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
The review of variable mechanism and control method of variable pump
LIU Tao
(School of Mechanical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China) Abstract: This paper mainly summarizes the basic situation of the variable pump, the classification of variable mechanism of variable pump and the process of all kinds of variable pump's control methods, and analyses the development trend of variable pump. This analysis summarizes the working principle and control process of the voltage controlled variable pump, constant flow control of variable pump and constant power control variable pump. Provides a theoretical basis for the future of variable pump deep research and engineering application. Keywords: variable pump variable mechanism control method
0 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5 ml/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种[9]：一是液压控制, 这种控制方式已经很成熟，广泛应用于国内外各种类型变量泵上；另一种就是数字控制，随着电控技术的发展和计算机应用的不断普及，将会得到越来越广泛的应用。
液压的恒功率控制机构主要包括三种形式，利用双弹簧的位移直接反馈机构和位移—力反馈机构，以及利用杠杆原理的完全恒功率控制机构。采用双弹簧的两种控制方式都是让压力—流量呈不同斜率的两条直线变化，通过两条直线来近似双曲线；利用杠杆原理的完全恒功率控制机构理论上是可以让压力—流量呈双曲线变化。这三种控制方式所能实现的压力—流量曲线如图5所示。
a) 近似恒功率控制 b) 完全恒功率控制
图5 恒功率控制曲线
利用双弹簧来实现压力—流量呈不同斜率直线变化的控制机构，其原理是相似的，只是反馈方式不一样。如图6所示, 这种控制机构都是由伺服阀、伺服柱塞、压力调节弹簧、反馈杠杆等主要元件组成。对于位移直接反馈控制机构而言，如图6(a)所示，伺服阀阀芯右端与阀体之间装有两根弹簧，其间有一定间距，大弹簧一直与伺服阀接触，且有一定初始压缩量，作为控制机构的起调压力；小弹簧与伺服阀开始时，有一定间距。当负载压力小于起调压力时，斜盘倾角最大，泵输出最大流量。当负载压力增加, 超过起调压力时，伺服阀平衡被破坏，阀芯右移，伺服阀处于左位, 伺服柱塞大端接通高压油, 伺服柱塞右移，斜盘倾角变小，泵输出流量减小，同时伺服柱塞通过反馈杠杆带动阀套右移，关闭伺服阀，达到平衡；当负载压力继续增加时，阀芯与大、小弹簧接触，此时弹簧总刚度增加，随着控制压力增加，泵输出流量继续变小，但此时由于弹簧总刚度增加，压力—流量变化直线斜率减小；控制压力减小时，动作过程与之相反。
图6 双弹簧恒功率控制机构
对于位移一力反馈控制机构而言, 如图6(b)所示，在伺服阀与反馈杠杆之间装有两根弹簧，之间有一定间距，大弹簧一直与反馈杠杆接触，且有一定初始压缩量，作为控制机构的起调压力；小弹簧在开始时，与反馈杠杆间有一定间距。负载压力小于起调压力时，斜盘倾角最大，泵输出最大流量。当负载压力增加，超过起调压力时，伺服阀平衡被破坏，阀芯右
移，伺服阀处于左位，伺服柱塞左移，斜盘倾角变小，泵输出流量减小，同时伺服柱塞通过
反馈杠杆压缩大弹簧，并与负载压力达到平衡；当负载压力继续增加时, 反馈杠杆与大、小弹簧都接触，此时随着伺服柱塞的移动，反馈杠杆压缩大、小弹簧，弹簧总刚度增加，随着控制压力增加，泵输出流量继续变小，但此时由于弹簧总刚度增加，压力—流量变化直线斜率减小；控制压力减小时，动作过程与之相反。
利用杠杆来实现的完全恒功率控制机构原理如图7所示，由伺服阀、伺服柱塞、压力调节弹簧、平衡杠杆和压力感应活塞等主要元件所组成。压力调节弹簧调定后，作用于平衡杠杆上力F 弹爪是恒定的，又因为其相对于杠杆支点的力臂C 也是恒定的，所以弹簧力在平衡杠杆上所产生的力矩M s =F 弹C 也是恒定的。负载压力经伺服柱塞中心油道作用于压力感应活塞底部，使压力感应活塞作用于平衡杠杆上一个液压力F 液，其相对于杠杆支点的力臂为L ，这样液压力作用于平衡杠杆上的力矩M h =F 液L 。负载压力增加，F 液增加，平衡杠杆逆时针摆动，伺服阀处于右位，压力油进入伺服柱塞大端，伺服柱塞左移，泵输出流量减小；反之，泵输出流量增加。平衡杠杆处于平衡时，M s =M h , 故M h 为恒值，F 液表示负载压力，L 表示泵输出流量，由此可以得出泵负载压力与输出流量乘积为一恒定值。
图7 完全恒功率控制机构
另外，随着计算机技术及智能控制技术的发展，数字控制的恒功率变量泵该会成为一种趋势。因其目前还处于理论实验阶段，没有真正投入到工程应用中，因此本文不做详细介绍。
1.3 流量控制变量泵
恒流泵，属于流量调节的范畴。这类泵的特征是泵输送给系统的流量只与输入控制信号相关，而不受负载压力变化或者原动机转速波动的影响；泵在最高限压范围内泵始终能自动的适应负载的变化。同时变量泵可以始终工作与负载功率匹配的，具有明显的节能效果[10]。 恒流量变量泵控制方法如下[11]
：变量泵启动前，变量活塞在弹簧力作用下处于右端位
置，此时斜盘偏角最大，变量活塞缸大腔与泵的出油口油路相连通。泵启动时，在系统压力未达到调定流量之前，调节泵是一个定量泵，向系统提供泵的最大流量；当泵的输出流量刚刚达到调定流量时，变量活塞处于将动未动状态，这时变量泵准备进入恒流量控制工况；在变量泵输出流量达到恒流量控制工况时，为了使系统流量稳定在设定值。当泵输出流量高于设定流量时，如图8所示，泵口流量信号通过信号反馈给控制器，通过反馈值与设定值之间的差值运算的结果来控制伺服比例阀开口的通断，从而调节斜盘活塞杆，推动斜盘使倾角改变，改变泵的供油量，使其输出流量稳定在设定流量的状态。
图8恒流量控制泵p-q 特性曲线
2 变量泵的发展趋势
随着工业发展的需要，变量泵有以下几方面的发展趋势[11]：
（1）高压、高速化。机床、注塑机等固定机械设备，由原来的低、中压向高压方向发展，尤其是工程机械设备向着40MPa 的方向发展。压力的升高，可以提高系统效率，减小系统体积。行走机械原动机一般在转速为2000-2800r/min范围内工作，闭式系统中由于补油泵的补油功能使系统在高速运转条件下工作成为可能，所以提高开式系统柱塞泵的转速具有重要的意义。但是，提高转速会带来流量和压力的波动，需采取措施来优化结构、提高转速、改善开式系统油泵的自吸性能，如采用空心柱塞、增加补油泵，采用新型结构的配流盘等途径。
（2）低能耗，高效率。采用负荷传感、电子控制和二次调节系统，提高系统的容积效率等性能指标。
（3）低噪声。为了满足环境标准的要求，提高液压传动的竞争力，必须不断降低液压系统的噪声。国内外科研工作者在降低柱塞泵噪声方面做了大量研究，该方面研究主要是在配流方面，改进配流盘阻尼槽结构，降低冲击，使变量泵柱塞腔从低压到高压平稳过渡以减小压力波动。
（4）与微电子技术相结合。随着计算机技术的发展，液压技术和计算机技术的进一步结合成为当前液压发展的主要方向。轴向柱塞泵与电子技术相结合，围绕柱塞泵的变量控制方面做文章。利用闭环控制使用压力传感器和角度传感器分别检测系统的压力和斜盘角度，信号输出到放大器，与输入信号相比较，使系统的输出流量和输出压力与设定值相符，由于有流量和压力的反馈和放大器可以方便的得到所需的流量、压力控制。当柱塞泵控制阀确定后，那么其压力流量特性便已确定，采用电子放大器后，由于电子系统的增益容易调节，可以有效弥补液压回路的缺陷，两者结合可以增加系统的控制精度、提高系统的稳定性。数字电路在放大器上的应用，可以方便的设定各种算法和控制程序，进一步拓宽柱塞泵的应用范围，大大增加了使用的方便性。
3 总 结
随着能源形势的进一步紧张，节能型的变量泵具有重要的经济价值和社会意义，使其已成为国内外厂家研究对象。变量泵的工作原理都是通过调节泵的内部结构的几何尺寸，改变泵的流量或者压力满足负载的需求。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。虽然变量泵的设计目的都是为了减少能量损耗，但由于设计原理不同，控制方式的不同，所以泵的实现效果和应用领域有一定的差异。了解各类变量泵的变量机构及其变量控制方法, 为对其深入研究和应用提供很多方便。
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