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随之而来,一场关于液压泵的革命在世界范围内展开。
本论文将针对一种新型的轴向柱塞泵——恒功率恒压轴向柱塞泵进行系统研究,通过实验获取其静、动态特性曲线;
同时解决恒功率阀、恒压阀并存可能产生的相互干扰,并对这种新型变量泵的能耗进行研究。
1.2国内外柱塞泵的发展状况
1.2.1国内柱塞泵的发展状况
我国目前大量使用的湿CY14-1B轴向泵,2003年全国的总产量达到了15-20万台。
CY型轴向柱塞泵是我国自行开发的液压元件,目前全国的年产量达7万台左右,设备上的保有量达40万台以上,是我国开式油路液压系统使用的主要柱塞泵产品,被广泛应用于各行各业。
这类泵的最大特点是采用大轴承支承缸体,具有压力高、工艺性好、成本低、维修方便等优点,比较适合国情,因此,它成为当今我国应用最广的开式油路轴向柱塞泵。
CY型轴向柱塞泵之所以几十年来经久不衰,关键在于能够针对它在生产和使用中出现的问题不断地进行改进。
30多年来,该系列泵进行过四次大的改进,并且开发了恒压变量泵、电液比例变量泵和油泵电机组等代表当代国际发展趋势的新品种。
CY型轴向柱塞泵虽然比较成熟,但它仍然存在一些问题:
(1)在转速小于等于1500r/min时使用,噪音偏高,不能安全满足用户对噪音控制日益提高的要求;
(2)在转速大于等于1500r/min时使用,自吸能力有待提高;
(3)部分生产厂家的滑靴包球质量不好,因此在使用过程中脱靴光现象较多,这是影响该泵使用寿命的主要因素。
当然,由于液压系统污染控制不好,也是产生脱靴的重要因素;
(4)由于结构上的困难,一直没有在CY泵的基础上开发通轴泵;
(5)在某些条件下,体积和重量偏大。
下面以PCY型恒压变量泵为例,说明我国变量泵的发展过程。
多年来,PCY恒压变量泵得到不断地改进和发展,现概略介绍如下:
1、第一代PCY14-1B恒压变量泵
第一代PCY14-1B恒压变量泵设计有10、25、63、160、300mL/r五种规格,但实际投放市场的只有25mL/r和63mL/r两种规格。
具有如下结构特点:
(1)变量活塞倒装,小头在上面,大头在下面。
上腔常通高压,内装定位弹簧,以保证恒压阀不工作时,泵的排量最大,变量活塞下腔处于常卸荷状态。
(2)恒压阀装在变量机构下法兰内部。
(3)恒压阀阀芯直径为8mm,在阀芯外面装有阀套。
(4)为保证泵恒压变量时变量特性的稳定性,在变量活塞下腔装有一个常泄漏的阻尼器。
主要特点:
(1)恒压阀装在下法兰内部,通用性较差,特别对于小排量(例如10PCY泵),下法兰内无法安装恒压阀。
此外,恒压阀调试也不方便。
(2)恒压阀制造工艺较复杂,制造成本较高,泵价格较贵。
(3)由于有常泄口,故能量损失大,特别是在保压系统中,系统容易发热。
(4)恒压阀阀芯直径大,当泵变量时,容易引起恒压特性不稳定,引起系统振荡。
2、第二代PCY14-1B型恒压变量泵
第二代恒压变量泵克服了第一代的缺点,但由于泵的安装联接尺寸未变,故泵的型号未变。
结构特点:
(1)变量活塞大头在上,小头在下,上、下腔同时通高压,上腔内装有定位弹簧,以保证恒压阀不工作时,泵的排量最大。
(2)恒压阀为一独立部件,安装在上法兰上面。
(3)恒压阀芯直径为6mm,与国外泵的恒压阀阀芯直径一样。
(4)当恒压阀启动时,变量活塞上腔向上运动,泵的排量减少,实现恒压变量。
存在问题:
(1)泵变量机构和恒压阀内一些阻尼设计存在缺陷,恒压特性容易产生不稳定,特别是泵在校排量保压时容易引发振荡。
(2)缺少远程调压和其他变型品种。
3、第三代恒压变量泵(QP**CY14-1Bk)
第三代恒压变量泵是改型泵,在原PCY14-1B泵型号
前加一个“Q”表示重量、轻噪音;
最后“B”改为“Bk”,表示仅用于开式油路。
结构特点如下:
(1)泵主体的结构有重大改进,排量规格有10、16、25、32、40、63、80、100、25、160、mL/r,主要优点是噪音低,转速高、自吸能力好、可靠性高、重量与前两代泵轻20%以上。
(2)变量活塞的布置与第二代恒压变量泵相同,但恒压阀旋转1800安装。
(3)第三代恒压变量泵比前两代泵油重大改进。
其基本功能类似于溢流阀,即将恒压阀作为先导阀来控制变量活塞的运动,节流器使变量活塞上下腔形成压力差,并向上腔补油。
恒压阀始终由泵的出口压力单独控制,只与泵的负载有关,不受其他干扰。
因此,该泵的恒压特性稳定,不会产生系统振荡。
1.2.2国外柱塞泵研究现状
1、弯轴研究现状
目前世界上生产弯轴泵的公司主要有三家:
德国力士乐(Rexroth)、林德(Linde)和瑞典VOAC公司。
(1)定量泵
力士乐公司生产的定量泵和马达规格品种最多,有
三种结构。
A2F(2-4)结构的排量为10~180ml/r,A2F(5)结构的排量为200~2000ml/r,这两种的最高压力都是35Mpa,弯轴250;
A2F(6.1)结构将连杆和柱塞合二为一,做成锥形连杆活塞,活塞和缸孔之间采用活塞环密封,并用两个重型圆锥滚子轴承承受径向和轴向推力,弯轴角为400;
最高压力达40Mpa.因此,在同样的尺寸和重量下,A2F(6.1)结构具有更大的排量和功率,马达又更大的起动和输出扭矩。
除力士乐公司外,瑞典公司也生产弯轴角400的泵和马达,在结构上,靠斜齿轮驱动缸体,排量为5~250ml/r,最高压力为42MPa。
根据开发先后,可以认为力士乐A2F结构是VOAC结构的改进型。
(2)变量泵
目前只有力士乐公司生产变量弯轴泵,主要品种有
A7V系列,排量为20~1000ml/r,最高压力为35Mpa,变量角为180。
该公司还开A7VO系列泵,该泵为锥形连杆活塞式,排量为28~1000ml/r,最高压力为40MPa。
在A7V和A7VO基础上,力士乐还开发了A6V和A6VM变量马达。
此外,林德公司也生产BMV/R型变量弯轴马达,但最大排量只有50.2~60.3ml/r,额定压力为42MPa,最高压力为50MPa,供小型液压设备闭式油路用。
总之,弯轴泵和马达的发展趋势如下:
第一方面,由于结构原因,弯轴泵不能带辅助泵,因此只能作为开式油路用泵;
此外,由于弯轴泵变量机构是带动缸体一起摆动,因此变量的响应速度较低;
第二方面,作为变量泵,由于其制造工艺复杂,成本较高,因此,排量在250ml/r以下的变量泵正逐步丧失竞争优势,但大排量泵还非其莫属;
第三方面,无论定量还是变量马达,特别是弯轴角400锥形连杆活塞结构,由于其具有起动和传递扭矩大的独特优点,有较好的发展前途。
2、重载斜盘泵的研究现状
重载斜盘泵是指用于工作条件较恶劣,负载重,额定压力为31.5~42MPa、最高压力为40~50MPa结构较复杂的斜盘泵。
(1)闭式油路用斜盘泵-马达系统
它被广泛地用于工程和建设机械。
其特点是泵上装
有补油泵,泵和马达上共同装有闭式系统用全套集成阀,用户只要连接两根管道,就能使该系统运转,如振动压路机、水泥搅拌机等就广泛采用这种系统。
最早生产这种产品的是美国桑斯川特(Sundsrtand)公司20系列泵-马达系统。
上世纪80年代中期,上海高压油泵厂引进了美国桑斯川特20系列泵-马达系统。
现在,桑斯川特公司已在上海普定合资生产最新的90系列泵-马达系统。
目前,世界上已经有多家公司生产这类泵-马达闭式系统。
其中比较有名的有美国伊顿(Eaton)、丹尼逊(Denison)公司、德国的力士乐公司、林德公司等。
其中美国公司都是
斜盘泵-斜盘马达闭式系统,德国力士乐是斜盘泵-弯轴马达闭式系统,而林德公司既有斜盘泵-斜盘马达闭式系统,也有斜盘泵-弯轴马达闭式系统。
(2)开式系统用斜盘泵
通常,开式系统泵相对于闭式系统有更多的要求,
例如要求其右较好的自吸能力,较低的噪音和较多的变量型式,所以闭式系统泵一般不能用于开式系统。
然而,闭式系统泵的生产厂家为了降低成本,提高泵的零件通用化程度,往往在闭式系统泵的基础上派生出开式系统泵,如力士乐A4SVO开式系统泵就是由闭式系统泵A4V基础上发展的;
林德HPR-02系列开式系统泵是HPV-02闭式系统泵的改进产品。
4、轻型柱塞泵发展过程
早在上世纪60年代,一些柱塞泵的生产厂家就企图发
展一种中压(中等负载)、结构简单、价格便宜,可以与齿轮泵和叶片泵竞争的变量柱塞泵。
在上世纪60年代初期,英国DOWTY公司设计了一种名为“Vadis”的斜盘式轴向柱塞泵,其最高压力为20MPa,结构简单,采用许多少切削和无切削加工零件,需要机加工的零件只有8种,其成本甚至可以和齿轮泵竞争,但该泵最后因发热问题没有解决,而没有被大量投放市场。
与此同时,美国威格士(Vickers)公司也设计了一种PVB系列轻型柱塞泵,其结构简单,配流盘与后盖连成一起,缸体、滑靴等零件都有铸铁或粉末冶金制造,采用单作用缸实现变量,主要用于机床上,不过当时并没有引起人们的重视。
直到世纪70年代末,日本大金公司从引进美国公司斯桑川特15和18系列泵,并在其基础上开发出V15和V38系列轻型柱塞泵(排量分别为14.8和37.7ml/r,额定压力为14MPa,最高压力为21MPa)后,轻型柱塞泵才引起世人的重视。
大金公司的轻型柱塞泵,在结构方面有许多与PVB泵相似之处。
它也是采用单作用变量油缸,用弹簧使斜盘复位,为了减少复位弹簧力,在设计中,使斜盘的回转中心高于缸体中心线与滑靴球头中心平面的交点,以便于压紧缸体的中心弹簧和柱塞缸内液体压力共同使斜盘复位。
也许由于摩擦辅材料和热处理的原因,大金公司的轻型柱塞泵在缸体与后盖之间,仍安装有配流盘。
日本大金开发的轻型柱塞泵引起人们的广泛重视,在1981年日本油空压展览会上,日本油研、萱场、丰兴、不二越等公司都相继展出了轻型柱塞泵。
在上世纪90年代前后,世界上许多厂家相继发展了轻型柱塞泵,如美国的桑斯川特、伊顿、丹尼逊、派克,德国的力士乐,意大利的阿托斯等都有同类产品。
我国邵阳液压件厂在1983年引进了美国PVB轻型柱塞泵,随后重庆液压件厂也从德国力士乐引进了A10V轻型柱塞泵,但是由于售价台贵,在国内市场并未得到大量推广使用。
1.3本课题研究的意义及内容
1.3.1本课题研究的背景和意义
随着能源危机的日益临近,对节能型泵的要求和要求都越来越高,对节能型泵的研发也因而进入了一个高峰期。
世界上很多大型泵产品供应商如力士乐、帕克、阿托斯、伊顿等都已经开发出了各具特色的节能型泵产品。
综合目前世界上柱塞泵的研究状况,在此简要介绍两种节能型泵的特点。
1、恒压柱塞泵
20世纪70年代初,世界上发生第一次石油危机,为了
节省能源,恒压变量泵应运而生。
从20世纪80年代中期开始,为了节能,在开式油路中,液压传动系统正在悄悄地发生着一个重大的变化,那就是:
用恒压泵控系统取代溢流阀控系统。
虽然这一变化尚未完成,但是人们已经开始关注这一动向。
我国在1980年开始研制PCY型恒压变量泵,1982年研制成功63PCY14-1B型恒压变量泵。
恒压变量泵是一种高效、节能、大功率的液压动力源,它被广泛应用于工程机械、机床工业、航空航天等液压系统领域。
从图1-1的输出特性来看,恒压泵控系统与定量泵-溢
流阀系统相同。
不同的湿恒压泵控系统达到设定压力后,泵的排量减少,系统压力不变,只有少量的漏损儿没有溢流流量,从而大大减轻了系统的发热,节省了能源消耗。
图1-2为恒压泵控系统的压力-流量图,图中系统的最大流量由泵的最大输出流量决定,最大压力由恒压阀决定,负载所需的压力和流量均位于该图压力和流量所包围的区域内,该系统的最大输出功率由C点决定,它为DCEO所包围的面积。
假如L点位负载的工作点,则系统实际有用的功率为B1LE1O所包围的面积,世纪消耗的功率为B1LEO面积,故L点的总功率为:
将做成等效曲线图,可以得出恒压泵控系统的等效
曲线,如图1-3,从图中可以看出:
在负载压力达到系统80%以上设定压力时,不论系统的输出流量大小,恒压泵控系统均比阀控系统有较高的效率,特别是在高压小流量时。
因此这种单级压力的恒压泵控系统,特别适用于节流调速系统、电液换向阀中位常闭系统、电液伺服阀系统、蓄能器传动系统、机床夹紧机构液压系统、保压系统,能大量减少系统的溢流损失,具有较好的节能效果。
但从图1-2中可以看出,在恒压泵控系统中,由于原机功率都必须根据泵的最大输出流量和压力来选择,即装机功率为最大流量与最大压力的乘积,也就是图1-2中DCEO所围得面积,这样就造成了恒压泵控系统中原机动装机功率大的缺点。
总之,恒压变量泵可以使系统不溢流,具有液压功
率损失小、系统发热小等优点,但装机功率大是它的缺点。
2、恒功率柱塞泵
恒功率轴向变量泵是应用最广的泵之一,它同样也是一
种节能产品。
它有如下优点:
(1)减少了原机动的驱动功率,使液压设备体积小,重量轻;
(2)驱动恒功率泵的原机动经常处于满负载下工作,故原机动的效率高,功率因数高,从而降低了功率消耗;
(3)恒功率泵在高压小流量或低压大流量下工作,与工作机械低速重载或高速轻载使用需求相吻合,使液压设备能充分发挥其工作能力。
图1-4为恒功率泵控系统的恒功率变量特性,通过图
中曲线可以发现,当压力小到一定程度时,泵全流量工作;
当达到最大压力后系统要溢流;
这就造成液压功率损失大、系统发热高等缺点。
针对这种恒功率变量泵的特点,它广泛地应用于工程机械、矿山机械、冶金、船舶等这些功率要求打且工况多变的主机上。
本课题研究的恒功率恒压变量泵控系统是一种新型泵控系统,它克服了以往阀控系统及泵控系统的很多缺陷。
该泵由泵和连接在泵的变量机构上的恒功率阀以及恒压阀共同构成,恒功率阀通过不同长度的内外弹簧实现泵的恒功率变量,而恒压阀通过恒压阀芯和恒压阀芯上的封油段的运动来实现泵的恒压变量,这种新型恒功率-恒压变量泵与现有技术相比,同时具有恒功率变量泵和恒压变量泵的优点,能同时实现恒功率和恒压的变量特性,具有原机动功率小、运行功率因数高、流量大、液压功率损失小、系统发热小等优点,甚至可省去系统的溢流阀。
使系统在无溢流或少溢流的工况下运行,实现系统运行全过程的节能。
这些优点在中高功率且负载变化大的液压机械设备上显得出尤为突出。
图1-5为恒功率恒压泵控系统的压力流量特点,两图分别表示工作点工作在恒功率区和恒压区的两种情况。
左图中L0LE2O区域为有用功,LL1E3E2区域为阀压力损失和系统阻力损失;
右图中L0LE2O区域为有用功,LL1E3E2为恒功率恒压泵控系统损失,如果工作点压力由恒功率泵控系统控制,则系统的功率损失将会增加B1BL1L0区域的溢流损失,从图中可以看出当泵的功率偏大时这部分的溢流损失时很严重的。
所以,恒功率恒压泵控系统比简单的恒功率泵控系统有更好的节能效果。
1.3.2本课题研究的内容
本课题将针对这种新型变量泵进行基础性实验研究,通过实验获取静、动态特性;
同时解决恒功率、恒压阀并存可能产生的相互干扰,并对这种新型变量泵的效率及能耗进行研究。
内容主要分一下几点:
1、确定实验方案,构建实验系统,对这种新型变量泵的静动态特性及效率进行实验研究,查找恒功率、恒压同时并存对泵控特性可能产生的干扰,找出解决方法。
2、以提高泵静动态特性品质为目的,对变量控制阀结构参数进行优化。
3、构建新型泵的泵控系统,进行能耗分析实验研究。
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