 达 ，斜盘式和斜轴式的结构都有较广泛的 应用。目前，生产通轴式斜盘泵的著名生 产商有德 国林德( L i n d e ) 公司 、美国萨澳 一桑斯川特( S a u e r - S u n d s t r a n d ) 公司、德 国博世 一力士乐( B o s c h R e x r o t h ) 公司 、 意 大利 萨 姆 ( S a m)公 司 、美 国伊 顿 ( E a t o n ) 公 司 、 法 国 波 克 兰 ( P o c l a i

3、 n ) 公 司等。 图1柱塞包滑履结构 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 王海飞 1 德 国林 德( L i n d e )公 司 的 0 2 系列 1 1 结构与性能特点 林德公司于1 9 9 8 年在慕尼黑工业展 览会上全面推 出其开发的0 2 系列泵 ( 马 达 ) 。 0 2系 列 均 为斜 盘 式 轴 向柱 塞 元 件 ，包括开式泵( H P R ) 、闭式泵( H P V ) ， 定量马达( H MF ) 、变量马达( H M V R ) 。其 结构上与常规斜盘泵( 马达) 的最大不同之 处在于柱塞与滑履的连接方式：普遍的结 构是滑履包柱 塞，而0 2 系列泵 ( 马达

4、 ) 的滑履与铰接球头加工成一体 ，而球窝做 在柱塞上 ，即为柱塞包滑履 ( 见图1 ) 。 这种独特的结构减小了柱塞滑履组件的总 长度 ，并且由于较好地解决了柱塞受力问 题 ，使 得 斜盘 最 大摆 角可到 2 1 。 。因此 在相同条件下 ，0 2 系列泵( 马达) 的最大排 量较常规的斜盘式泵( 马达) 增加约1 6 ， 功率密度显著提高。 0 2 系列元件的壳体 为整体式 ，与组 合式壳体相 比，消除了泄漏 ，增强 了刚 度。滑动副采用了新的耐磨材料和表面处 理技术 ，在减小间隙、提高容积效率的同 时，也降低了摩擦损失。滚动副采用了静 压轴承，使工作寿命增长 ， 还 明显降低了 噪声，

5、缩短了泵的响应时间。 0 2 系列泵， 马达额定压力为4 2 MP a， 最大压力可达5 0 MP a ，壳腔额定压力为 0 2 5 MP a ，壳体允许温度为9 0。 ( 1 )HP R泵 HP R 泵适用于开式系统 ，其 排量范 围为5 5 N2 1 0 mL r ，共5 种规格。H P R 泵 与其他开式系统变量泵相 比具有较强的自 吸能力，在最大排量和额定转速情况下 ， 吸油压力仅为0 1 MP a 。液压泵是液压系 统噪声的主要噪声源之一 ，林德公司为解 决这一问题 ，在HP R泵的配油盘上装有 S P U 消声器 ，该消声器具有一个附加的 静音室 ，直接贴近配油盘 ，消除了因压力

6、脉动和流量脉动所产生的噪声。 图2带S P U 消声器的H P R 泵 H P R 泵采用负荷传感 ( L S )控制方 式 ，通过连续监测系统 中的负荷压力与泵 出口压力 ，根据需要实时调节泵的输出流 量 。与 恒功 率控 制 变量 泵不 同的 是 ， H P R 泵可在功率双 曲线下的任一点处工 作，泵只输出系统所需流量，无多余流量 和溢流损失 ， 发热少、效率高。惟一的损 失是 由维持压差p 引起的。为满足多种 应用，H P R 泵具有 电控调节 ( E 1 L )负荷 传感控制、功率限制负荷传感控制和压力 切断负荷传感控制方式。 HP R泵广泛用于挖掘机、装载机 、 叉车等工作液压系统

7、中。 ( 2 ) H P V 泵 H P V泵为双向斜盘式变量 泵 ( 见 图 3 )，其 排 量 范 围为 5 5 N 1 3 5 mUr ，共 4 种 规格 。H P V 泵 的补油泵带有 冷启动 J l 脚 暑c 脚 2 D 1 2 1 维普资讯 http:/ 阀 ，在液压 油粘度较高时 ( 如气温较低 时)，泵也能进行安全启动，其工作原理 如图4 所示 。当油液粘度较高时 ，通过滤 油器的阻力较大，而补油溢流阀的设定压 力较低 ，油液通过溢流阀又回到补油泵的 进油口，而进入斜盘伺服缸的控制油很 少，斜盘倾角较小，主泵工作在 J IE 量工 况下。油液温度升高后，粘度降低 ，控制 油流进

8、入斜盘伺服缸，引起斜盘倾角发生 变化 ，从而使泵的排量增大。冷启动阀避 免 了在油液粘度较低 时 ，补油泵吸油不 足，造成回路缺油的现象。补油泵的吸油 方式有内吸式 ( 从泵的壳腔吸油)和外吸 式 ( 从油箱吸油)。内吸式补油泵的工作 原理如图4 所示 ，泵的壳腔与油箱相通 ， 补油泵从壳腔吸油 ，油液经过散热器进行 散热 ，然后进入主回路。这种吸油方式可 以降低壳腔内油液的压力和温度。 图3 H P V 泵 1 2 控制方式 H P V 泵的控制方式有机液、 电液比 例和液压控制 ( 恒功率、恒压、恒流量调 节)等方式 ，其控制机构主要 由先导变量 油缸、伺服阀和斜盘伺服油缸等构成。根 据实

9、际系统需要 ，可选择 H P V 泵是否带 压力切断阀。因各公司知识产权的限制 ， HP V 泵 的压力切断阀与萨澳9 0 泵、力士 乐A 4 V G泵等的工作原理有所不同。如图 5 所示 ，若上端为高压 ，系统压力作用在 两位两通阀的阀芯一端与另一端弹簧力平 衡。当系统压力到达切断压力时 ， 两位两 通阀阀芯在高压油作用下 ，克服弹簧力左 移 ，先导变量油缸右腔与减压阀导通，右 腔油压减小 ，活塞右移 ，同时推动伺服阀 右移，补油泵压力油经过伺服阀进入斜盘 伺服缸左腔，推动伺服缸活塞右移，斜盘 倾角减小 ，泵的流量随之减小 ，系统压力 降低。 H P V 泵电液 比例控 制可根据 需求选 用

10、带有2 个比例 电磁铁或带有3 个电磁铁 ( 2 个 比例电磁铁 ，1 个开 关电磁铁)的 图4 内吸式补油回路 图5 压 力切断 回路 结构。2 个比例电磁铁适用于一般应用 ， 3 个比例 电磁铁适用当电路发生故障时仍 必须满足特定要求的移动设备 中。如图 6 所示 ，在正常情况下 ，第三级开关电磁 铁M 通 电将单向阀关闭，泵的排量 由两 个比例 电磁铁M 和M 来控制 ，其控制过 程如下 ：当比例 电磁铁M 或M 通人电流 时 ，与之相连 的比例减压 阀产生位移 x 1 ，并产生相应的减压压力P a 的油流进人 先导变量活塞 ，在P a 作用下，活塞克服弹 簧阻力移动x 1 ，并推动伺服

11、阀移动x 1 。补 油泵压力油经伺服阀进人斜盘伺服油缸 ， 改变斜盘倾角，实现排量的变化。在电路 断开或信号错误 的情况下 ，开关电磁铁 M 断电 ，与之相连的单 向阀打开 ，补油 泵压力油与壳腔相通 ，方向阀在弹簧力作 用下回到右位 ，斜盘伺服油缸两腔回油阻 尼加大，斜盘缓慢回到中位。这一附加的 第三级电磁铁可以确保在断电的情况下泵 的排量缓慢减小 ，使设备平稳停止工作 ， 避免 了急停方式。 H P V 泵采用比例 电磁 减压阀控制先导变量活塞 ，而伺服阀控制 变量斜盘的转动角度，先导变量油缸和斜 盘伺服缸的驱动是由补油泵的全部压力来 图6 三电磁铁 电液比例控制 推动 的 ，这种控制方式

12、所需电流小 ，响 应快。 HP V泵适用于拌 和机 、推土机 、平 地机等牵引型机械的行走驱动系统以及压 路机、拌和机 、搅拌运输车等机械的工作 装置液压驱动系统。 2美国萨澳( S a u e r ) 公司的9 0 系列 2 1 结构与性能特点 美国萨澳- 桑斯川特公司生产的9 0 系 列斜盘 式轴 向柱塞泵是在其生产的2 0 系 列柱塞元件的结构基础上改进过来的 ( 见 图7 ) ，最高压 力从3 4 5 MP a 提 高到4 8 MP a，提高 了3 7 ，泵的最高转速依不 同规格提高了1 2 1 5 ，同排量的元件 I： L 2 0 系列重量减轻2 0 2 5 ，比功率 增 1 6 0

13、 1 0 0 。9 0 系列泵的排量范围 为3 0 2 5 0 mUr ，共8 种规格 ，泵的壳腔 额定压力为0 3 MP a 。 9 0 系列泵 的斜盘伺服缸在2 0 系列的 基础上，由2 个改为1 个 ，结构简单。斜 盘由固定在壳体上的滑动滚针轴承支承， 操作斜盘变量减小 ，缩短变量时间，同时 斜盘零位调整准确 ，泵的工作更可靠。壳 体与后盖之间密封材料为不锈钢片涂聚四 氟的复合材料并压制出凹槽 ， 可以将少量 泄漏油引回壳体 ，壳体外形缩小 ，减少了 外泄漏的面。由于密封材料的改进使此元 件的许用油温从9 0提高到1 1 5 ，使 其具有更好的适应行走机械动力装置恶劣 工作环境的要求。

14、图 7 9 0 泵 9 0 系列 泵设 计有 独 特 的 多功 能 阀 ( 如图8 ) ，该多功能阀由压力限制器传 感阀和高压安全阀组成，布置在补油泵出 口的2 个单向阀后面。压力限制器传感阀 限制系统的压力，当系统压力超过设定值 时 ，高压油通过压力限制器传感阀的节流 口，使斜盘伺服油缸低压侧的压力升高 ， 斜盘倾角减小 ，泵工作在设定压力点上。 由于压力限制器传感阀先于高压安全阀工 2 R Msc M 2 o o 4 1 2 维普资讯 http:/ 作 ，从而避免系统持续高压时高压安全阀 长时间开启 ，造成系统发热严重。因此， 高压安全阀只有在突发载荷发生时才开 启 ，压力限制器传感阀起先

15、导控 制作用 ( 压 力 限 制 器 传 感 阀 的 响 应 时 间在 9 0ms 左 右) 。 图8多功能阀回路 2 - 2 控制方式 9 0 系列泵具有 多种变量调节 形式 ， 如机械伺服控制、电液比例控制和液压控 制等，以适应各种主机配套。在机械伺服 控制和电液比例控制机构中设有手动压力 过载装置，防止泵工作在超载工况。 电液 比例控制的控 制机构主要 由比 例电磁铁、压力先导阀、伺服阀和斜盘伺 服油缸等组成。其控制原理如图9 所示 ， 压力先导阀的作用是将电磁铁中的输入电 流转化为相应的先导压力，操纵弹簧对中 的四通伺服阀动作，使得通往斜盘伺服缸 的油路导通 。补油泵压力油经四通阀进入

16、 斜盘伺服缸一侧 ，使斜盘架倾斜 ，改变泵 的排量。斜盘的倾角 ( 泵的排量)与输入 电信号成正比。控制系统有一个机械反馈 机构 ，使得伺服阀能重新回到中位 ，斜盘 伺服缸的活塞停止移动 ，泵的排量固定。 9 0 系列泵采用压力先导阀控 制伺服 阀， 而伺服阀控制变量斜盘的倾角，伺服阀和 斜盘伺服缸的驱动是由补油泵的压力油来 推动的，这是一种高增益的泵流量控制装 置 ，所需电流小、响应快 ，泵从零排量到 最大排量的最快响应时间可到0 2 2 s ( 无 图9 9 0 泵电液比例控制原理图 节流孔时)。 9 0系列泵适 用于装载机、推土机 、 平地机等牵引型机械的行走驱动系统以及 压路机、拌和机

17、、搅拌运输车等机械的工 作装置液压驱动系统。 3 德 国博 世 一 力 士 乐( B o s c h - R e x r o t h )公司的A 4 V G系列 3 1结构与性能特点 德国力士乐公司是世界闻名的液 压 元件制造商。自2 0 世 纪8 0 年代 中期 ，该 公司推 出A 4 V G为代表 的新 型斜盘 泵以 来，新一代泵的结构有了显著的变化。目 前 斜 盘 泵 有 用 于 闭 式 系 统 的 A 4 V G、 A 4 V T G ( 由A 4 V G 派生而来 ，专用于混凝 土搅拌运输 车)、A1 0 VG和用于开式系 统的A1 1 VO、A1 0 V O、A2 0 V O等近

18、1 0 种 型号 、2 0 多种规格 ，广泛应用于 多种工 程机械。现以A 4 V G泵为例来介绍力士乐 A V系列斜盘泵的特点。 A 4 V G系列泵为双向斜盘变量泵 ( 见 图1 0 ) ，功率密度高 ，且可外控 ，功能 扩展方便。泵壳体 为整体式 ，内置补油 泵，结构紧凑 ，密封部位少，重量轻 ， 外 形尺寸( 轴向尺寸) 缩短 ，功率重量 比高。 在泵壳体的尾部配置有集成阀块 ，该阀块 包含了高压溢流 阀、单向阀、压 力切断 阀、斜盘倾角控制回路以及补油压力控制 回路等闭式系统所需的控制功能模块。滚 动副采用大锥角滚柱轴承 ，轴向承载能力 强，使用寿命大大提高。功率调节器由传 统的弹簧

19、调节改为采用力矩平衡原理的双 曲 线 调 节 ，理 论 上 没 有 功 率 损 失 。 A 4 V G泵的排量范围为2 8 2 5 0 mL r ，共 8 种规格 ， 其额定工作压力均为4 0 MP a ， 壳腔额定压力可达0 4 MP a 。 3 2控制方式 A 4 V G系列泵具有机液控制 ( H W) 、 电液控制和液压控制等。其中电液控制类 图 1 1 A 4 V G泵 型有带开关电磁铁的电两点控制 ( E Z ) 和带 比例 电磁铁的电比例控制 ( E P ) ， 液压控 制类型有与控制压力有关的H D 控 制、与系统压力有关的D G 控制和与转速 有关的D A 控 制。其控制机构

20、主要由伺服 阀 ( 电液控 制为开关 电磁阀或比例 电磁 阀)和斜盘伺服缸组成，结构简单、抗污 染能力强。但采用电液控制时，控制电流 要求大，响应速度较慢 。 为防止系统和元件在超载情况下工 作 ，A 4 V G 泵都带有压力切断阀，压力切 断值可选择固定或根据实际需要任意设 定 。压力切断阀由单向阀和减压阀组成 ， 如图1 1 所示 ，若上端为高压端 ，当系统压 力达到压力切断值时，单向阀打开 ，压力 油向低压端溢流的同时，打开减压阀，控 制油通过减压阀与壳腔相通 ，斜盘伺服缸 左端压力减小 ，活塞左移 ，泵的排量随之 减小 ，系统压力降低。A 4 V G泵的压力切 断 阀 比林德 H P

21、V 泵 的 结构 简 单 ，反 应 灵敏。 图1 2 D A B制原理 R M &c _ 2 o 。 4 1 2 3 维普资讯 http:/ 此压差克服弹簧力推动阀芯移动 ，使控制 13 打开输出控制压力 ，P 3 通过伺服阀进 入主泵斜盘伺服缸，推动斜盘，从而改变 主泵的输出流量。随着流量Q增大，在 阻尼板上产生的压差 Ap 增大， p 3 1- 升，主泵的输出流量增大； 控制压力 反之，当 流量Q减小 ，压差 Ap 下降 ，阀芯回移 ， 控制13变小 ， 控制EP 3 - F 降，主泵输出 流量下降。由于Q与传动转速成正 比， 所以得到的控制压力 与传动转速成正 比。当负载增大时，柴油机转

22、速下降，辅 助泵供油量下降 ，D A 控制压力p ， 下降， 主泵排量下降，从而避免了柴油机因负载 过大而熄火。反之 ，当负载减小时 ，柴油 机转速上升 ，辅助泵供油量增大 ，D A 控 制B E, p ， 上升 ，主泵排量上升 ，从而避免 了柴油机功率浪费。 D A 控制方式的A 4 V G 泵广泛 用于挖 掘机 、装载机 、推土机 、扫路机、牵引 车、矿山机械和地面军事装备等机械中。 4意大利萨姆( S A MH Y D R A U L I K 公司的H C V 系列 4 1 结构与性能特点 意 大利萨姆公司是生产液压 元件的 著名厂商，其生产的适用于闭式系统的斜 盘式轴向柱 塞泵见 图1

23、 3 ，其排量范围为 5 0 1 2 5 mUr ，共4 种规格 ，其额定工作 压 力均为3 5 M P a ，壳腔额定压 力为0 2 M P a 。H C V 泵采用中空柱塞，容积效率 高；滚动副采用滚柱轴承，承载能力大； 补油泵采用内啮合齿轮泵，结构紧凑，利 于通轴 串联其他泵 ：H C V 泵的斜盘倾角 通过一个油缸调节 ，与双斜盘伺服缸相 比，结构简单。 4 2控制方式 H C V 泵的控制类型有机液控制、 电 液比例控制、电两点控制和液压控制等， 图 1 3 H C V 泵 其 中液压控制有恒流量控制方式和用于工 程车辆的转速传感控制 ( H N A 控制 )。 控制机构主要由伺服阀

24、 ( 电液控制为开关 电磁阀或比例 电磁 阀)和斜盘伺服缸组 成 ，结构简单、抗污染能力强。 H C V 泵 的 H N A 控 制 与 力 士 乐 公 司 A 4 V G 泵 的D A 控制原理相 同 ，结构 和工 作 过 程有 所 差 异 。H N A 控 制 原理 如 图 1 4 所示 ，其 控 制环 节 由泵 转速传 感 器 ( 节流阀与比例压力阀B )、目标值选择 器 ( 定值减压阀C )、泵出口压力传感器 ( 比例减压阀D )和排量控制器 ( 伺服 阀 与斜盘伺服缸)等组成。与主变量泵通轴 安装的定量补油泵流量与转速成正比，若 变量泵转速发生变化，则通过节流阀的补 油流量也会发生变

25、化 ， 结果在节流阀前后 产生与转速平方成正比的压差 Ap ，以 P 作 为泵转速传感器的输入控制信号使比 例压力阀B 的阀芯移动 ，直至其转速传感 弹簧力与液压力平衡为止 ，阀B 输出与泵 转速平方成正比的压力p 其初始E O o - j - 由阀B 转速传感弹簧调节。转速传感器输 出压力P ， 经定值减压 阀C 后成为p ， ，此 即为目标值选择器方程 ，即阀C 后的最高 输出压力p 煨 定在某一 固定值P 上 ( 该 压力对应于发动机最大扭矩转速) ，而在 该压 力以下保持P = ， 不变 。p 和p 与 发 动机转速n 的关系 曲线如图1 5 所示 。 P ， 为比例压力阀D 的控制压

26、力之一，该压 力与阀D的另一控制压力主变量泵出 口的 负荷压力P 一起作用，引起阀D 阀芯运 图1 4 HN A控制原理图 动 ，将阀D 固定不变的输入压力p ，( 用补 油溢流阀调定)进行调节 ，变为输出压力 P ， 。P ， 即 为变量 泵变量伺服 阀的控 制压 力，该压力决定着变量伺服阀芯的位移 ， 从而决定着泵变量执行油缸的位移，最终 决定着泵的排量大小。由图1 4 和 图1 5可 知 ，通过改变阀B 上的阀芯尺寸和节流阀 的参数可以调节转速传感器的增益 ，改变 输出量p 随转速n 的变化规律 ( 决定p ， 曲 线形状) ，最终改变泵排量即发动机负荷 率。通过调节阀B 上的转速传感弹

27、簧力改 变 值即可选定P 的最大值P ”以及p ”与 n 的对应关系 ( 决定p ， 的最高截止点) ， 使泵工作在发动机额定转速时 ，负荷正好 对应于发动机最大扭矩。 图1 5 目标选择压力 5结语 斜盘式轴 向柱 塞泵的发 展趋势是使 用新的材料与采用新的加工工艺，提高泵 的可靠性、耐久性、抗污染能力 ，降低制 造成本；提高密封件的密封性能 ，研究节 能结构，提高泵的效率；实行多功能阀组 设计和可靠性研究，泵的结构更紧凑 通 过研究多种变量控制形式及稳定性，以及 研究电子技术与传感技术在变量机构中的 应用 ，提高控制和操纵性能 ，扩大泵的使 用范 围。 参考文献 【 1 1 姚怀新 工程车辆液压元件工作转 速 的选择 及参 数 匹配 J 1 长 安大学 学报 ( 自然科学版) 2 0 0 2， 2 2( 2 ) 【 2 1 姚怀新 工程液压元件工作压力的 合理选择与匹配 J 1 ，长 安大学学报 ( 自 然科学版) ， 2 0 0 2， 2 2( 4 ) 【 3 1 崔永亮 选用液压 元件 应注意的 几个问题 J 1 ，液压气动与密封 ，2 0 0 2 ， 2 4( 1 ) 一 4 R M &cM 2 o o 4 1 2 维普资讯 http:/