恒功率柱塞泵原理分析

最新的加入角度传感器来实现恒转矩控制（本质上讲是恒功率控制）的几种方案，这些方案都很新颖，但是在国内还鲜有见到。除去这些用角度传感器实现的恒功率控制，各大品牌厂商也有自己比较成熟的恒功率实现方案，消化和吸收原有成熟方案，对于工程师再创造是很有意义的。

国产CY恒功率轴向柱塞泵

有必要先提一下国产的CY轴向柱塞泵，虽然现在这种形式可能已经应用不多，但是体现的那个时代中国液压人的智慧，不应该被忽视。

图1 CY柱塞泵变量机构机构图及恒功率曲线

泵本身排油口压力经液压伺服滑阀控制变量机构，是采用双弹簧的恒功率变量机构。伺服变量过程大概是这样：当压力超过某一设定值时，由于滑阀的直径D1>D2,所以腔室d中向上的液压力大于弹簧预紧力时，滑阀3将克服外弹簧5的作用从而使滑阀3上升，环槽c被堵住，环槽g被打开，活塞上腔室e中的油经f、g从滑阀中心孔流回油箱，则下腔室a的压力油将活塞2往上推，使其跟踪滑阀3向上运动，斜盘倾角减小，则流量减小。泵排油口压力降低时，则流量增加，工作过程与之前相反[1]。在这种恒功率机构中，滑阀3和活塞2之间的反馈设计还是很经典的。

力士乐A10VO恒功率轴向柱塞泵

图2 A10VO液压原理图[4]

图3 A10VO恒功率阀[4]

A点是恒功率起调点，在AB段内，此时增大工作压力，工作压力作用于功率阀5推开功率阀5的阀芯，在功率阀5的第一根功率弹簧压缩力与工作压力平衡后停止运动，功率阀5的溢流量增大，流量阀7的阀芯右端压力降低，流量阀7的阀芯右移，流量阀7工作于左位，变量柱塞6大端作用有高压油，变量柱塞6左移，排量减小。与此同时，变量柱塞6通过反馈机构作用于功率阀5，使得功率阀5的溢流量减小，流量阀7的阀芯右端压力增大，流量阀7的阀芯逐渐左移，变量柱塞6运动速度逐渐接近零，流量在该工作压力下稳定。AB工作段压力流量关系为线性关系。BC段，因为两根功率弹簧同时都处于工作状态，弹簧刚度为两弹簧刚度之和，BC段压力流量关系斜率增大，但仍为线性关系，此阶段工作过程与AB阶段相同[2]。

图4 功率曲线[4]

图5 功率反馈机构[4]

应当指出在整个调节过程中，阻尼孔10起着至关重要的过程，若是没有这个阻尼孔，整个系统将处于“瘫痪”的状态。在原理图上，功率阀5画成了溢流阀的符号，此处的功率阀5实际上是带有反馈功能的溢流阀,如图3和图5所示,研究表明适当增加功率阀5的三角槽个数，可以减小泵的最小功率，从而改变静态工作曲线，在一定程度上增大泵的功率控制范围[2]。

川崎K3V恒功率轴向柱塞泵

日本川崎公司的K3V轴向柱塞泵泵调节器，采用的是机械反馈结构，K3V具有总功率控制、变功率控制、负流量控制、最大流量两端控制等等，控制方式极其丰富，这里限于篇幅不在对其变量过程展开进行研究。K3V泵调节器设计精巧，对于一位机械或者液压工程师来说，应该来说很具有吸引力。K3V的总功率控制、变功率控制是建立在恒功率控制的基础上实现的，其恒功率曲线最终通过双弹簧逼近来实现。

图6 K3V变量机构

力士乐A11VO恒功率轴向柱塞泵

其工作原理是:当泵功率未达到调定的恒功率值时，p、A和a的乘积(力矩)小于输入的Fb(F为弹簧设定值产生的弹性力)，变量阀1处于右位，排量最大，此时泵的输出排量最大。假如工作压力超过了弹簧的设定值，即当pAa大于Fb时，在摇杆处的杠杆长度减小，作用在杠杆5上的顺时针力矩大于逆时针力矩，杠杆使变量阀芯移动，压力油进入大变量缸3，使排量有所减少，直至重新回到逆向力矩等于小于顺向力矩的状态。工作压力可以按排量减少量的相同比例增加，使驱动功率不会被超过，从而保持泵的输出功率为常数[3]。

图7 A11VO轴向柱塞泵

采用双弹簧结构和采用杠杆结构来实现恒功率变量，是在实际生产中应用较普遍的恒功率实现方式。从上面可以看出CY、A10VO、K3V、A11VO均采用了反馈结构，只不过反馈的形式及反馈机构有所不同而已。

CY、A10VO、K3V恒功率曲线最终都是通过双弹簧结构逼近来实现的，而A11VO巧妙的采用了杠杆的结构，功率曲线更接近双曲线。笔者认为，杠杆结构的发明应该是“传统”恒功率家族比较有突破意义的创新。

除去上面几种比较典型的产品，Paker、Oilgear等品牌产品的恒功率实现方式在原理上与上面几种还有所不同，限于篇幅不再详述。

选自 iHydrostatics。