液压泵效率的优化方案

目前常用液压泵的节能优化设计工作已经比较完善，由于原理结构的限制，未见突破性的进步，效率几乎都达到了极限。例如，应用十分广泛的轴向柱塞泵和轴向柱塞马达的效率达到了85%～95%，效率的进一步提高十分有限。就效率而言，目前，液压泵效率最高的为柱塞泵，其次为叶片泵，最后为齿轮泵。

应用于工程机械的液压泵主要为柱塞泵。柱塞泵的效率主要包括容积效率和机械效率。柱塞泵能量损耗主要包括容积损耗和机械损耗。以斜盘式柱塞泵为例，引起容积损耗的主因是轴向柱塞泵的柱塞副、配流副和柱塞与斜盘的接触副（滑靴）间隙之间的泄漏和油液的弹性；而引起机械损耗的主因是柱塞泵各运动副的摩擦阻力和黏性油液在泵内流动时产生黏滞阻力。降低容积损耗的根本措施是减少运动副之间的泄漏量，同时兼顾机械效率和润滑，相关的研究工作一直是液压技术领域国内外的研究重点。

美国普渡大学和德国亚琛工业大学都开展了轴向柱塞泵关键摩擦副的润滑特性、泄漏特性、抗磨特性和减阻特性等相关的研究工作。通过研究，已经在柱塞表面形状设计和配流盘表面的设计方面取得重要进展。美国普渡大学提出通过波浪形表面形状改善柱塞泵效率原理，同时提高了泵的容积效率和机械效率，研究工作使柱塞泵在低压工作的效率提高10%^[1，2]。德国亚琛工业大学液压研究所通过对柱塞两端形状的修改，对柱塞表面的微结构，柱塞和缸体、滑靴配合的研究，提高了泵的工作效率^[3]。浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杨华勇教授团队也做了一定的研究。2005年，YInaguma对提高叶片泵的机械效率进行了研究，并通过实验分析提出了如何选定影响机械效率的叶片厚度和摩擦转矩等参数的设计方法^[4，5]。

目前，在结构上较为创新的是荷兰的innas公司提出的一种浮杯式斜盘柱塞泵（见图3-1），其工作效率达到了97%，但斜盘倾角只有8°，这也间接推翻了传统上认为柱塞泵/马达的摆角越大，效率越高的基本规则。浮杯原理的特性是由一组相似的镜像结构构成。它有两个斜盘，按照相反的方向摆动。斜盘几乎达到100%的轴向静压力平衡。因此，和滑动轴承间的摩擦力很小。在新设计中，阻尼和控制功能是分开的。只需对控制功能进行优化，而无需考虑阻尼结构影响。如图3-2所示，在极低转速（1r/min）和压力为30MPa时，浮杯式柱塞泵的输出转矩基本接近理论的最大转矩，而传统的轴向柱塞泵的输出转矩降低了20%，径向柱塞泵的输出转矩降低了55%。此外，从图3-2中也可以看出，浮杯式斜盘柱塞泵的输出转矩也更为平滑。

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图3-1 浮杯式斜盘柱塞泵

图3-2 浮杯式柱塞泵理论和实测曲线（n=1r/min，p=300MPa）