数字液压泵技术的研究与进展

上海交通大学  施光林副教授

容积式液压泵的分类、结构与特点

众所周知，在液压传动与控制技术中，容积式液压泵是液压传动与控制系统的核心元件，它为负载提供所需的液压油。为满足负载对流量的不同需要，传统上都是采用包括电液伺服阀、电液比例流量阀、电液比例方向阀等在内的模拟液压元件，实现容积式液压泵的变流量输出控制。由此发明出了门类齐全的容积式液压泵。下面简要对容积式液压泵进行新的分类，并介绍代表性的结构与相应的特点。

按照是否需要专门的配流机构可以将容积式液压泵分成两类：有配流机构液压泵，无配流机构液压泵，如图1所示。

图1  按照有无配流机构的分类

而有配流机构液压泵主要包括：轴向/径向柱塞泵、单作用/双作用叶片泵、摆线泵等。配流机构则主要有三类：配流盘配流、配流轴配流、阀式配流。无配流机构液压泵主要有：齿轮泵、三螺杆泵。

从功能上按照是否可以变排量，又可以将容积式液压泵分为两大类：变排量液压泵、定排量液压泵，如图2所示。

图2   按照是否具有变排量功能的分类

对于变排量泵而言，如果通过变排量操作，使得液压泵的输出压力或输出流量或输出功率满足某一特定要求的，则被称为变量调节泵，如有：恒压变量泵、恒流量变量泵、恒功率变量泵、功率自适应变量泵等；如果只是通过变排量操作，使得液压泵的输出流量满足负载需求的，则被称为变流量泵，图3则为变量调节泵和变流量泵的不完全分类图。

图3   变量调节泵和变流量泵的不完全分类图

从图3(b)也可以看出，变流量泵依据其变量机构的不同，主要有：手动伺服变量泵、液控伺服变量泵、电液伺服变量泵、电液比例变量泵。这些变流量泵的变量机构多数都采用了机械反馈式结构，确保了泵的输出流量与设定值一一对应。然而近些年来，随着传感器技术的发展，在变流量泵的变量机构中也开始采用位移传感器或角度传感器构成位置反馈，因而可以高精度地实现变量机构的位置控制，以满足泵的输出流量的高精度控制。

数字液压泵的原理与结构

◆原理及典型结构

1）数字液压泵的原理

何谓数字液压泵（Digital Hydraulic Pump）？

数字液压泵：即将数字液压控制技术与容积式液压泵有机集成为一体，使其输出流量发生变化的一类液压泵。

目前，从原理上可以将数字液压泵分成两类：

（1）借助于计算机编程控制数字液压阀而直接操控变量机构的数字变排量泵；

（2）借助于计算机编程控制一组高速电磁开关阀所构成的数字配流机构，既实现泵的正确配流的同时，又可以对其输出的流量进行调节的数字变排量泵。图4为数字液压阀直接操控的变量机构，其中，数字液压阀由一步进电动缸直线驱动伺服阀芯往复运动。

分析图4可知该数字变量机构的工作过程如下：如当需要斜盘倾角减小时，计算机发出指令使得步进电动缸驱动伺服阀芯向上运动后打开阀口II，而阀口I仍处于关闭状态，则工作腔B即与油箱相通，压力p_B急剧下降直至p₀，此时随动柱塞即在不平衡油压作用力的作用下向上运动，并带动斜盘绕其转动中心顺时针转动，直至随动柱塞与伺服阀芯的移动位移一样后再次关闭阀口II后又处于新的平衡位置，因而斜盘也停在一个新平衡位置，导致液压泵的输出流量减小。反之，则需要计算机发出指令使得步进电动缸驱动伺服阀芯向下运动后打开阀口I，而阀口II仍处于关闭状态，则工作腔B即与工作腔A相通，压力p_B急剧上升直至p_s，此时随动柱塞即在不平衡油压作用力的作用下向下运动，并带动斜盘绕其转动中心逆时针转动，直至随动柱塞与伺服阀芯的移动位移一样后再次关闭阀口I后又处于新的平衡位置，因而斜盘也停在一个新平衡位置，导致液压泵的输出流量增大。

图4   数字液压阀直接操控的变量机构

图5则是一种数字配流低速径向柱塞液压泵的工作原理与结构简图。

由图5可知，这种数字配流低速径向柱塞液压泵主要由泵本体、5只二位三通高速电磁开关阀、与柱塞腔的曲轴相连的绝对值角度编码器及控制器（ECU）集成为一体，其中，绝对值型角度编码器与液压泵传动轴相连，用于检测液压泵的输入转速和判断各柱塞的实际转角位置，并反馈给控制器，5只二位三通高速电磁开关阀通过配流体与柱塞腔相连，在控制器的控制下，给对应的高速电磁开关阀通电或者断电，从而按特定的规律依次实现5个柱塞腔与油箱或负载相通，进而向负载输出流量。

图5  数字配流低速径向柱塞液压泵的工作原理与结构简图

另外，所述的控制器接收由绝对值型角度编码器测得的转角信号，通过占空比控制算法或行程比控制算法，向二位三通高速电磁开关阀输出PWM信号或行程控制信号，就可以实现液压泵输出流量的调节，特别是当液压泵的输入转速随机变化时的近似恒流量控制。

2）数字液压泵的典型结构

图6为一种数字配流低速径向柱塞液压泵的典型结构图。

图6  一种数字配流低速径向柱塞液压泵的典型简图

该液压泵主要由数字配流体与径向柱塞液压泵本体组成，数字配流体由5只高速电磁开关阀、与泵主轴及编码器相连的连接轴组成，另外还配有一控制器。与传统的机械配流液压泵相比，这种数字配流低速径向柱塞液压泵没有复杂结构的配流盘或配流轴，容积效率和机械效率高；特别是在控制器的控制下，不仅可以完成泵的配流，而且可以实现泵输出流量的调节。所以数字配流低速径向柱塞液压泵既是动力元件，又是控制元件。

目前因为受到高速电磁开关阀的额定流量、额定压力和高速响应性能（开关频率）的制约，此类数字配流低速径向柱塞液压泵只能工作在低速范围，一般工作转速不大于300 r/min。

◆数字液压泵的流量调节方法——行程比控制方法

以图5所示原理的数字液压泵为例，为发挥出数字配流低速径向柱塞液压泵的特点与优势，在变转速输入下实现恒流量（或近似恒流量）调节方法的研究尤为关键。其中，可以依据处于高压区的柱塞的行程来进行控制，即称为“行程比控制方法”来实现在变转速驱动下的数字配流式液压泵的输出流量的近似恒流量。此时，数字配流式液压泵的理论输出流量为：

式中，V_p为数字配流式液压泵每个柱塞的最大排油体积（L/r），λi为处于高压区每一柱塞的行程比（[0,1]），n为数字配流式液压泵的输入转速（r/min），z为处于高压区的柱塞数。

可见，通过对处于高压区柱塞的行程比的调节，就可以在变转速驱动下，使数字配流式液压泵的输出流量近似为恒流量输出。其中，当λi=1时，表明该柱塞在整个高压区范围内，其柱塞腔在高速电磁开关阀的控制下一直与负载相通而输出压力油；当λi=0.5时，表明该柱塞在整个高压区范围内，其柱塞腔在高速电磁开关阀的控制下只有50%行程时与负载相通而输出压力油，其余50%行程时则与油箱相通而不输出压力油；当=0时，表明该柱塞在整个高压区范围内，其柱塞腔在高速电磁开关阀的控制下始终与油箱相通而不输出压力油。

数字液压泵的国外研究现状

这里仅介绍国外在数字液压泵方面的几个有代表性的研究案例。

◆Artemis Intelligent Power公司的研究

2009年，苏格兰的Artemis Intelligengt Power公司在英国碳基金会的支持下，成功地开发出了1.5MW液压型风力发电机组。该机组的最大特色就是采用了特殊的“数字定量液压泵-数字变量液压马达”传动形式，其中，采用数字阀代替传统的阀配流定量液压泵和变量液压马达中的机械阀，实现了液压泵和液压马达的数字配流，参见图7所示。

图7  Artemis Intelligengt Power公司的数字定量

液压泵-数字变量液压马达传动装置