浮杯原理及其在液压系统中的应用研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．01 ． 2 0 1 4 浮杯原理及其在液压系统中的应用研究 桑 勇 ， 王 晓 ， 王鹏鹏 大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 摘要 浮杯原理是 继斜 盘式 和斜 轴式之后一种新 的轴 向柱塞概念 ， 将现有泵原理 的优点结合在 了一起 。最显著特 征是结构镜像 对称 设计 以及柱塞 固接在转子上 ， 且每个 活塞对应一个独立 的杯状缸筒 ， 它可 以沿旋转斜盘 面 自由浮动 。浮杯泵具有结 构紧凑 、 质量小 、 泄 漏小 、 受力平衡 、 力矩损失小 、 波动小 、 噪声小 、 效率高 、 生产成本低等优点。 浮杯原理将被广泛应用在液压定量和变量泵、 液压变压器和 液压马达等方面 。该文针对浮杯泵 的研发现状、 结构特点 、 优点等方面进行 了详 细的分析 和梳理 ， 对 浮杯原理在定量／ 变量泵 、 液压变压 器 、 液压马达的应用发展状况进行 了介 绍。该文将为浮杯泵 的进一步研发及浮杯原理更广泛应用提供参考 。 关键词 浮杯原理 ； 液压泵 ； 结构特点 ； 应用发展 中圈分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 2 3 0 6 F l o a t i n g c u p Pr i nc i p l e a n d I t s Ap p l i c a t i o n R e s e a r c h i n t he Hy d r a u lic S y s t e m S ANG Y o n g , WANG Xi a o ， WANG P e n g - pe n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e fl o a t i n g c u p p ri n c i p l e i s a n e w a x i a l p i s t o n c o n c e p t ， c o mb i n i n g t h e a d v a n t a g e s f r o m t h e s l i p p e r - t y p e a n d b e n t - a x i s p ri n c i p l e ．Mo s t s t rik i n g i s t h e mi r r o r e d d e s i g n o f t h e n e w c o n c e p t ． B e s i d e s ， t h e p i s t o n s a r e rig i d l y c o n n e c t e d t o t h e r o t o r a n d e a c h p i s t o n h a s i t s o wn s e p a r a t e c u p l i k e c y l i n d e r ． T h e s e‘ c u p s ’ a r e fl o a t i n g o n a n d s u p p o r t e d b y a b a r r e l p l a t e ． A fl o a t i n g c u p p u mp h a s s u c h a d v a n t a g e s a s a c o mp a c t s t r u c t u r e ， l o w- we i g h t ， s mall l e a k a g e ， f o r c e b a l a n c e ， s ma l l t o r q u e l o s s and fl u c t u a t i o n ， l o w n o i s e ， h i g h e ff i c i e n c y a n d l o w p r o d u c t i o n c o s t ． T h e fl o a t i n g c u p p r i n c i p l e i s wi d e l y a p p l i e d i n h y d r a u l i c c o n s t a n t a n d v a ri a b l e d i s p l a c e me n t p u mp ，h y d r a u l i c mo t o r a n d h y d r a u l i c t r a n s f o r me r ，e t c ． T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e d e t a i l e d a n a l y s i s o f fl o a t i n g c u p p u mp ，i n c l u d i n g the p r e s e n t r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t ，s t r u c t u r e c h ara c t e r i s t i c s a n d a d v a n t a g e s ．I t als o d e s c rib e s the a p p l i c a t i o n o f fl o a t i n g c u p p ri n c i p l e i n c o n s t a n t a n d v a r i a b l e p u mp ， h y d r a u l i c mo t o r ， h y d r a u l i c t r a n s f o rm e r ． Th i s p a p e r w i l l p rov i d e the ref e r e n c e f o r t h e f u rt h e r d e v e l o p me n t o f fl o a t i n g c u p p u mp a n d mo r e a p p l i c a t i o n o f the fl o a t i n g c u p p rin c i p l e ． Ke y wo r d s t h e flo a t i n g c u p p ri n c i p l e ； h y d r a u l i c p u mp； s t r u c t u r e c h ara c t e ris t i c s ； a p p l i c a t i o n O 引言 在过去的几十年 ． 流体传动在元器件的效率 问题上 没有大的技术革命。流体传动正受到电气传动的竞争。 所有的流体传动必须解决好流体传动中容易 出现的三 个问题 泄漏 、 噪声 、 可靠性。 在液压传动技术如液压泵 ， 马达和控制方面都没有革命性 的发展 ．在 2 0 0 3年仍然 使用着 2 0世纪 6 0年代的技术【” 浮杯原理是流体机械上 出现的一种新型的轴 向柱 塞概念， 结构特点是平衡对称设计 以及活塞固接在法兰 基金项 目 国家 自然科 学基金 项 目 5 1 2 7 5 0 6 8 ， 5 0 9 0 5 0 2 2 ； q 央高校 基本 科研业务费专项资 D U T 1 2 L K 2 1 资助 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 4 作者简介 桑勇 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山东泰安人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从 事电液伺服 控制方面的研究 。 盘上 ． 同时整体缸筒结构改为与活塞一一对应的互相独 立可以沿旋转斜盘面 自由浮动的杯状缸筒 浮杯原理泵 具有结构紧凑 、 质量小、 泄漏小、 受力平衡、 力矩损失小 、 压力波动小 、 可靠性高、 生产成本低等优点。 浮杯设计不仅可以制造具有低成本高性能的泵 ． 而 且对于液压变压器和马达同样适用 基于浮杯原理的设 计在效率、 波动和功率比方面的理论分析及实验都已经 表 明它有很好 的前景。浮杯技术有望填补更经济、 更安 静、 性能更优异的液压系统的空 白。在传统设计 日趋成 熟无法进一步发展的情况下 ． 浮杯设计为液压和 自动化 工业提供了一种突破 ． 为大规模生产液压装置开启了大 门 本文针对 国内外浮杯原理泵的研发现状、 结构特点 及浮杯原理的应用情况进行了详细的分析和梳理。 本文 将为浮杯泵 的进一步研发及浮杯原理更广泛应用提供 参考。 23 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 4 若两组柱塞一一 对应 ． 以背靠背的方式安装 ． 共振作用 下在输油通道中的会出现内部脉动。 左边柱塞与右边柱 塞并不一一对应 ． 而是相互错开 。 即有一个柱塞节距一 半 的相位移动。在后来 的改进中 ． 让柱塞保持对应一致 而转动配流盘 ． 使左右配流盘不再对称 ， 对于一个两侧 各有 1 2个柱塞的配置意味着旋转 1 5 ， 如图 1 8所示罔 。 孚 罂 图 1 7三 种 泵 的 力 矩 损 失 图 1 8配 流 盘 的 相 位 偏 转 比较示意图 示意图 在这两种情况下的 ．无论是柱塞还是配流盘的相 位偏移 。 都减小了流量的脉动。当然也将导致在转子上 产生轴 向力 然而这些力依然远低于只在其他轴向泵 中一边有柱塞的情况 两侧柱塞一一对应布置的优点 是柱塞对可 以整体制造 ． 从而只使柱塞数量减半 ， 降低 了成本[9 1 文献『 l 1 1 中还提到将亥姆霍兹共振器贴到通道 中， 也可以明显 的减小 内部共振 ．但在 出口处的振动并不 会消除。一般采用配流盘相位移动的不对称结构 ， 只有 当出口处 的振动无法接受 的情况下 ．才用亥姆霍兹共 振 器 。 由于平衡结构 ． 结构产生 的噪声大大降低 ． 如图 1 9 所示 ． 同时减小 了在轴承上的载荷。大量的柱塞不仅降 低 了压力脉动 ． 对系统的泄漏也有积极的影响。当先进 的电液控制 中使用压力反馈时 ．压力脉动的降低提高 了系统 的可控性 ／ 图 1 9浮杯 泵与斜轴 泵的压 力脉动 比较示意 图 2 ． 5效率 高 由于浮杯泵有 2 4个柱塞 ．泄漏点远多于斜盘泵和 斜轴泵 ， 因此尽管在结构设计中作 了诸多考虑 。 浮杯泵 的容积效率整体上还是低于斜盘泵和斜轴泵 然而其机 械效率高于斜盘泵和斜轴泵 ． 结果浮杯泵的总效率明显 高于斜盘泵 ， 在转速 2 0 0 0 d m i n以下， 也高于斜轴泵圆 。 图 2 0显示 了总体 效率 。这里 只显 示 了压 力在 3 0 MP a 时效率的不同。 斜轴泵的效率 比斜盘泵高。 当转 速在 2 0 0 0 r ／ mi n时 ， 浮杯泵 和斜轴泵 的效率相 同 ， 在低 转速情况下 ， 浮杯泵 的效率最高[ 1 ] 。 褂 较 n l r mi n I 图 2 O三种泵的效率 比较示意图 2 ． 6生产成 本低 浮杯泵高的比功率 ．大的起始力矩和高的功率都 有助于成本的降低 。虽然浮杯泵的有许多元件 ． 但是柱 塞和缸筒之 间的误差要求最为严格。因为这些都是分 立元件 ． 所 以采用误差分类法 这样生产元件是对元件 的要求就不用很严格 单个零件严格 的公差等级制造成本很高 ．通过大 批量生产进行分级可 以降低成本。采用较低 的公差大 量生产 ．接着进行微米范围内的检验测量并按尺寸等 级进行零部件 的分配 通过正确尺寸的配合最终还是 可以达到需要 的配合精度 浮杯泵的加工方法也采用 成本低的现代生产技术如精车 、 冲压 、 精密冲裁和烧结 等【 5 J 、 【 7 J 、 【 砌。 3 浮杯原理 的应用 3 ． 1液压 变压 器 文献『 9 1 和『 1 1 1 中详尽介绍 了应用浮杯 原理的液压 变压器 的设计 ． 结构如图 2 l 所示 。新 型液压变压器通 过控制配流盘的摆角来控制流入和流出液压变压器的 流量来实现变压 新设计 中配流盘平衡对控制力矩有 很大的影响 ， 采用配流盘轴承来减小控制力矩。自由移 动的杯状缸筒和两边对称平衡活塞的应用使得活塞和 缸筒间的摩擦可以最小化。这是一个 巨大的优势 ， 不仅 减少 了摩擦损失 。 也产生一个低启动转矩 。活塞数量即 排量体积的增加大幅减少 了变压器的流量和转矩的脉 动。在负载侧流量脉动降低量高达 9 0 ％， 这尤其重要 ， 因为在 负载侧不能 应用蓄能器 而且 系统 刚度是最 高 的 转矩脉动和摩擦 的降低将有力地提高变压器启动 性。此外 。 结构荷载以及流量脉动的下降将减少转换器 生产 的噪声 3 ． 2液压 定量 泵 和变 量泵 定量泵 的设计 已经表明 ．大数量 的活塞可 以使压 力波动减少 8 0 ％。此外 ， 大数量的活塞对壳体噪声和波 动噪声有着积极的影响。与斜轴和斜盘式泵相 比， 浮杯 2 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 O l期 式定量泵的噪声水平最多可以降低 1 0 d B。摩擦小和波 动小相结合提高了在系统应用中的调节质量。 压力波动 低使得系统噪声降低 ． 这种噪声常常通过载荷传感装置 一 直传递到应用缸。此外 ． 高效率对需要的冷却能力起 着有利的作用 这样对于系统建设者来说 ． 浮杯原理可 能成为一组全新的结构更加紧凑的泵产品的基础17 1 。 图 2 1 浮杯原理液压 变压器结构示意图 文献【 1 2 】 中对 变量浮杯泵 的设计参数进行了详细 阐述 。在定量浮杯泵基础上发展起来的变量浮杯泵 ， 具 体结构如图 2 2所示 ． 主要通过改变斜盘与主轴之间的 夹角来实现变量。 图 2 2浮 杯 变 量泵 的结 构 示 意 图 文献[ 1 3 1 中对两个有不 同角度斜盘 的变量泵 的效 率测试进行了分析 。 同时介绍了力矩损失的原因。 3 ． 3液 压马 达 文献[ 1 0 1 中还讨论了在混合 动力车 中使用液压马 达完全淘汰掉机械传动 的可能．也包括差分齿轮和驱 动轴。轮子被液压马达直接驱动 ． 所有动力都利用液压 管路传输。在旋转动力方面 。 液压驱动比机械和电动更 具竞争力 。液压传动的优势在于它们 的功率密度 比和 变速比。同时低的效率 。 大的噪声和高的成本是抑制它 们发展的原 因。由浮杯原理制造的液压泵、 马达和变速 器将能改变这些情况 。它拥有高的效率和启动转矩 ． 小 的压力和力矩变化 ． 大的功率密度 比和小的成本 。 可以 在不增加成本的情况下开发出与混合 电动力车具有相 2 8 同优势的新一代液压混合动力车 4结 论 本文针对浮杯原理泵的研发现状 、 结构特点 、 优点 进行了详细的分析和梳理 ．并根据结构特点总结了浮 杯泵具有结构紧凑 、 质量小 、 泄漏小 、 受力平衡 、 力矩损 失小 、 波动小 、 噪声小、 效率高 、 生产成本低等优点。最 后 ， 介绍了浮杯原理在定量和变量泵 、 液压变压器 、 液 压马达中应用的最新发展状况 本文将为浮杯泵的进 一 步研发及浮杯原理更广泛应用提供参考 参考 文 献 [ 1 】 A C H T E N P A J ， S C H E I 正 EK E N S M，M U R R E N H O F F H ，e t a 1 ．E f f i c i e n c y a n d L o w S p e e d Be h a v i o r o f t h e F l o a t i n g C u p P u m p [ J ] ． S A E T r a n s a c t i o n s ， 2 0 0 4 ， 1 1 3 2 3 6 6 - 3 7 6 ． 【 2 ] 张 国贤． 浮杯泵[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 1 2 ， 2 5 4 5 6 ． 【 3 】 A c h t e n P A J ， v a n d e n B ri n k T L ， P o t m a J W． M o v e me n t o f t h e C u p s o n the B a r r e l P l a t e o f a F l o a t i n g C u p ，A x i a l P i s t o n Ma c h i n e [J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f F l u i d P o w e r ， 2 0 0 4 ， 5 2 2 5 3 3 ． [ 4 ] A c h t e n P A J ， V a n d e n B ri n k T L ， P a a r d e n k o o p e r T ， e t a 1 ． De s i g n a n d T e s t i n g o f a n Ax i a l P i s t o n P u mp b a s e d o n t h e F l o a t i n g C u p P ri n c i p l e [ J ] ． P r o c ． S I C F P ， 2 0 0 3 ， 3 8 0 5 - 8 2 0 ． [ 5 】 A c h t e n P A J ．V o l u me t ri c L o s s e s o f a Mu l t i P i s t o n F l o a t i n g C u p P u m p [ R ] ． N C F P ， 2 0 0 5 ． [ 6 】 A c h t e n P A J ， B V I ， S c h e l l e k e n s M P A． D e f o r m a t i o n E ff e c t s o n t h e Lo a d C a r r y i n g C a p a c i t y o f t h e Ba e l B e a r i n g i n Ax i a l P i s t o n P u m p s a n d M o t o r s [ R ] ． A S ME ， 2 0 0 6 ． [ 7 ] P l a t z e r ， R O b A n n e m a r i e v a n Ma l s e n T h o ma s ． 浮杯原理在定量 泵和变量泵中的应用[ J ] ． 现代制造， 2 0 0 7 ， 1 8 2 3 ． 【 8 】 V a e l G E M， Lop e z I ， A c h t e n P A J ． R e d u c i n g F l o w P u l s a t i o n w i t h t h e F l o a t i n g C u p P u mp t h e o r e t i c al A n al y s i s [ R ] ．B a t h W o r k s h o p o n P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d Mo t i o n Co n t ml ， P r o f e - s s i o n a l En g i n e e ri n g P u b l i s h i n g ， 2 0 0 4 ． 【 9 】 A c h t e n P A J ， v a n d e n B ri n k T ， v a n d e n O e v e r J ， e t a1．D e d - i c a t e d D e s i gn o f t h e H y d r a u l i c T r a n s f o r me r [ J ] ．P r o c ．I F K ， 2 0 0 2 ， 3 2 3 3 2 4 8 ． 【 1 0 】A c h t e n P A J ， I n n a s B V． C h a n g i n g t h e P a r a d i g m[ R ] ． S I C F P ’ 0 7． 2 00 7． 【 1 1 】 V a e l G E M， v a n d e n B ri n k T L ， P a a r d e n k o o p e r T ， e t a 1 ． S o me D e s i g n A s p e c t s o f t h e F l o a t i n g C u p H y d r a u l i c T r a n s f o r m e r [ R ] ． B a t h Wo r k s h o p o n P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d Mo t i o n C o n t r o l ， 2 003 ． 【 1 2 】 P l a t z e r ， T ． ， B ri n k ， T ． v a n d e n ， V a e l ， G ． E ． M． ， A c h t e n ， P ． A．J ． ．T h e D e s i gn o f A F l o a t i n g C u p S w a s h S y s t e m [ R ] ． N C F P ， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ]V a e l G E ． M，A c h t e n P ． A ． J ， e t a 1 ．E f fi c i e n c y o f a V a r i a b l e D i s p l a c e m e n t O p e n C i r c u i t Flo a t i n g C u p P u mp [ R ] ．S I C F P ’ o 9 ． 2 0 o 9 ．