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(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京　100124)

引言

現(xiàn)代水壓傳動(dòng)與控制技術(shù)是在20世紀(jì)下半葉重新崛起的一種以水(包括海水、淡水)作為工作介質(zhì)的綠色傳動(dòng)技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際上流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域前沿性研究方向。它能避免使用液壓油引起的環(huán)境污染和火災(zāi)安全隱患，節(jié)約石油資源；此外，水作為工作介質(zhì)還有價(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，無(wú)需處理，可避免介質(zhì)對(duì)諸如紡織物、食品和藥品等產(chǎn)品的污染，水的自清潔特性使設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方便[1]。同時(shí)， 直接以海水作為工

作介質(zhì)的海水液壓傳動(dòng)技術(shù)已成為當(dāng)今國(guó)際上水下作業(yè)裝備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向[2, 3]，并被西方發(fā)達(dá)國(guó)家多年的實(shí)際應(yīng)用證明為最佳的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式[4-7]，海水液壓系統(tǒng)代替油壓系統(tǒng)已成為水下作業(yè)裝備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式的必然選擇[8]，在水下作業(yè)工具、深?？臻g站、深潛調(diào)查船的浮力調(diào)節(jié)、海洋能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、反滲透海水淡化系統(tǒng)、高壓水清洗、高層建筑滅火等方面以及食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[9-12]。

水液壓泵是水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的核心動(dòng)力元件，多年來(lái)美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、丹麥、芬蘭、日本等西方國(guó)家均將其列為有重要工程應(yīng)用價(jià)值的高新技術(shù)項(xiàng)目，重點(diǎn)進(jìn)行研究，研制出了一系列成熟的水液壓泵產(chǎn)品[13]，且目前投入市場(chǎng)的產(chǎn)品主要以軸向柱塞式結(jié)構(gòu)為主[14]。近年來(lái)我國(guó)華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、西南交通大學(xué)、燕山大學(xué)、大連海事大學(xué)等單位逐步開(kāi)展了水壓傳動(dòng)與控制方面的研究工作。研制出了多臺(tái)水液壓柱塞泵樣機(jī)，在潛艇高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、載人潛器的浮力調(diào)節(jié)以及高壓水清洗等領(lǐng)域取得了初步應(yīng)用。

本研究主要介紹國(guó)內(nèi)外不同配流形式的水液壓柱塞泵，以及國(guó)內(nèi)水液壓柱塞泵的研究歷程和最新進(jìn)展，最后結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出今后水壓柱塞泵的研究方向和發(fā)展重點(diǎn)。

1　閥配流水液壓柱塞泵

閥式配流是發(fā)展較早的配流方式。由于配流閥的密封性能好，易于獲得高壓，且具有良好的抗污染性能，因此廣泛應(yīng)用于高壓、超高壓水壓柱塞泵中。但此類柱塞泵工作過(guò)程不可逆，不能做水壓馬達(dá)使用，且功率密度比較小。

1.1　閥配流水液壓柱塞泵國(guó)外研究現(xiàn)狀

1989年日本萱場(chǎng)(Kayaba)工業(yè)株式會(huì)社研發(fā)出一種閥配流水壓軸向柱塞泵，用于載人潛器的浮力調(diào)節(jié)，主軸與斜盤做成一體，并采用兩個(gè)徑向陶瓷球軸承和一個(gè)軸向動(dòng)壓潤(rùn)滑陶瓷止推軸承支承主軸和斜盤旋轉(zhuǎn)，斜盤、柱塞、軸承均采用陶瓷，滑靴和缸套采用碳纖維增強(qiáng)工程塑料(CFRP)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[15]。該泵有3個(gè)柱塞，流量為7.05 L/min，最高工作壓力為21 MPa，最高轉(zhuǎn)速為1800 r/min，容積效率超過(guò)85%，機(jī)械效率約為90%。

德國(guó)Hauhinco公司研制了EHK-3K系列三柱塞曲柄連桿泵和RKP系列徑向柱塞泵[16]。其中EHK-3K系列三柱塞泵是在原乳化液泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，其機(jī)械傳動(dòng)軸承部分采用油水分離結(jié)構(gòu)，流量為8 ～700 L/min，壓力為15～80 MPa，適用于黏度為5×10-7～4×10-6m2/s 的液體介質(zhì)，改變一些關(guān)鍵部件的配合間隙和材料后便可用于純水介質(zhì)。而RKP系列徑向柱塞泵采用5個(gè)或7個(gè)柱塞，輸出流量為3～240 L/min，結(jié)構(gòu)如圖2所示，最高壓力達(dá)32 MPa；其中RKP-160型徑向柱塞泵在21 MPa壓力下容積效率達(dá)94%。該類泵流量和壓力脈動(dòng)較小，工作壽命長(zhǎng)，抗污染能力強(qiáng)，效率高，已用于海底管道鋪設(shè)及維護(hù)系統(tǒng)等海洋開(kāi)發(fā)機(jī)械設(shè)備中。

圖1　Kayaba閥配流海水液壓泵

圖2德國(guó)Hauhinco公司徑向閥配流水液壓泵

1.2　海水液壓泵國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

華中科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展水液壓傳動(dòng)技術(shù)研究的單位。據(jù)目前公布的文獻(xiàn)資料來(lái)看，開(kāi)發(fā)出的水液壓柱塞泵樣機(jī)大多采用油水分離閥配流結(jié)構(gòu)，其1996年研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)油水分離中低壓軸向柱塞式海水泵[17]，額定工作壓力為3 MPa, 最高工作壓力為6.3 MPa , 額定流量為100 L/min，之后相繼研制出流量為200 L/min、330 L/min(額定壓力均為3.5 MPa，最大壓力為6.3 MPa)的一系列海水泵樣機(jī)[14, 18]。2013年，華中科技大學(xué)研制出了浮力調(diào)節(jié)超高壓海水泵樣機(jī)，如圖3所示，該泵采用油水分離結(jié)構(gòu)，即配流閥和缸孔浸沒(méi)在水中，其他關(guān)鍵摩擦副浸沒(méi)在油中，使用密封圈將油水隔開(kāi)，并使用壓力補(bǔ)償器來(lái)平衡油液潤(rùn)滑腔與環(huán)境的壓力，工作轉(zhuǎn)速為1000 r/min，空載流量為6.3 L/min，48 MPa時(shí)為5.7 L/min，總效率為81%，容積效率為91%，機(jī)械效率為90%[19, 20]。

圖3　華中科技大學(xué)閥配流超高壓海水泵

2005年，華中科技大學(xué)楊曙東教授研制出基于海水潤(rùn)滑的中高壓柱塞泵，所有摩擦副均采用海水潤(rùn)滑，結(jié)構(gòu)如圖4所示，該泵采用軸向柱塞式閥配流結(jié)構(gòu)，缸體不動(dòng)，中心彈簧回程，主軸帶動(dòng)斜盤旋轉(zhuǎn)以使柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成吸、排水工作。樣機(jī)在額定工況下運(yùn)行50 h后，輸出流量為40.2 L/min，容積效率為81.9%，機(jī)械效率為86.6%，總效率約為70.9%[21]。

圖4　基于海水潤(rùn)滑的中高壓閥配流柱塞泵

北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授對(duì)油水分離閥配流式海水軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列改進(jìn)，于2006年研制出潛艇高壓細(xì)水霧滅火泵[22]，現(xiàn)已小批量裝備海軍某新型試驗(yàn)艇，如圖5所示，該泵采用一體式閥配流結(jié)構(gòu)[23]，工作壓力為4～6 MPa，流量為200 L/min，容積效率約為95%。

圖5　閥配流高壓細(xì)水霧滅火泵

2012年又研制出額定壓力30 MPa，額定流量為30 L/min的全水潤(rùn)滑閥配流水液壓軸向柱塞泵樣機(jī)[24]，如圖6所示，采用軸向柱塞式閥配流結(jié)構(gòu)，分布式彈簧回程，斜盤靜止，主軸帶動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)以使柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成吸、排水工作。目前該泵正處于性能改進(jìn)階段。

圖6　全水潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)閥配流純水柱塞泵

2　端面配流水液壓柱塞泵

端面配流方式相比于閥配流方式自吸能力較好，轉(zhuǎn)速較高，結(jié)構(gòu)較為緊湊，具有可逆性，可作為水壓馬達(dá)使用。但配流盤在高壓時(shí)的泄漏較大，因而此種配流方式適用于中高壓水壓柱塞泵的場(chǎng)合。

2.1　端面配流水液壓柱塞泵國(guó)外研究現(xiàn)狀

丹麥Danfoss公司研制的APP系列軸向柱塞泵采用海水作為工作介質(zhì)[25]，如圖7所示。該泵采用了后斜盤式結(jié)構(gòu)，分布式彈簧回程，泵內(nèi)集成有沖洗閥，保證泵不工作時(shí)海水能夠從進(jìn)口流向出口實(shí)現(xiàn)沖洗功能。該泵額定壓力為8 MPa，最高轉(zhuǎn)速為1200 r/min，最大流量為500 L/min，總效率大于80%，6 MPa時(shí)噪聲為84 dB，壽命超過(guò)8000 h。

圖7　Danfoss公司APP系列海水軸向柱塞泵

英國(guó)TWHC(The Water Hydraulics Co.)公司從20世紀(jì)80年代起致力于推動(dòng)純水液壓技術(shù)的發(fā)展，旗下Janus系列海水元件已經(jīng)成功的走向市場(chǎng)。研制的斜盤式水壓變量泵可采用海水或淡水作為工作介質(zhì)[26]，如圖8所示。該泵采用比例電磁鐵控制斜盤角度來(lái)實(shí)現(xiàn)變量，主要材料選用316不銹鋼，最高轉(zhuǎn)速為1750 r/min， 最大工作壓力為16 MPa，最大功率為88 kW， 最大流量為390 L/min。

圖8　Water Hydraulics公司Janus系列水壓變量泵

2.2　端面配流水液壓柱塞泵國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

浙江大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展全水潤(rùn)滑水液壓泵研究的單位，在楊華勇和周華教授的帶領(lǐng)下，近年來(lái)對(duì)水液壓泵的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了大量卓有成效的研究，研制的水液壓泵樣機(jī)主要包括端面配流海水軸向柱塞泵和水液壓內(nèi)嚙合齒輪泵兩種[27-31]。并于2009年研制出面向反滲透海水淡化系統(tǒng)的海水軸向柱塞泵，如圖9所示，采用缸外大軸承支撐缸體、集中回程彈簧的結(jié)構(gòu)，該泵在額定壓力為8 MPa和額定轉(zhuǎn)速1500 r/min下的容積效率約為86.8%，總效率約為81.2%[32]，在反滲透海水淡化系統(tǒng)上累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2000 h。

圖9　浙江大學(xué)端面配流海水液壓泵

華中科技大學(xué)唐群國(guó)副教授在國(guó)家863計(jì)劃的資助下，于2010年研制了一臺(tái)全海水潤(rùn)滑盤配流液壓泵。如圖10所示，該泵采用兩個(gè)小軸承支撐主軸和缸體，采用分布式回程彈簧結(jié)構(gòu)，額定壓力為14 MPa，最高壓力為16 MPa，額定流量為40 L/min，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，容積效率接近80%[33, 34]。

圖10　華中科技大學(xué)端面配流海水液壓泵

北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授在“十一五”國(guó)家海洋領(lǐng)域863計(jì)劃項(xiàng)目以及國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下對(duì)端面配流海水液壓泵進(jìn)行了大量的探索創(chuàng)新研究。2008年研制出端面配流斜軸式海水柱塞泵，結(jié)構(gòu)如圖11所示。該泵采用間隙自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)密封柱塞副[35]，及陶瓷軸承承載，額定工作壓力為14 MPa時(shí)，排量為173 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，容積效率大于83%[36-38]。

圖11　端面配流斜軸式海水柱塞泵

在“十二五”國(guó)家海洋領(lǐng)域863計(jì)劃主題項(xiàng)目的資助下，北京工業(yè)大學(xué)還積極開(kāi)展了端面配流斜盤式海水軸向柱塞泵的研制，在材料篩選、配流特性、關(guān)鍵摩擦副可靠性設(shè)計(jì)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)等方面做了大量的基礎(chǔ)研究，2013年成功研制出多臺(tái)額定壓力為14 MPa， 額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min的全水潤(rùn)滑端面配流斜盤式海水軸向柱塞泵[39-44]，如圖12所示，該泵在工作壓力為14 MPa時(shí)的輸出流量可達(dá)113 L/min，容積效率為82%，目前該泵正處于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)階段，在額定工況下已累計(jì)運(yùn)行超過(guò)500 h。

圖12　全水潤(rùn)滑斜盤式海水軸向柱塞泵

3　電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵

隨著材料學(xué)、電磁學(xué)、自動(dòng)化控制等學(xué)科的發(fā)展，出現(xiàn)了電機(jī)和泵設(shè)計(jì)成一體的電磁直驅(qū)式液壓柱塞泵，可以克服傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向柱塞泵存在的摩擦副較多、變量機(jī)構(gòu)復(fù)雜、流量脈動(dòng)大的缺點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等高校均開(kāi)展了電磁直驅(qū)式油壓柱塞泵的研究，研制出了電磁直接驅(qū)動(dòng)電液伺服油壓泵、盤式永磁同步電機(jī)串聯(lián)直驅(qū)式柱塞泵、并聯(lián)電機(jī)葉片泵等樣機(jī)[45-48]。

由于電磁直驅(qū)式液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)方案存在的低流量脈動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)特別合適海洋應(yīng)用環(huán)境尤其是深海條件下低振動(dòng)的特殊需求，因此近年來(lái)北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校開(kāi)展了電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵的研究。

2010年，華中科技大學(xué)朱碧海副教授提出一種帶雙斜盤結(jié)構(gòu)的水壓軸向柱塞式電機(jī)泵[49]，如圖13所示。該泵將雙斜盤軸向柱塞泵泵體集成于屏蔽電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，使柱塞泵缸體與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子連接成一體結(jié)構(gòu)，工作時(shí)通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)柱塞泵缸體運(yùn)動(dòng)繼而完成泵的吸排水過(guò)程。該泵在額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，工作壓力8 MPa時(shí)的容積效率為70%[50, 51]。

圖13　雙斜盤柱塞式電機(jī)泵結(jié)構(gòu)圖

2009年，北京工業(yè)大學(xué)聶松林教授在國(guó)家自然科學(xué)基金和海裝預(yù)研項(xiàng)目的資助下，以低振動(dòng)、恒流量、高效率以及高可靠性為研究目標(biāo)，開(kāi)展了面向潛器的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)海水柱塞泵的研究。通過(guò)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，消除了傳統(tǒng)水液壓泵組機(jī)械傳動(dòng)鏈中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的一系列不良影響(如大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、振動(dòng)、噪聲及磨損等)，可大大地降低海水液壓柱塞泵組及系統(tǒng)的振動(dòng)和空氣輻射噪聲級(jí)別[52, 53]。該泵采用4臺(tái)大推力直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)8個(gè)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)柱塞通過(guò)一套吸水閥和壓出閥實(shí)現(xiàn)配流[52]，現(xiàn)已加工制造出額定壓力10 MPa、額定流量為100 L/min的直驅(qū)水壓柱塞泵樣機(jī)[54-57]，如圖14所示，目前該泵正處于組裝調(diào)試及性能試驗(yàn)階段。

4　展望

水液壓柱塞泵的發(fā)展經(jīng)歷了油水分離閥配流到全水潤(rùn)滑端面配流結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，隨著材料學(xué)、摩擦學(xué)不斷發(fā)展，應(yīng)結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢(shì)，將全水潤(rùn)滑超高壓閥配流水壓柱塞泵以及端面配流高壓水壓柱塞泵作為未來(lái)的發(fā)展方向；為了適應(yīng)未來(lái)水壓變頻調(diào)速泵控系統(tǒng)的發(fā)展需求，不但要研制傳統(tǒng)的斜盤式水壓變量泵，還要結(jié)合電磁學(xué)、自動(dòng)化控制等學(xué)科的最新研究成果，開(kāi)辟新的道路，積極開(kāi)展電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵的研究。

圖14　直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)海水柱塞泵

目前國(guó)產(chǎn)水壓柱塞泵在性能方面與國(guó)外成熟產(chǎn)品還存在不小的差距，需要從樣機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)和壽命試驗(yàn)入手，進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提高國(guó)產(chǎn)水壓柱塞泵的工作性能，爭(zhēng)取早日替代國(guó)外產(chǎn)品，不斷開(kāi)拓應(yīng)用市場(chǎng)，積極推動(dòng)國(guó)產(chǎn)水液壓柱塞泵在軍工、鋼鐵冶金、消防及反滲透淡化等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。

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