泵控系统

’2001上海PTC展览会
技术报告会论文
泵控系统（闭式泵）的工作原理、
结构特征、参数整定及使用注意事项
上海丹尼逊液压技术有限公司——刘崇荣葛宏陈晓华闭式液压泵是一种技术含量较高，机电一体化的泵类产品，它集换向、调速、高压保护、系统冷却于一身，较之其它液压控制系统，具有经济、节能、发热量小、控制调整精确、高集成化、占地面积小等一系列优点。

在国外，闭式泵控系统已广泛地应用于采矿、冶金、工程机械、船舶、石油机械、铁道维修机械、医药化工等各个行业。

随着我国改革开放步伐的加大，对国外先进的闭式泵控系统的接触也日益增多，业内有关人员迫切希望了解典型的闭式泵控系统的工作原理、结构特征及其参数整定。

丹尼逊公司（DENISON）的金杯系列闭式泵是世界著名的品牌，其控制形式多达几十种，排量从
98cc/rev到510cc/rec，在高压大排量领域内的应用是世界首选产品。

若干年来，笔者所在的上海丹尼逊液压技术有限公司已成功地把金杯泵应用于铁道、石油、采矿、工程船舶（挖泥船）及钢铁（宝钢、武钢）、化工等行业，积累了较多丰富的设计、调试经验。

我们愿意以本文和同行共同探讨，希望能对闭式液压泵控系统的推广运用有所裨益。

1、闭式泵的工作原理
所谓闭式泵系统，最基本的回路即是由一个变量泵拖动一个液压马达。

泵的高压油口直接接入油马达的进油口，而油马达的出油口与泵的吸油口相连，依靠改变变量泵的变量斜盘摆角，可以相应地对液压马达作无极调速，若变量泵系双向变量，则油马达的转向还可以改变，如图1示：
图1：闭式泵原理图（原型）图2：实用的闭式液压传动原理图从理论上来说，液压负载（油马达）需要多大的流量，油泵便供应多大的流量；液压负载需要多大的压力，油马达便提供多大的压力。

因此闭式泵控系统较之其它控制系统，如阀控调速系统，其能量损耗最少，相应地系统发热亦最少，尤其适用于大、中功率的调速系统。

然而图1所示的闭式泵控系统仅是理论原型，在实际使用中是不能正常使用的。

首先，由于闭式系统的工作油液是在一个封闭的泵-马达回路中周而复始地运行，而无论是泵或液压马达都有内泄漏，随着时间的推移，在闭式系统中的油液越来越少，这势必引起油泵（油马达）的吸空，因此，为了保证闭式系统的正常工作，一个适当的双向补油系统是必须的。

补油系统能保证油泵的吸入侧有足够的正压，其作用和开式系统中常见的增压泵类似。

其次，尽管闭式系统有较低的发热量，但是为了能长时间可靠地运行，一个冷却更油系统是必不可少的。

它的作用是把从油箱吸来的冷油通过辅泵打进闭式回路中的低压侧，使低压侧的部分热油通过更油阀排回油箱，以便进行冷却。

有了这样的冷却更油系统，闭式回路的油温可以维持在合适的范围内闭式泵控系统才可以长时间地运行。

最后，对于任何一个液压系统来说，高压油路的压力保护是必不可少的安全措施，闭式泵控系统也一样。

对于双向变量的闭式系统应至少包括以下功能：
a、斜盘变量系统：控制斜盘的摆角以对油马达进行速度的调节；
b、补油系统：以维持闭式系统的泵吸入侧有足够的正压，不致因吸空而导致泵的配流盘由于气蚀而过早磨损；
c、冷却系统：保证闭式系统的油温不会超过产品允许的范围；
d、防止闭式系统由于意外的工况而导致超高压的形成，致使系统元件损坏。

一个实际可用的泵控系统原理图
如图2所示：
DENISON公司的金杯系列闭式泵是世界著名品牌，自上世纪60年代投产以来，已有40余年生产使用经验。

金杯泵有一些独特的先进设计思想，也正是由于这些结构特征，使金杯泵得以在动态响应、最高转速、最高工作压力、系统超载保护等方面属于世界领先水平。

了解金杯泵的这些结构特征将有助于提高我们的应用水平。

2.1、独特的油缸体支撑结构
如图3所示，金杯泵的油缸体支撑系统与众不同，它由一个缸体外的大滚柱轴承以及传动轴上的一个滚柱轴承支撑，油缸体斜盘上所承受的力通过缸体大轴承直接传输至泵壳体。

这种设计的好处十分明显：
图3：金杯系列闭式泵剖面图
2.1.1、传动轴只承受扭矩，而不受承弯矩，由此可导致整个泵的径向尺寸的缩小，相应地泵的最高转速得以提高。

2.1.2、缸体外轴承支撑极大地提高了缸体刚性，由此相应提高了泵的最高工作压力。

2.2、独特的摆盘凸轮-摇架变量系统：
如图示，金杯泵的摆盘变量系统的结构设计十分科学独特，它的摆盘呈凸轮状，而摇架则做成凹凸轮状，并和泵壳刚性连接，在摆盘的二侧连接驱动摆盘的变量叶片。

控制叶片二侧的压力便可使摆盘沿摇架上下移动而改变泵的排量。

由于摆盘倚靠在摇架上，其接触面较大，相应地二者间接触压强也较小，且摇架的刚性大，所以摆盘沿摇架的上下运动迅速而匀滑。

这种设计结构的特点使金杯泵的动态响应成为同类产品中的佼佼者。

2.3、独特的双向高压超载保护系统：
金杯泵的控制形式多达数十种，且为模块式设计，只须更换不同的控制模板，即可获得不同的控制形式。

但是作为基本的配置之一，双向高压超载保护系统在所有的泵中均已设置。

图4：金杯泵的液压原理图
如图4所示，金杯泵的所有阀控装置均为插装阀式，且集成在一个阀块内，给维修检查带来了很大便利。

金杯泵的双向高压过载保护机理与一般开式泵中的恒压变量原理相同，即当泵的输出压力达到泵的过载保护的设定值时，泵的摆盘会变小，使泵的输出流量变小，从而起到高压过载保护的目的。

和普通的高压溢流阀过载保护装置相比，金杯泵的恒压变量装置的发热量要小得多，且响应速度也要好得多。

2.4独特的伺服变量压力控制系统：
如前所述，金杯泵的内置辅助泵有三个作用：
a、作为控制斜盘变量的伺服油源，为斜盘变量提供伺服压力油；
b、为闭式回路的低压管道补油，防止油泵吸空；
c、为闭式回路提供足够的冷却油量，维持闭式回路的工作油温在合适的范围以内。

因此，一个油泵要为三个用户提供油源，如若系统设置不当，各用户间容易产生干扰，必须要合适的阀控系统予以精确的控制。

金杯泵设置了三个专门的压力阀，对伺服变量压力、补油压力及系统更油背压进行控制，规定了辅助泵供油的顺序依次为伺服变量——补油——冷却更油。

同时也设定了这三种不同的供油压力。

伺服变量压力最高，补油压力次之，冷却更油背压最小。

其中伺服变量溢流阀的设计与众不同，如图4所示，阀1是个插装式的溢流阀，用于控制伺服变量油源的压力值，但它又不是个普通的溢流阀，而是一种压力调制的溢流阀，即该溢流设定的压力值不是个常量，而会随着主泵工作压力的增加而增加。

伺服变量压力值=2x补油压力值+2.8/70x主泵工作压力
从公式可知，金杯泵的伺服变量压力，是随着主泵工作压力变化，主泵工作压力每增加70bar，伺服变量压力增加约2.8bar。

这种特殊的设计，使金杯泵在任何工作压力下其变量响应速度都保持快速一致，高压下斜盘变量的响应速度快捷的好处是显而易见的，能很好地保持闭式泵控系统的超载，降低超调压力的峰值。

资料统计显示，金杯泵的超调压力值仅是主泵变量设定值的1.3倍，而国际其它同类产品，其超调压力值往往是主泵最高工作压力设定值的2倍甚至更多。

2.5、独特的泵壳轴封系统：
由于闭式系统的漏泄回路往往要设置过滤器，所以泵壳的背压较高，为了适应这种特殊的要求，金杯泵的轴封是特殊的机械密封，而不是普通的带弹簧的橡胶轴封。

机械密封的好处是承受的压力高，能对机械磨损自动补偿，使用寿命长，尤其适用于泵壳背压较高的闭式泵系统中。

3、开式和闭式系统的主要区别：
开式系统和闭式系统，开式泵和闭式泵各有其优缺点，各自适应于不同的应用场合。

了解开式和闭式系统的主要区别将有助于正确地选用，起到事半功倍的效果。

3.1、闭式泵的补油压力及其监控保护：
在开式系统（开式泵）中，液压用户的回油经过回油管道回至油箱，经过油箱的杂物沉淀、冷却作用，油泵再从油箱中吸油，一般而言，油泵的吸油条件比较好，且开式泵的吸油口又比油泵的压力油口尺寸大，不会产生因吸油不足而导致油泵吸空的现象。

而在闭式系统（闭式泵）中，液压用户油马达的回油经过管道，直接与闭式泵的吸油口相连，由于闭式泵的双向换向功能，其压力油口的尺寸和吸油口的尺寸相同，再加上油泵，油马达的漏泄，和开式泵相比，闭式泵的吸油条件要恶劣的多，容易产生油泵吸油不足的现象。

为了保证闭式系统的正常工作，所以在闭式系统中特别增加了辅泵，以对主泵的吸油管路进行补油。

开式泵是自由地自油箱吸油，而闭式泵则是强制供油。

（通常闭式泵的补油压力在1.5Mpa左右），这便是二者的根本区别之一。

对闭式系统而言，补油压力的正常与否是闭式系统能否正常工作的关键所在，不夸张地说，花再多的功夫，在补油系统的正常运行及监控保护上都是值得的。

一个好的闭式系统设计应该考虑对闭式泵的补油压力进行监控，当补油压力跌至某设定压力值之下后，主泵就应连锁停止工作。

这样可避免主泵因吸油不足而使配流盘烧毁的现象产生。

3.2、抗污染能力的比较：
应该说，相对闭式来说，开式系统（开式泵）的系统清除污染条件要优越得多。

开式系统可以在回路中根据不同的工况而设置高压滤油器，回路滤油器，或离线独立的过滤系统。

此外，油箱也可以起到一定的污物过滤沉淀作用。

一般而言，开式系统在运行过程中，无论是泵，油马达（油缸）或管道中的污染物，都大部分被过滤装置所清除。

而对闭式系统（闭式泵）而言，由于油马达换向时，闭式系统的高低压管路也随之而更改其功能，原来的高压管路变为低压管道，而低压管路则成为高压管路，其流向也随之相反。

所以很难在管路中设置任何过滤装置。

通常仅仅是在闭式系统中的辅泵回路或泵/油马达的漏泄管路中设置过滤器，进行局部过滤。

其次，对开式泵而言，污染物将引起该泵的过度磨损，并导致油泵的容积效率之降低，但由于吸油条件优良，尚不致引发泵的吸空。

而对闭式泵而言，由于污染会使油泵的容积效率降低，而由于辅泵供油量有限，当主泵容积效率降低到一定的程度时，会导致闭式泵油泵的吸空，进而产生气蚀，加速配流盘的磨损，从而陷入磨损——吸空——气蚀——磨损加剧的恶性循环。

综上所述，在同等污染条件下，相对开式泵来说，闭式泵系列的损坏更为严重。

因此在采用闭式系统时，要仔细挑选品质优良的油泵和油马达，防止由于采用了劣质产品，而该产品在运行过程中会源源不断地产生金属废屑，这种废屑对闭式系统产生的伤害将是致命的。

DENISON（丹尼逊）公司的金杯系列闭式泵和HAGGLUNDS（赫格隆）公司的低速大扭矩马达都是业内首屈一指的优良产品。

它们的配合可谓“黄金搭档”。

由它们组成的闭式系统，使用若干年后仍能保持极高的容积效率，已在众多行业中（船舶、铁路、钢铁、化工）得到了充分的验证。

3.3、节能效果的比较：
众所周知，就节能效果以及相应的系统发热量而言，闭式系统远较开式阀控系统为优。

闭式泵系统是所谓的泵控系统，泵的流量控制是靠泵的斜盘之摆角位置来决定的。

液压用户需要多大的流量，泵就提供多大的流量；而泵的压力仅取决于液压用户的负载。

只要闭式系统的管道尺寸足够合适，泵的压力就几乎等于液压用户的负载压力，没有任何压降消耗在控制阀上，换句话说，若不考虑泵的容积效率和机械效率，泵的输出功率几乎等于液压用户所消耗的功率，无用功非常少。

而在一般开式系统中，经常采用的为阀控系统，系统中有相当部分的功率消耗在各种阀的降压上，并转换成热能，使油温上升。

对大、中功率的液压控制系统而言，由于其控制的流量大，所以相应的控制阀的通径也增大，控制阀芯的质量愈大，其响应速度就愈慢，控制的精度也越低。

因此对大、中功率的液压控制系统而言，闭式控制系统应优先考虑。

最后，由于闭式系统的效率高，发热量小，所以其油箱、冷却器及过滤器等的尺寸都大为减少，占地面积小且因为油液冷却量小，可以采用风冷器，这些特点使闭式系统在工程行走机械中得到了广泛应用。

4、金杯泵（闭式泵）选用注意事项和运行参数整定：
作为一种高品质的，成熟开发的闭式泵，DENISON的金杯系列闭式泵，享有世界声誉。

一般来说，金杯泵所包含的内置辅泵的流量可以满足主泵的伺服变量、补油及冷却油量的需要，但是对下述特殊场合，则应考虑额外的补油措施：
a、主泵转速过低；
b、系统中含有容量可压缩容积；
c、系统中有多个并联油缸用户，且油缸二腔之面积不相等；
d、液压用户（油缸、油马达）的容积效率过于低下，漏泄严重；
e、系统之压降过大；
上述五种情况要么由于辅泵转速过低导致辅泵流量太少，不能满足补油的需要；要么是由于系统中须要补充或漏泄的流量太大，所以需要额外的补油流量供给。

一般说系统的压降过大，系统发热较为迅速，除非有额外的冷却油量以降低系统发热量，否则系统很难维持长时间的正常运转。

根据我们的使用经验，对正常的闭式系统而言，辅泵的排量若是主泵的排量15%-20%，系统应当能维持较好的工况。

过分加大辅泵的流量，固然能保持闭式系统有足够的补油压力，但同时势必会增加系统的发势量，因为辅泵多余的流量将通过更油阀及背压阀而返回油箱，这部分的功率将变成热能而白白耗损。

对金杯泵而言，闭式系统的参数整定对系统的正常工作也十分重要。

4.1、恒压变量值的整定：
如上所述，金杯泵是依靠恒压变量阀来控制主泵最高工作压力，在未达到恒压变量值时，主泵全排量工作，当泵工作压力达到恒压变量时，泵将置外加输入指令不顾而自动使泵的排量减少，从而起到防止主泵超载的目的。

因此主泵的恒压变量值应当根据实际工况重新整定，因为一般来说金杯泵出厂时，其恒压变量值总是按最高值34.5MPa来整定的。

4.2伺服变量压力——补油压力——更油背压
对金杯泵而言，其内置辅泵一身兼三任，同时供伺服变量、补油、冷却之用。

值得注意的是，其工作顺序即按上所述，先供伺服变量再则补油，最后才是更油冷却。

因此其相应的压力阀参数整定也应当按此顺序依次减少。

典型的金杯泵压力参数数值为：
伺服变量压力：20.6Mpa+壳体压力+2.8/70x系统压力
补油压力：1.5Mpa+壳体压力
更油冷却背压：1.5Mpa
壳体压力：0.52Mpa
需要指出的是，更油冷却背压值不能调得过低，因为当主泵有负载的时候，补油压力值略大于几乎等于更油冷却背压值，更油冷却背压值调得过低的话，补活压力会相应地降低，会严重影响主泵的正常工作。