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变量泵的变量机构及控制方法综述摘要:本文主要总结了目前所用的变量泵的基本现状、变量泵变量机构的分类以及各类变量泵的控制过程方法,并分析了变量泵的发展趋势。着重分析总结了压控变量泵、恒流量控制变量泵和恒功率控制变量泵的工作原理及其控制过程。为今后对各类变量泵的深入研究和工程应用提供了理论依据。关键字:变量泵;变量机构;控制过程ThereviewofvariablemechanismandcontrolmethodofvariablepumpLIUTao(SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)Abstract:Thispapermainlysummarizesthebasicsituationofthevariablepump,theclassificationofvariablemechanismofvariablepumpandtheprocessofallkindsofvariablepump'scontrolmethods,andanalysesthedevelopmenttrendofvariablepump.Thisanalysissummarizestheworkingprincipleandcontrolprocessofthevoltagecontrolledvariablepump,constantflowcontrolofvariablepumpandconstantpowercontrolvariablepump.Providesatheoreticalbasisforthefutureofvariablepumpdeepresearchandengineeringapplication.Keywords:variablepumpvariablemechanismcontrolmethod0引言近年来随着全社会环保意识的不断增强和石油等不可再生资源的日益减少,节能减排已经成为不可逃避的问题。因此,在各种机械设计中,节能减排的要求也越来越受到重视。这些元件在使用中不仅可以节约系统能量,减少能源消耗,提高系统效率,减小系统发热,减少机器的故障率,还可以增强产品的竞争力[1]。液压传动具有高动力,体积小,功率密度大,工作平稳,可实现无极调速且易实现过载保护等优点被广泛应用于工业生产中。变量泵能够满足泵的输出流量与系统的需求能量相匹配,减少能量的损耗,所以变量泵的研究很有必要。变量泵是指排量可变的泵。变量泵可以分为单作用叶片泵、径向柱塞泵、轴向柱塞泵。单作用叶片泵通过改变定子与转子的偏心距的大小改变泵的排量,改变定子和转子偏心距的方向可以改变泵的吸、压油口。径向柱塞泵通过改变定子和转子的偏心量,改变泵的排量;改变偏心量的方向可以改变泵的吸、压油的方向。斜轴式轴向柱塞泵通过改变缸体的倾斜角度来改变泵的排量。都是通过几何尺寸参数的改变来改变泵的排量[2]。在诸多上述变量泵中,轴向柱塞变量泵发展的最成熟、应用最广泛。轴向柱塞变量泵有近百年的演变发展史,已具有多种结构形式。由于轴向柱塞变量泵结构紧凑,具有压力高、重量轻、寿命长、容积效率高和变量结构布置方便等特点得到了广泛应用。斜盘式轴向柱塞变量泵问世以来,人们就开始对其进行了大量的研究与探讨,如柱塞泵摩擦副、零件材料、柱塞泵配流副及热处理方式、缸体的平衡方式、缸体支撑方式及变量控制方式等。经过几十年的研究,美国、日本、德国和国内科技工作者在斜盘式轴向柱塞变量泵方面取得了大量的研究成果,这些研究成果为变量泵进一步研究和开发提供了坚强的理论指导和技术支持。按照缸体传动轴的位置,轴向柱塞变量泵可分为斜轴式柱塞泵和斜盘式轴向柱塞泵,斜轴式柱塞泵的缸体传动轴与泵的输入传动轴构成一定的角度,而斜盘式柱塞泵的缸体传动轴与泵的输入传动轴则为同为一根轴。斜轴式柱塞泵的变量是通过改变缸体的角度来实现的,而斜盘式轴向柱塞泵的变量方式则是通过改变斜盘偏角的角度来实现的。斜盘式轴向柱塞泵可以实现多级串联,进而可以提供不同的流量、实现不同的压力,并且斜盘倾角可以为零,没有流量输出,这样可以减少空载时液压系统发热和功率损失,能够有效降低液压系统能耗。斜轴式柱塞泵有很多优点,但是由于其摆动惯量大造成了控制不方便和噪声大的缺点,因而斜轴式轴向柱塞变量泵在向注塑机、工程机械、固定机械推广中受到制约。随着制造科学和材料技术的大力发展,斜盘式轴向柱塞变量泵的噪声得到了降低、产品寿命得以延长,在变量控制方式、增大斜盘倾角等方面得到了显著发展,使得斜盘式轴向柱塞泵的应用范围超过了斜轴式柱塞泵,成为了柱塞泵的主要发展方向。轴向柱塞泵按照负载压力大小的不同可分为轻型柱塞泵和重型柱塞泵。轻型柱塞泵一般指压力在21MPa以下,排量小于150mL/r的液压泵,重型柱塞泵则是压力一般高于35MPa,排量可达1000mL/r的液压泵。随着工业科学技术的进一步发展,由于轻型柱塞泵具有重量轻、串联方便、体积小、噪声低、斜盘角度可以变为零,使系统能耗降低和变量控制方便等优点,德国的力士乐、美国的Sunstrand、Eaton、Denison、Parker、意大利的ATOS、日本的油研等大力发展了该项技术,使轻型柱塞泵的应用得到了推广,应用范围更加广泛[3]。典型柱塞泵基本结构见图1所示。图1柱塞泵基本结构国外以德国力士乐、Vickers、Sunstrand、Parker、ATOS、川崎、油研等为代表的公司,开发出排量从5ml/r到1000ml/r、压力从16MPa到45MPa的不同系列等级的轴向柱塞变量泵,这些产品不仅代表轴向柱塞变量泵的最高水平,并且在全球范围内得到普遍应用。国内轴向柱塞变量泵主要以CY泵为代表,经历过几次换代革新,排量由10mL/r到250mL/r,压力为31MPa。不同的领域使用不同公司的产品,如注塑机械主要以油研为主,移动机械主要以力士乐、川崎和Sunstrand品牌为主,CY泵主要应用在国内固定机械上。斜盘式电液比例轴向柱塞变量泵由于其体积小、工作压力高、重量轻、控制精度高、寿命长、噪声低等优点,引起国内外生产厂家的重视和青睐[4]。它被广泛应用于矿山、冶金、注塑、船舶、锻压和重型机械设备中。因在这些变量泵中,柱塞变量泵发展的最成熟、应用最广泛,故本文主要以柱塞变量泵为例来探讨变量泵的变量机构及其控制方法。1变量泵的变量机构及其控制方法液压泵变量机构的作用是改变泵的排量,变量泵的排量与斜盘或斜轴倾角(变量活塞的位置)一一对应。因此,变量机构本质上是一个位置控制系统。变量机构的控制功能一般分为四类:排量调节、流量调节、压力调节和功率调节。根据液压泵变量机构的位置控制作用,使输入信号与排量成正比。如果针对泵的输出参数,如对流量、压力进行控制,就要利用反映泵的流量信号或者泵出口压力信号与输入信号进行比较,然后通过对变量机构位置控制来确定泵的排量。所以,流量、压力、功率控制功能实际上就是在排量调节基础上提出特定要求来实现的[5]。1.1压控变量泵压力调节泵,通常称为恒压泵。其基本含义是,变量泵所维持泵的出口压力,能随输入信号的变化而变化。压力调节泵是变量泵中应用范围最广、产品量最大的品种,广泛应用于调压等系统,特别是在快速行程后需要小流量保压的周期性运动过程中,具有明显的简化系统和节能效果[6]。根据泵的基本原理与运行特性,轴向柱塞变量泵恒压力控制特性如下:1.变量泵所维持的泵的出口压力,能随输入信号的变化而变化(从控制特性角度强调);2.在系统压力未达到压力调节泵的调定压力之前,压力调节泵是一个定量泵,向系统提供泵的最大流量;3.当系统压力达到调定值时,不论负载所要求的流量(在泵最大流量范围内)发生或大或小的变化,压力调节泵能保持与输入信号相对应的泵出口压力值不变。下面就以力士乐AlOVO系列斜盘式恒压变量柱塞泵为例[7],介绍恒压变量泵的工作原理、变量控制过程及工作特点。图2和图3分别为恒压变量泵结构示意图及系统原理图。图2恒压变量泵结构示意图1-壳体2-传动轴3-斜盘4-变量虹弹簧腔5-柱塞6-缸体7-变量紅敏感腔8-恒压阀图3恒压变量泵系统原理图1-恒压泵主体2-变量缸敏感腔3-变量缸弹簧腔4-恒压阀如图3所示,在电动机的带动下,恒压变量泵的传动轴2发生转动并带动缸体6及柱塞5—同转动,柱塞头部通过滑靴压紧在斜盘3上。柱塞在绕传动轴作圆周转动的同时,还会在柱塞缸内进行往复直线运动。图中当柱塞5向左运动时,其所在的密封工作腔容积逐渐增大并产生真空,从而将油液吸入腔内;当柱塞向右运动时,工作腔容积逐渐减小,又将腔内油液压出。因此缸体每转一周,每个柱塞单元便实现一次吸油和压油动作。当传动轴连续转动,恒压变量泵即可循环不间断地向系统供油。斜盘两端分别与变量缸弹簧腔4及变量缸敏感腔7的活塞杆相连。初始状态时,斜盘处于最大倾角位置,在变量控制机构的作用下,敏感腔的活塞杆可以伸出或缩回,从而改变斜盘的倾角,进而改变柱塞在工作腔内往复行程的大小,也就实现了恒压变量泵排量的改变。如图3所示,恒压变量泵的变量控制机构主要由变量缸敏感腔2、变量缸弹簧腔3及恒压阀4等组成。泵的设定压力通过恒压阀4右端的调压螺钉无级调定,并以弹簧力的形式作用在阀芯上。泵的出口油液则通过控制油路与恒压阀的阀芯左端及变量缸弹簧腔连通。其控制原理在于通过出口压力的变化反馈,泵自动调节输出流量,从而实现压力恒定。控制过程具体如下:当泵出口压力低于设定压力时,恒压阀左端压力小于右端弹簧力,阀芯左移,恒压阀右位接入系统,变量缸敏感腔与油箱连通。在弹簧力作用下变量缸弹簧腔的活塞左移,推动泵的斜盘倾角增大,恒压泵输出流量增大,压力上升,直至与设定压力相平衡。当泵出口压力高于设定压力时,恒压阀左端压力大于右端弹簧力,阀芯右移,恒压阀左位接入系统,泵出口与变量缸敏感腔连通,在控制油压力作用下敏感腔的活塞左移,推动泵的斜盘倾角减小,恒压泵输出流量减小,压力随之下降,依然与设定压力相平衡。图4恒压变量泵压力一流量特性曲线图4为恒压变量泵的压力一流量特性曲线,曲线CB段表示当系统压力小于泵的设定压力时,恒压泵保持最大流量输出,其作用相当于定量泵;曲线BA段表示系统压力达到设定压力时,恒压泵的流量可跟随系统需求变化而压力保持恒定[8]。恒压变量泵经常应用于负载压力变化不大,而流量需要经常变化的系统。在某些系统中,恒压泵的压力通常根据蓄能器的最高工作压力来设定,当一次换向动作后,蓄能器压力降低,恒压泵进入工作状态,斜盘倾角增大,输出大流量向蓄能器充液;当蓄能器充液完成,压力回升至泵的设定压力,此时系统无流量需求,恒压泵又回到恒压卸荷状态,斜盘倾角减小,泵吸入油量极少,仅满足控制及泄漏需求。由此可知,随着摆动液压缸的每一次换向动作,以上过程便会重复发生一次,因此摆动系统中,恒压变量泵的工作特点可总结如下:1)恒压变量泵存在频繁的周期性工况转换;2)恒压变量泵输出流量的变化幅度大。1.2恒功率控制变量泵为了充分利用原动机高效率的运转,使原动机和变量泵的功率相匹配,功率控制是最简单的手段。功率调节泵由于控制系统结构的改进,比较容易的进行压力、流量等复合控制功能,所以其应用越来越广泛,受到了人们的重视。由于流量乘以压力代表功率,pq=常数的双曲线(p代表负载的压力,q代表体积流量),就是恒功率曲线。在通常情况下,泵的转速处在稳定运转状态,且泵的容积效率较高,因此,常用pV=常数(V代表泵的排量),及恒扭矩来代替恒功率。功率是压力和流量的乘积,功率控制时,设定功率值除以反馈压力信号得出流量值的大小。压力增大时,流量按照功率曲线减小。压力减小时,流量按照功率曲线增大。所以恒功率控制的压力—流量曲线为双曲线。恒功率控制就是要求变量泵根据负载压力的变化情况调整其输出流量,使变量泵的输出功率接近于负载所需要的功率,实现动力源和负载之间的功率适应和匹配,使原动机工作在最佳工况下,从而减少原动机的能耗,达到节能之目的。目前实现恒功率控制的方式主要包括两
本文标题:变量泵的变量机构及控制方法综述
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