王斌，車(chē)芳芳，范昌勇

(1. 海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室，重慶 402264；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司重慶液壓機(jī)電有限公司，重慶 402160)

0 引 言

本文研究一種既能廣泛應(yīng)用于海下潛艇救援裝備、智能裝備、特種機(jī)器人、救援機(jī)器人等新興軍民品市場(chǎng)，也能滿(mǎn)足船舶、海洋裝備、航空航天、礦山冶金等對(duì)輸出力要求較大的傳統(tǒng)軍民品市場(chǎng)行業(yè)要求的微量泵。通過(guò)對(duì)微量泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形及連接方式、主要零部件的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析研究，在柱塞泵設(shè)計(jì)研究及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)外現(xiàn)有的外形及連接方式，采用插入式的圓柱狀方式，使微型柱塞泵與可編程控制器一起組成集成部件，設(shè)計(jì)提供了一種新型的微型柱塞泵。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，微量泵由于設(shè)計(jì)難度高、加工難度大，受加工方法、制造工藝和液壓技術(shù)落后等多方面因素的限制，對(duì)微量泵的研發(fā)較少。隨著液壓技術(shù)的不斷提升，各行業(yè)發(fā)展的推進(jìn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始對(duì)微量泵逐步進(jìn)行研發(fā)，其中也借鑒了一些國(guó)外相應(yīng)的液壓先進(jìn)技術(shù)。但是，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)對(duì)微量泵的研究基本還處于起步階段，尚未掌握微量泵的關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品的外形連接方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要零部件的選材等方面與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有較大的差距。

1.2 國(guó)外研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)微量泵的研究起步較早，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，生產(chǎn)條件成熟，試驗(yàn)手段完善，為研究與開(kāi)發(fā)投入了大量的人力物力，尤其德國(guó)力度克公司已開(kāi)發(fā)出了自己的PB，PF，PBV 等系列產(chǎn)品，壓力高、轉(zhuǎn)速高、體積小、微小排量，覆蓋范圍廣。由于國(guó)外技術(shù)和工藝的壟斷，造成其產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格高昂。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外微泵研制現(xiàn)狀可知，國(guó)外生產(chǎn)的微量泵已形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，產(chǎn)品系列多樣化，且轉(zhuǎn)速高、排量和壓力范圍廣，而國(guó)內(nèi)微量泵還徘徊在中低壓、中轉(zhuǎn)速、起步階段，因此，急需開(kāi)發(fā)微小排量、高壓力、高轉(zhuǎn)速的微量泵。

2 微量泵外形安裝方式分析

傳統(tǒng)柱塞泵采用軸端法蘭連接方式，泵體外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給鑄造工藝帶來(lái)較大的難度。較大的體積不僅增加了設(shè)備重量，也無(wú)法使柱塞泵用于集成的智能裝備，此類(lèi)產(chǎn)品的體積使其在需要集成的設(shè)備和智能領(lǐng)域的應(yīng)用大大受到了限制。

微型柱塞泵外形采用插入式的圓柱形安裝方式，微小的輸出排量，體積極小，相比人的手掌心還小，僅比拇指稍大，很大程度上改變了傳統(tǒng)柱塞泵體積大、無(wú)法集成的特點(diǎn)。微型柱塞泵高達(dá)30 MPa 的壓力使其可承受較大的負(fù)載力，高達(dá)6 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速特性又可使它應(yīng)用于航空航天、特種機(jī)器人、外骨骼、可穿戴液壓設(shè)備等空間有限且有要求輸出力大的行業(yè)，狹小空間及有限輸出功率條件下，可提供相當(dāng)大的輸出力。該結(jié)構(gòu)微量泵還可與伺服電機(jī)組合，組成可與可編程控制器一起使用的集成部件，在微型控制或者控制系統(tǒng)中作為“機(jī)械肌肉”，特別是在特種機(jī)器人如單兵作戰(zhàn)外骨骼系統(tǒng)、礦區(qū)井下救援、石油勘探、海洋調(diào)查機(jī)器人、戰(zhàn)斗機(jī)、高出力工具等領(lǐng)域可以被廣泛應(yīng)用，未來(lái)還可以在醫(yī)用領(lǐng)域廣泛用于各類(lèi)機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力來(lái)源。

3 內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)外柱塞泵根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、油液流通方式、吸油口和壓油口的位置布置等，主要有4 種主要結(jié)構(gòu)。

3.1 雙向可旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)的泵屬于高壓低噪聲雙向柱塞泵（見(jiàn)圖1），油口在泵的前蓋上，前蓋有斜孔油流對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，要求有足夠的內(nèi)部空間，相比微量泵體積小，要求結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，此結(jié)構(gòu)針對(duì)微量泵設(shè)計(jì)研究的借鑒意義不大。

3.2 波紋彈簧預(yù)緊結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)中、大型排量結(jié)構(gòu)型式，只是將為缸體提供預(yù)緊力的圓柱螺旋壓縮彈簧換成波紋彈簧（見(jiàn)圖2）。優(yōu)點(diǎn)是同等彈力要求下波紋彈簧所占空間更小，柱塞分度圓可以做的更小，旋轉(zhuǎn)組件徑向尺寸更小，滑動(dòng)摩擦副線(xiàn)速度更小，PV 值更小，工作效率高，摩擦副壽命提升，同時(shí)提升了最高工作轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)制動(dòng)響應(yīng)更快。相比微量泵結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研究時(shí)可以適當(dāng)借鑒中心波紋彈簧預(yù)緊的彈簧結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足空間限制要求方面對(duì)微量泵研究有一定啟發(fā)。

圖 1 雙向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1Bidirectional rotation structure diagram

圖 2 波紋彈簧結(jié)構(gòu)Fig. 2Corrugated spring structure

圖 3 分體配流盤(pán)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3Structure diagram of split port plate

3.3 分體配流盤(pán)結(jié)構(gòu)

一般高速、高壓泵采用球面配流較多（見(jiàn)圖3）。此結(jié)構(gòu)是將球面配流盤(pán)一分為二，兩面配流窗口交錯(cuò)開(kāi)，由于軸承4B 外徑影響，考慮后蓋流道壁厚，配流盤(pán)配流窗口分度圓不能太小，但此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)球面?zhèn)却翱诜侄葓A可以更小，封油帶直徑更小，球面R 更小，油道θ 角更大，從而使泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)缸體定心效果更好，泵的容積效率和機(jī)械效率更高，自吸能力更強(qiáng)，同等吸油壓力下泵的允許轉(zhuǎn)速更高。因此，相比微型泵結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)，該型結(jié)構(gòu)的球面配流要求的分度圓較大，不適合微量泵的空間限制的要求，對(duì)微量泵的設(shè)計(jì)研究借鑒意義不大，但可以考慮設(shè)計(jì)研究微量泵時(shí)采用平面配流的方式。

3.4 雙向可旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)結(jié)構(gòu)

該型結(jié)構(gòu)是給傳動(dòng)軸、斜盤(pán)一體式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)帶腰型槽可回轉(zhuǎn)定位的過(guò)渡盤(pán)，過(guò)渡盤(pán)通過(guò)圓柱環(huán)定心，再通過(guò)彈簧壓緊鋼球定位于過(guò)渡盤(pán)的卡槽內(nèi)（見(jiàn)圖4），以達(dá)到旋轉(zhuǎn)定位的目的，實(shí)現(xiàn)定位功能。此結(jié)構(gòu)通過(guò)用螺絲刀壓鋼球，使過(guò)渡盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°變換吸油腰型槽的位置，以期實(shí)現(xiàn)泵的雙向旋轉(zhuǎn)。

圖 4 雙向旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig. 4Bidirectional swash plate structure

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

綜合傳統(tǒng)柱塞泵設(shè)計(jì)研究及工藝生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，分析常規(guī)柱塞泵內(nèi)外部結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)微型柱塞泵的基本功能、性能和參數(shù)要求等，在基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍選用常規(guī)定量斜盤(pán)式柱塞泵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入分析研究，重新設(shè)計(jì)中心彈簧、配流盤(pán)、柱塞滑靴副、回程盤(pán)、柱塞球頭以及包球等，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量泵的基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1

采用常規(guī)定量斜盤(pán)式柱塞泵結(jié)構(gòu)。其中將傳統(tǒng)的圓柱螺旋彈簧改為占用更小空間的波紋彈簧，配流盤(pán)采用分體式球面配流盤(pán)，詳見(jiàn)圖5。其優(yōu)點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)更緊湊，容積效率、機(jī)械效率高，自吸能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速更高。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2

采用常規(guī)定量斜盤(pán)式柱塞泵結(jié)構(gòu)。其中缸體彈簧還是采用傳統(tǒng)的圓柱螺旋彈簧加支撐銷(xiāo)，配流盤(pán)采用平面配流，柱塞滑靴副采用分體式，不用包球，回程盤(pán)直接壓緊柱塞球頭，詳見(jiàn)圖6。此結(jié)構(gòu)與上一結(jié)構(gòu)相比，加工難度更低，但是容積效率要低一些，自吸能力差些，轉(zhuǎn)速不會(huì)太高。

圖 5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 結(jié)構(gòu)圖Fig. 5Structural designⅠ structural drawing

圖 6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 結(jié)構(gòu)圖Fig. 6Structural designⅡ structural drawing

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3

外形采用國(guó)外力度克圓外形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)柱塞泵結(jié)構(gòu)，球面配流，缸體預(yù)緊采用圓柱螺旋壓縮彈簧，吸油采用配流盤(pán)一側(cè)配流窗口銑缺口，直接從殼體吸油，或者采用通過(guò)斜盤(pán)銑腰型槽，直接從殼體吸油。

缺點(diǎn)是采用力度克圓外形，后蓋用螺紋與殼體連接，配流盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向無(wú)法定位，無(wú)法正確配流，殼體吸油，要在殼體外部焊接油口連接吸油管，外形不美觀(guān)。

4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4

后蓋采用方法蘭與殼體連接連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)柱塞泵結(jié)構(gòu)，球面配流，缸體預(yù)緊采用圓柱螺旋壓縮彈簧，吸、排油采用配流盤(pán)配流，進(jìn)出油口都布置在后蓋端面上，外形美觀(guān)。

圖 7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 結(jié)構(gòu)圖Fig. 7Structural design Ⅲ structural drawing

圖 8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 結(jié)構(gòu)圖Fig. 8Structural design Ⅳ structural drawing

4.5 確定方案

1）微型柱塞泵結(jié)構(gòu)組成

該微型柱塞泵主要由傳動(dòng)軸（1）、泵體（2）、斜盤(pán)（3）、回程機(jī)構(gòu)（4，5）、波形彈簧（6）、柱塞（7）、滑靴、缸體（8）、配流盤(pán)（9）、壓蓋（10）、沖壓外圈滾針軸承、微小型深溝球軸承以及密封件組成，詳見(jiàn)圖9。

圖 9 最終確定方案Fig. 9Finally determine the scheme

2）微量泵的工作原理

傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)，使均勻分布在缸體上的柱塞繞傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)柱塞端部都有滑靴，通過(guò)中心波形彈簧（6），回程機(jī)構(gòu)（4，5）將滑靴壓在與軸線(xiàn)成一定傾斜角度的斜盤(pán)上，同時(shí)將缸體另一端面壓在配流盤(pán)上，當(dāng)缸體旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞即做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)配流盤(pán)上的吸油窗口和壓油窗口口完成泵的吸油和壓油動(dòng)作。

3）主要特點(diǎn)

①前端采用微小型深溝球軸承（16）承受來(lái)自軸端的徑向力，該軸承有高轉(zhuǎn)速、低摩擦力矩、低振動(dòng)、低噪聲的特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)微量泵不能承受向內(nèi)的較大的軸向推力。后端采用沖壓外圈滾針軸承（13）支撐；

②彈簧采用一個(gè)中心波形彈簧，占用空間更少；用中心波形彈簧進(jìn)行預(yù)壓緊，用彈簧力托住回程盤(pán)，使吸油過(guò)程中的柱塞都能逐漸從柱塞腔中提伸出，平穩(wěn)完成吸油工作；

③傳動(dòng)軸與缸體采取花鍵傳動(dòng)將液壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械力；在缸體高速運(yùn)行時(shí)，其花鍵部位承受著巨大的扭矩和沖擊，傳遞力矩的缸體的平穩(wěn)性將直接影響到支撐平面，即配油面的磨損，以及整個(gè)泵的運(yùn)行效率和噪聲等。為了消除花鍵傳動(dòng)的傳遞應(yīng)力，以及花鍵傳動(dòng)的間隙，傳動(dòng)軸在軸向方向可進(jìn)行微小幅度的浮動(dòng)，因此，配流盤(pán)和斜盤(pán)的穩(wěn)定性更加凸顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)柱塞泵內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)、外形安裝及連接形式的研究分析，綜合國(guó)內(nèi)外柱塞泵、微型柱塞泵的特點(diǎn)和性能，通過(guò)多方案比優(yōu)，研究確定了微量泵的主要內(nèi)部、外部結(jié)構(gòu)和連接安裝方式。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于救援機(jī)器人、智能裝備、特種機(jī)器人、海下潛艇救援裝備等新興市場(chǎng)，也能滿(mǎn)足航空航天、船舶、海洋裝備、礦山冶金等對(duì)輸出力要求較大的傳統(tǒng)行業(yè)。而且，以微型柱塞泵為核心，可逐步拓展到微型液壓?jiǎn)卧?、微型液壓系統(tǒng)等智能型集成系統(tǒng)。