水液压柱塞泵的研究进展及展望_聂松林
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［21 ］
图6
全水润滑旋转阀配流纯水柱塞泵
2
端面配流水液压柱塞泵
端面配流方式相比于阀配流方式自吸能力较好 ， 转速较高， 结构较为紧凑， 具有可逆性， 可作为水压马 达使用。但配流盘在高压时的泄漏较大， 因而此种配 流方式适用于中高压水压柱塞泵的场合 。 2． 1 端面配流水液压柱塞泵国外研究现状 丹麦 Danfoss 公司研制的 APP 系列轴向柱塞泵采
Байду номын сангаас
图 2 德国 Hauhinco 公司径向阀配流水液压泵
1． 2
海水液压泵国内研究现状
华中科技大学是国内最早开展水液压传动技术研 究的单位。据目前公布的文献资料来看， 开发出的水 液压柱塞泵样机大多采用油水分离阀配流结 构， 其 1996 年研制出国内第一台油水分离中低压轴向柱塞
［17 ］ 式海水泵 ， 额定工作压力为 3 MPa，最高工作压力 为 6． 3 MPa ，额定流量为 100 L / min， 之后相继研制出 330 L / min （ 额定压力均为 3． 5 MPa， 流量为 200 L / min、 ［ 14， 18 ］ 。 最大压 力 为 6． 3 MPa ） 的 一 系 列 海 水 泵 样 机 2013 年， 华中科技大学研制出了浮力调节超高压海水
Abstract： The water hydraulic pump is one of key power components in water hydraulic systems，and the piston pump is one of the mainstream structures of water hydraulic pump． In this paper，the current situation of the water hydraulic piston pump is analyzed and summarized． The research progress of the port valve distribution and the port plate distribution are emphatically analyzed，and the current situation of the direct drive motor water hydraulic piston pump is introduced． At last，the development prospect of the water hydraulic piston pump is presented． Key words： water hydraulics，piston pump，port valve distribution，port plate distribution，direct drive motor 引言 现代水压传动与控制技术是在 20 世纪下半叶重 新崛起的一种以水（ 包括海水、 淡水 ） 作为工作介质的 绿色传动技术， 是当前国际上流体传动及控制领域前 沿性研究方向。它能避免使用液压油引起的环境污染 和火灾安全隐患， 节约石油资源； 此外， 水作为工作介 质还有价格低廉， 来源广泛， 无需处理， 可避免介质对 诸如纺织物、 食品和药品等产品的污染， 水的自清洁特 ［1 ］ 性使设备维护保养方便 。同时，直接以海水作为工
2015 年第 1 期
［ 19， 20 ］ 81% ， 。 机械效率为 90% 容积效率为 91% ，
液压与气动
机
［24 ］
3
， 分布 如图 6 所示， 采用轴向柱塞式阀配流结构， 式弹簧回程， 斜盘静止， 主轴带动缸体旋转以使柱塞往 复运动来完成吸、 排水工作。 目前该泵正处于性能改 进阶段。
。
［25 ］ 用海水作为工作介质 ， 如图 7 所示。 该泵采用了后 斜盘式结构， 分布式弹簧回程， 泵内集成有冲洗阀， 保
证泵不工作时海水能够从进口流向出口实现冲洗功 能。该泵额定压力为 8 MPa， 最高转速为 1200 r / min，
图4 基于海水润滑的中高压阀配流柱塞泵
6 MPa 时噪 最大流量为 500 L / min， 总效率大于 80% ， 声为 84 dB ， 寿命超过 8000 h。
2015 年第 1 期
doi ∶ 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2015． 01． 001
液压与气动
1
作者简介： 聂松林， 男，1967 年生， 工学博士， 北京工业大学机电学院教授 、
1204 收稿日期： 2014基金项目： 国家 863 计划项目 （ 2012AA091103 ） ； 国家自然科 学基金 （ 51375018 ） ； 北 京 市 人 才 强 教 计 划 项 目 （ CIT＆TCD 20130316 ）
2
液压与气动
2015 年第 1 期
作介质的海水液压传动技术已成为当今国际上水下作 ［2 ， 3 ］ ， 业装备动力驱动系统的发展方向 并被西方发达 国家 多 年 的 实 际 应 用 证 明 为 最 佳 的 动 力 驱 动 方 ［4 － 7 ］ ， 式 海水液压系统代替油压系统已成为水下作业
水液压柱塞泵的研究进展及展望
聂松林，尹方龙
（ 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 ，北京 100124 ）
要： 水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件 ， 柱塞泵是目前水液压泵的主流结构形式 。该文对 ， 水液压柱塞泵的发展现状进行了分析概述 重点分析了阀配流和端面配流水液压柱塞泵国内外的研究进展 ， 摘 介绍了电磁直驱式水液压柱塞泵的研究现状 ， 并对水压柱塞泵的发展趋势进行了展望 。 关键词： 水液压； 柱塞泵； 阀配流； 端面配流； 电磁直驱 中图分类号： TH137． 5 文献标志码： B 4858 （ 2015 ） 01000107 文章编号： 1000-
［15 ］ 维增强工程塑料 （ CFＲP ） ， 其结构如图 1 所示 。 该 泵有 3 个柱塞， 流量为 7． 05 L / min， 最高工作压力为
图1
Kayaba 阀配流海水液压泵
其机械传动轴承部分采用油水分离结构， 流量为 8 ～ 700 L / min， 压 力 为 15 ～ 80 MPa，适 用 于 黏 度 为 5 × 10 － 7 ～ 4 × 10 － 6 m2 / s 的液体介质， 改变一些关键部 件的配合间隙和材料后便可用于纯水介质。 而 ＲKP 系列径向柱塞泵采用 5 个或 7 个柱塞， 输出流量为 3 ～ 240 L / min， 结构如图 2 所示， 最高压力达 32 MPa ； 其 160 型径向柱塞泵在 21 MPa 压力下容积效率 中 ＲKP达 94% 。该类泵流量和压力脉动较小， 工作寿命长， 抗污染能力强， 效率高， 已用于海底管道铺设及维护系 统等海洋开发机械设备中。
21 MPa， 最高转速为 1800 r / min， 容积效率超过 85% ， 机械效率约为 90% 。 3K 系列三柱塞 德国 Hauhinco 公司研制了 EHK［16 ］ 曲柄连杆泵和 ＲKP 系列径向柱塞泵 。 其中 EHK3K 系列三柱塞泵是在原乳化液泵的基础上改进而来 ，
泵样机， 如图 3 所示， 该泵采用油水分离结构， 即配流 阀和缸孔浸没在水中， 其他关键摩擦副浸没在油中， 使 用密封圈将油水隔开， 并使用压力补偿器来平衡油液 ， 润滑腔与环境的压力 工作转速为 1000 r / min， 空载流 48 MPa 时 为 5． 7 L / min， 量为 6． 3 L / min， 总效率为
Progress and Prospect of Water Hydraulic Piston Pump
NIE Songlin，YIN Fanglong
（ College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124 ）
北京工业大学聂松林教授对油水分离阀配流式海 水轴向柱塞泵结构进行了一系列改进 ， 于 2006 年研制 ［22 ］ 出潜艇高压细水雾灭火泵 ， 现已小批量装备海军某 如图 5 所示， 该泵采用一体式阀配流结 新型试验艇， ［23 ］ 构 ， 工作压力为 4 ～ 6 MPa， 流量为 200 L / min， 容积 效率约为 95% 。
博导 ，机电学院学术委员会副主任 ， 主要从事水压传动及其基础技术研究 、 电液控 制工程等研究工作 。2004 年在加拿大 University of Ｒegina 进行博士后研究工作 ，2007 ，2009 年入选北京市特聘教授 ，2010 年入选 年入选 “教育部新世纪优秀人才计划 ” “新世纪百千万人才工程市级人选 ” ，2012 年入选北京市长城学者 。 中国机械工程学 会高级会员 ，流体传动与控制分会委员以及第一届水液压专业委员会和第五届液压 专业委员会委员 。主持国家自然科学基金 、国家 863 计划项目 、国家科技重大专项专 题项目等 10 余项 ，国防科技攻关项目 6 项 ， 其他横向协作项目多项 ， 并获得 2004 年度国防科技进步 二等奖 。发表学术论文 130 余篇 （ 其中 SCI 收录 57 篇，EI 收录 13 篇，ISTP 收录 8 篇） 。申请发明专利 30 余项 ，实用新型 20 余项 。
［8 ］ 装备动力驱动方式的必然选择 ， 在水下作业工具、 深海空间站、 深潜调查船的浮力调节、 海洋能能量转换
系统、 反渗透海水淡化系统、 高压水清洗、 高层建筑灭 ［ 9 － 12 ］ 。 火等方面以及食品、 医药等领域取得了广泛应用 水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件 ， 多 、 、 、 、 、 年来美国 英国 德国 丹麦 芬兰 日本等西方国家均 将其列为有重要工程应用价值的高新技术项目 ， 重点 ［13 ］ 进行研究， 研制出了一系列成熟的水液压泵产品 ， 且目前 投 入 市 场 的 产 品 主 要 以 轴 向 柱 塞 式 结 构 为 ［14 ］ 主 。近年来我国华中科技大学、 浙江大学、 北京工 业大学、 中国海洋大学、 西南交通大学、 燕山大学、 大连 海事大学等单位逐步开展了水压传动与控制方面的研 究工作。研制出了多台水液压柱塞泵样机， 在潜艇高 压细水雾灭火系统、 载人潜器的浮力调节以及高压水 清洗等领域取得了初步应用。 本研究主要介绍国内外不同配流形式的水液压柱 塞泵， 以及国内水液压柱塞泵的研究历程和最新进展 ， 最后结合国内外研究现状提出今后水压柱塞泵的研究 方向和发展重点。 1 阀配流水液压柱塞泵 阀式配流是发展较早的配流方式 。由于配流阀的 密封性能好， 易于获得高压， 且具有良好的抗污染性 能， 因此广泛应用于高压、 超高压水压柱塞泵中。但此 类柱塞泵工作过程不可逆， 不能做水压马达使用， 且功 率密度比较小。 1． 1 阀配流水液压柱塞泵国外研究现状 1989 年日本萱场 （ Kayaba ） 工业株式会社研发出 一种阀配流水压轴向柱塞泵， 用于载人潜器的浮力调 节， 主轴与斜盘做成一体， 并采用两个径向陶瓷球轴承 和一个轴向动压润滑陶瓷止推轴承支承主轴和斜盘旋 转， 斜盘、 柱塞、 轴承均采用陶瓷， 滑靴和缸套采用碳纤
图3
华中科技大学阀配流超高压海水泵
2005 年， 华中科技大学杨曙东教授研制出基于海 水润滑的中高压柱塞泵， 所有摩擦副均采用海水润滑， 结构如图 4 所示， 该泵采用轴向柱塞式阀配流结构， 缸 体不动， 中心弹簧回程， 主轴带动斜盘旋转以使柱塞往 复运动来完成吸、 排水工作。 样机在额定工况下运行 50 h 后， 输出流量为 40． 2 L / min， 容积效率为 81. 9% ， 机械效率为 86． 6% ， 总效率约为 70． 9%
图6
全水润滑旋转阀配流纯水柱塞泵
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端面配流水液压柱塞泵
端面配流方式相比于阀配流方式自吸能力较好 ， 转速较高， 结构较为紧凑， 具有可逆性， 可作为水压马 达使用。但配流盘在高压时的泄漏较大， 因而此种配 流方式适用于中高压水压柱塞泵的场合 。 2． 1 端面配流水液压柱塞泵国外研究现状 丹麦 Danfoss 公司研制的 APP 系列轴向柱塞泵采
Байду номын сангаас
图 2 德国 Hauhinco 公司径向阀配流水液压泵
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海水液压泵国内研究现状
华中科技大学是国内最早开展水液压传动技术研 究的单位。据目前公布的文献资料来看， 开发出的水 液压柱塞泵样机大多采用油水分离阀配流结 构， 其 1996 年研制出国内第一台油水分离中低压轴向柱塞
［17 ］ 式海水泵 ， 额定工作压力为 3 MPa，最高工作压力 为 6． 3 MPa ，额定流量为 100 L / min， 之后相继研制出 330 L / min （ 额定压力均为 3． 5 MPa， 流量为 200 L / min、 ［ 14， 18 ］ 。 最大压 力 为 6． 3 MPa ） 的 一 系 列 海 水 泵 样 机 2013 年， 华中科技大学研制出了浮力调节超高压海水
Abstract： The water hydraulic pump is one of key power components in water hydraulic systems，and the piston pump is one of the mainstream structures of water hydraulic pump． In this paper，the current situation of the water hydraulic piston pump is analyzed and summarized． The research progress of the port valve distribution and the port plate distribution are emphatically analyzed，and the current situation of the direct drive motor water hydraulic piston pump is introduced． At last，the development prospect of the water hydraulic piston pump is presented． Key words： water hydraulics，piston pump，port valve distribution，port plate distribution，direct drive motor 引言 现代水压传动与控制技术是在 20 世纪下半叶重 新崛起的一种以水（ 包括海水、 淡水 ） 作为工作介质的 绿色传动技术， 是当前国际上流体传动及控制领域前 沿性研究方向。它能避免使用液压油引起的环境污染 和火灾安全隐患， 节约石油资源； 此外， 水作为工作介 质还有价格低廉， 来源广泛， 无需处理， 可避免介质对 诸如纺织物、 食品和药品等产品的污染， 水的自清洁特 ［1 ］ 性使设备维护保养方便 。同时，直接以海水作为工
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［ 19， 20 ］ 81% ， 。 机械效率为 90% 容积效率为 91% ，
液压与气动
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， 分布 如图 6 所示， 采用轴向柱塞式阀配流结构， 式弹簧回程， 斜盘静止， 主轴带动缸体旋转以使柱塞往 复运动来完成吸、 排水工作。 目前该泵正处于性能改 进阶段。
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［25 ］ 用海水作为工作介质 ， 如图 7 所示。 该泵采用了后 斜盘式结构， 分布式弹簧回程， 泵内集成有冲洗阀， 保
证泵不工作时海水能够从进口流向出口实现冲洗功 能。该泵额定压力为 8 MPa， 最高转速为 1200 r / min，
图4 基于海水润滑的中高压阀配流柱塞泵
6 MPa 时噪 最大流量为 500 L / min， 总效率大于 80% ， 声为 84 dB ， 寿命超过 8000 h。
2015 年第 1 期
doi ∶ 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2015． 01． 001
液压与气动
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作者简介： 聂松林， 男，1967 年生， 工学博士， 北京工业大学机电学院教授 、
1204 收稿日期： 2014基金项目： 国家 863 计划项目 （ 2012AA091103 ） ； 国家自然科 学基金 （ 51375018 ） ； 北 京 市 人 才 强 教 计 划 项 目 （ CIT＆TCD 20130316 ）
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液压与气动
2015 年第 1 期
作介质的海水液压传动技术已成为当今国际上水下作 ［2 ， 3 ］ ， 业装备动力驱动系统的发展方向 并被西方发达 国家 多 年 的 实 际 应 用 证 明 为 最 佳 的 动 力 驱 动 方 ［4 － 7 ］ ， 式 海水液压系统代替油压系统已成为水下作业
水液压柱塞泵的研究进展及展望
聂松林，尹方龙
（ 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 ，北京 100124 ）
要： 水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件 ， 柱塞泵是目前水液压泵的主流结构形式 。该文对 ， 水液压柱塞泵的发展现状进行了分析概述 重点分析了阀配流和端面配流水液压柱塞泵国内外的研究进展 ， 摘 介绍了电磁直驱式水液压柱塞泵的研究现状 ， 并对水压柱塞泵的发展趋势进行了展望 。 关键词： 水液压； 柱塞泵； 阀配流； 端面配流； 电磁直驱 中图分类号： TH137． 5 文献标志码： B 4858 （ 2015 ） 01000107 文章编号： 1000-
［15 ］ 维增强工程塑料 （ CFＲP ） ， 其结构如图 1 所示 。 该 泵有 3 个柱塞， 流量为 7． 05 L / min， 最高工作压力为
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Kayaba 阀配流海水液压泵
其机械传动轴承部分采用油水分离结构， 流量为 8 ～ 700 L / min， 压 力 为 15 ～ 80 MPa，适 用 于 黏 度 为 5 × 10 － 7 ～ 4 × 10 － 6 m2 / s 的液体介质， 改变一些关键部 件的配合间隙和材料后便可用于纯水介质。 而 ＲKP 系列径向柱塞泵采用 5 个或 7 个柱塞， 输出流量为 3 ～ 240 L / min， 结构如图 2 所示， 最高压力达 32 MPa ； 其 160 型径向柱塞泵在 21 MPa 压力下容积效率 中 ＲKP达 94% 。该类泵流量和压力脉动较小， 工作寿命长， 抗污染能力强， 效率高， 已用于海底管道铺设及维护系 统等海洋开发机械设备中。
21 MPa， 最高转速为 1800 r / min， 容积效率超过 85% ， 机械效率约为 90% 。 3K 系列三柱塞 德国 Hauhinco 公司研制了 EHK［16 ］ 曲柄连杆泵和 ＲKP 系列径向柱塞泵 。 其中 EHK3K 系列三柱塞泵是在原乳化液泵的基础上改进而来 ，
泵样机， 如图 3 所示， 该泵采用油水分离结构， 即配流 阀和缸孔浸没在水中， 其他关键摩擦副浸没在油中， 使 用密封圈将油水隔开， 并使用压力补偿器来平衡油液 ， 润滑腔与环境的压力 工作转速为 1000 r / min， 空载流 48 MPa 时 为 5． 7 L / min， 量为 6． 3 L / min， 总效率为
Progress and Prospect of Water Hydraulic Piston Pump
NIE Songlin，YIN Fanglong
（ College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124 ）
北京工业大学聂松林教授对油水分离阀配流式海 水轴向柱塞泵结构进行了一系列改进 ， 于 2006 年研制 ［22 ］ 出潜艇高压细水雾灭火泵 ， 现已小批量装备海军某 如图 5 所示， 该泵采用一体式阀配流结 新型试验艇， ［23 ］ 构 ， 工作压力为 4 ～ 6 MPa， 流量为 200 L / min， 容积 效率约为 95% 。
博导 ，机电学院学术委员会副主任 ， 主要从事水压传动及其基础技术研究 、 电液控 制工程等研究工作 。2004 年在加拿大 University of Ｒegina 进行博士后研究工作 ，2007 ，2009 年入选北京市特聘教授 ，2010 年入选 年入选 “教育部新世纪优秀人才计划 ” “新世纪百千万人才工程市级人选 ” ，2012 年入选北京市长城学者 。 中国机械工程学 会高级会员 ，流体传动与控制分会委员以及第一届水液压专业委员会和第五届液压 专业委员会委员 。主持国家自然科学基金 、国家 863 计划项目 、国家科技重大专项专 题项目等 10 余项 ，国防科技攻关项目 6 项 ， 其他横向协作项目多项 ， 并获得 2004 年度国防科技进步 二等奖 。发表学术论文 130 余篇 （ 其中 SCI 收录 57 篇，EI 收录 13 篇，ISTP 收录 8 篇） 。申请发明专利 30 余项 ，实用新型 20 余项 。
［8 ］ 装备动力驱动方式的必然选择 ， 在水下作业工具、 深海空间站、 深潜调查船的浮力调节、 海洋能能量转换
系统、 反渗透海水淡化系统、 高压水清洗、 高层建筑灭 ［ 9 － 12 ］ 。 火等方面以及食品、 医药等领域取得了广泛应用 水液压泵是水液压传动系统的核心动力元件 ， 多 、 、 、 、 、 年来美国 英国 德国 丹麦 芬兰 日本等西方国家均 将其列为有重要工程应用价值的高新技术项目 ， 重点 ［13 ］ 进行研究， 研制出了一系列成熟的水液压泵产品 ， 且目前 投 入 市 场 的 产 品 主 要 以 轴 向 柱 塞 式 结 构 为 ［14 ］ 主 。近年来我国华中科技大学、 浙江大学、 北京工 业大学、 中国海洋大学、 西南交通大学、 燕山大学、 大连 海事大学等单位逐步开展了水压传动与控制方面的研 究工作。研制出了多台水液压柱塞泵样机， 在潜艇高 压细水雾灭火系统、 载人潜器的浮力调节以及高压水 清洗等领域取得了初步应用。 本研究主要介绍国内外不同配流形式的水液压柱 塞泵， 以及国内水液压柱塞泵的研究历程和最新进展 ， 最后结合国内外研究现状提出今后水压柱塞泵的研究 方向和发展重点。 1 阀配流水液压柱塞泵 阀式配流是发展较早的配流方式 。由于配流阀的 密封性能好， 易于获得高压， 且具有良好的抗污染性 能， 因此广泛应用于高压、 超高压水压柱塞泵中。但此 类柱塞泵工作过程不可逆， 不能做水压马达使用， 且功 率密度比较小。 1． 1 阀配流水液压柱塞泵国外研究现状 1989 年日本萱场 （ Kayaba ） 工业株式会社研发出 一种阀配流水压轴向柱塞泵， 用于载人潜器的浮力调 节， 主轴与斜盘做成一体， 并采用两个径向陶瓷球轴承 和一个轴向动压润滑陶瓷止推轴承支承主轴和斜盘旋 转， 斜盘、 柱塞、 轴承均采用陶瓷， 滑靴和缸套采用碳纤
图3
华中科技大学阀配流超高压海水泵
2005 年， 华中科技大学杨曙东教授研制出基于海 水润滑的中高压柱塞泵， 所有摩擦副均采用海水润滑， 结构如图 4 所示， 该泵采用轴向柱塞式阀配流结构， 缸 体不动， 中心弹簧回程， 主轴带动斜盘旋转以使柱塞往 复运动来完成吸、 排水工作。 样机在额定工况下运行 50 h 后， 输出流量为 40． 2 L / min， 容积效率为 81. 9% ， 机械效率为 86． 6% ， 总效率约为 70． 9%