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Q55：液压泵的又一黑科技“Shuttle” | 看INNAS如何玩转泵效率

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前沿

从柱塞泵被发明之日起到现在的百年时间里，提升泵的效率自始至终是液界工程师不断突破的目标。各种各样的创新结构不断涌现，让柱塞式液压泵的效率远远优于其他类型的液压泵，从而使得柱塞泵也成为行业应用最为广泛的动力元件。看似效率水平已经达到天花板的柱塞泵，有无可能再次刷新自我？来自INNAS的“Shuttle”技术，看如何突破天花板…

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引言

对于柱塞泵来说，”机械效率“和”容积效率“是评价柱塞泵性能的重要参数。研究机构的大量工作也是在围绕”效率”做文章，如何提升“效率”成为液界的共识和不断追求的目标。既然要提升，就要清楚得明白是什么因素影响着效率。由摩擦带来的机械效率损失和泄漏带来的容积效率损失，是大家最为熟悉的两种模式。除此之外，INNAS的Robin Mommers为大家揭示了另外一种效率损失模式——”commutation loss” ，即换向损失。

这里所说的“commutation loss” ，即柱塞腔在经历高低压过渡区过程中，所产生的效率损失。业内时常提到的”流量倒灌”，就是其中一种表现形式。

因此，有了高低压切换区间的过渡槽或孔等结构，来改善过渡过程带来的效率损失。然而这种过渡槽的设计只能是在某一种工况下设计的最佳结构，难以满足液压泵在多种工况下达到最佳性能。

针对当前柱塞泵设计结构的“固有”缺陷，INNAS公司提出了一种创新结构——“Shuttle”技术。所谓的“Shuttle”技术，也就是大家所熟悉的梭阀结构。那么INNAS是如何做到在柱塞泵的紧凑结构中引入梭阀结构呢？这种梭阀结构又是如何解决了当前的结构缺陷呢？

02

先谈谈“Commutation”

在开聊“Shuttle”技术之前，我们有必要深入理解一下“commutation”是什么。这段来自Robin Mommers的视频，为大家详细解读了什么是”commutation“，以及在这个过程中是如何带来了效率的损失。

视频时长：11min25s

视频中，对比了理想的高低压切换过程和当前典型的过渡槽结构的切换过程，同时指出了对于变量泵，当前过渡槽结构的设计所带来的固有问题。

以大家熟悉的单向阀结构模拟理想高低压切换过程。在这个理想过程中，高低压通道的单向阀可以自动跟随柱塞的位置，在正确的时间点打开通道，完成柱塞腔和高低压区的连通，并且无容积效率的损失。不过在实际应用中，单向阀结构无法高频响应高转速的工况需求，所以实际应用的结构采用了带过渡槽的配流盘结构形式。

然而对于带过渡槽结构的换向结构，本身由于过渡槽的节流作用，又引入了节流功率损失。其效率的损失也受到排量、转速以及压力等工作参数的影响。

为此，我们需要一种结构，这种结构能避免不同工作参数对其工作效率的影响，能自适应适配各种不同的工况要求。“Shuttle”技术便是在这种背景下提出的。

03

再聊聊“Shuttle”

准确定位问题本质是解决问题的关键一步。通过上面的分析可以明确，当前的“commutation”结构，还是留存了很多”妥协“。针对这些“妥协”，近几十年里，液界工程师们也提出过各种改善方案，静液压在以往的专题中也对此进行了总结如下，这里不再赘述：

N14：Pump Noise (Part 2) – How to Reduce

N15：Pump Noise (Part 3) – Product with PCFV

N16：Pump Noise (Part 4) – How PCFV Works

N17：Pump Noise (Plus) – PCV of A10VSO/32

今天我们要聊的这种新方案是来自于INNAS提出的“Shuttle”技术。顾名思义，简单来说就是梭阀结构，通过此梭阀在缸体内连通各个柱塞腔，实现类似“Ideal Commutation”的目的。下图中的A~I小球以及所在的通道即构成了“Shuttle”的概念结构。

INNAS也非常巧妙的在当前传统的缸体物理结构上实现了“Shuttle”的概念，而不用对缸体或配流盘进行颠覆性设计，这也就意味着这项技术可以无缝应用到当前的容积式泵马达产品中。

INNAS的Peter Achten在下面的这段视频中，为大家详细的介绍了“Shuttle”技术的前因后果。通过总结当前“Commutation”结构的问题，讲解了“Shuttle”技术的工作原理、结构实现方式以及技术优势。

视频时长：11min59s

对于当前过渡槽结构的“Commutation”方案，主要存在如下几个主要问题点：

  • 在液压泵和马达中，压力在低压和高压之间不断变化。例如，在轴向柱塞泵中，每个柱塞腔中的压力水平每转变化两次，一次在上死点，一次在下死点。如果泵有九个柱塞，转速为 3000 rpm，压力每秒变化 900 次。
  • 过渡槽是为了缓和切换过程中的压力变化，但这些槽是一个相当差的折衷方案，因为槽的尺寸不能随着运行速度和压力而改变。情况变得更糟，现在电液应用的新趋势要求泵在更宽的速度范围内运行。

    • 对比传统方案，“Shuttle”式结构工作方式为：

  • 不同于传统的节流槽结构，每个柱塞腔中的油液可以通过柱塞运动本身进行压缩或膨胀。例如，如果需要在下死点压缩油液，则可以在柱塞经过下死点后立即开始压缩。在那之后，柱塞腔不再与配流盘的高低压区连通，至少只要柱塞运动需要将油液压缩到所需的下一个压力水平。采用这种设计，压力上升将比节流槽缓和得多，并且可以避免因切换引起的气蚀和能量损失。

  • 一旦达到柱塞腔中所需的压力水平，梭阀就会打开柱塞腔和下一个配流盘的压力区之间的连接。它们允许泵马达进行几乎理想的换向，而没有任何换向损耗。使用Shuttle结构，换向由柱塞运动控制，从而产生更柔和的压缩和膨胀。

  • Shuttle是一个小圆柱体，里面有一个球。在这个圆柱体的两端都有一个开口，油可以通过该开口流入和流出。球可以在这两端之间移动。在末端位置，该球关闭，从而防止任何油液流出。Shuttle小巧轻便。尺寸的直径和长度通常为几毫米。只有在换向开始时球处于正确位置（在梭阀右侧）时，梭阀能以正确的方式工作。出于这个原因，梭阀的一侧连接到泵柱塞腔，另一侧连接到腰型区。运行时，梭阀两端会产生压力差，该压力差由梭阀“感应”，并在每次上止点和下止点都将小球推到所需位置。

    • 了解了基本的工作原理，实现结构和基本特征后，我们再深入一步，看看“Shuttle”在高低压过渡区运行过程中，是如何具体工作的。

  • 首先我们看一下在下死点（BDC）过渡位置时，从低压区过渡到高压区的切换过程。

    • 此时柱塞越过下死点位置，开始向内运动压缩油液。这个时候柱塞腔腰型槽还未与高压区接通，从而柱塞腔内的压力逐渐升高，直到达到高压区的200bar压力水平后，绿色的“Shuttle”打开，柱塞腔内的油液开始和高压区连通，完成从低压到高压的切换。

  • 我们再看一下在上死点（TDC）过渡位置时，从高压区过渡到低压区的切换过程。

    • 此时柱塞越过上死点位置，开始向外运动吸入油液。这个时候柱塞腔腰型槽还未与低压区接通，从而柱塞腔内的压力逐渐降低，直到达到低压区的1bar压力水平后，绿色的“Shuttle”打开，柱塞腔内的油液开始和低压区连通，完成从高压到低压的切换。

    如此往复，通过“Shuttle”结构实现了柱塞腔在高低压切换过程中的平滑过渡，避免了在连通前由于压力未达到平衡而造成的压力冲击、流量倒灌以及气蚀等问题的发生。我们来看一下这两个阶段的完整工作过程。

    视频时长：2min16s

    04

    写在最后

    在视频最后，Peter也为大家总结了“Shuttle”技术的特征和优势：

  • 同时适用于泵以及马达，变量和定量形式，在重载450bar以及高转速5000rpm场合
  • 总效率提升达3.5%，特别是机械损失降低50%以上
  • 8dB噪音水平的降低
  • 从制造角度，Shuttle技术只需要小范围设计变更，无明显成本增加，但是可以带来较大的性能改善

    • INNAS也只是无数热爱这项技术并投身其中的液压人的一个缩影。打破传统框架，突破固有边界，深度挖掘液压技术潜能，推动行业再升级！

    “不积跬，步无以至千里；不积小流，无以成江海”

    参考资料：

    a. INNAS 站. www.innas.com/shuttles.html

    b. Peter Achten. “SHUTTLE” TECHNOLOGY FOR NOISE REDUCTION AND EFFICIENCY IMPROVEMENT OF HYDROSTATIC MACHINES -PART 2

    c. Robin Mommers. COMMUTATION LOSS IN HYDROSTATIC PUMPS AND MOTORS.

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