对柱塞泵的重新认识和课堂教学
油压控制技术现阶段遭遇的考验和行业产业发展趋势
现阶段油压控制技术遭遇着严峻考验，主要表现在以下几个方面：1.系统的传动效率：众所周知油压传动效率较低，在当前节能环保的压力下，油压传动因为效率的原因退出了不少市场；2.油压传动的可靠性：因为油液污染或摩擦副磨损等因素，油压传动的故障概率较机械传动和电气传动要高，因此也限制了油压传动更广泛的应用；3.油压传动的信息化：由于油压传动的非线性特性及内部多物理场耦合的特征，很难对油压系统进行全面的信息化提取，限制了油压传动控制技术的信息化深入产业发展。
现阶段柱塞泵行业产业发展存在一些问题：1.同质恶性竞争，导致企业盈利能力减弱、研发投入不足、创新力不足；2.基础研究与实际应用之间的差距较大，导致企业更多地转向国外产品的仿造开发；3.工况试验无路径性，企业开发的产品与主机的需求存在较大的差距；4.正向设计开发能力不足，行业整体处于仿造消化阶段，导致产品的性能水平跟国外产品仍存在较大差距。
为了适应今后油压控制技术的行业产业发展趋势，柱塞泵行业产业发展趋势主要是：1.更高的工作压力和转速；2.更快的变量反应时间；3.变量控制的电子化；4.泵的智能化和信息化。
油压传动要获得竞争优势，柱塞泵控制技术需在如下方面进一步提高：1.开发容积泵控控制技术以提升工作效率；2.进一步提高工作压力以提升功率密度；3.油压传动的智能化、信息化和网络化。
近几年油压行业整体产业发展较为迅猛，存在一定程度的供需紧张现象，但在中美贸易战的大背景下，如何做大做强，进一步缩小与国外先进水平的差距，增强行业配套能力，避免在高端领域的锁喉之痛再次在油压行业出现，值得每一个油压从业人员的深思。
柱塞泵领域的一些工作
长期以来，我校在老前辈王明智老师的引领下，我们坚持了高性能油压元件的研究开发工作，在一些领域进行了有益探索。
系列径向柱塞泵的开发及相关产品
1.关键摩擦副设计理论和方法：转子-配流轴提出并课堂教学了过平衡压力补偿设计理论和方法、在连杆-定子摩擦副采用准静压平衡设计方法、柱塞-连杆摩擦副采用接触弹流润滑理论设计方法，解决了高速滑动摩擦副的摩擦磨损和可靠性问题，工业试验11000小时后关键摩擦副磨损量仅3微米；
2.直接检测式负载敏感控制控制技术：利用压力直接检测方案实现径向柱塞泵的负载敏感控制，使得变量泵的输出能够自动实现负载的流量适应和压力适应控制过程，并获得更好的控制精度和动态特性，最大限度的节约能耗；
3.摩擦副材料优化匹配设计：在动力学分析基础上，结合摩擦副设计理论方法，从零件工作过程中的刚度、泵的效率、摩擦副散热、抗咬合能力等方面入手，综合优化匹配摩擦副材料，以确保泵的工作可靠性和寿命。
◆双向高低速专用径向柱塞泵开发
该泵要求双向运转，转速范围90～1000r/min，额定压力20MPa，环境温度-50℃～70℃，排量2.8mL/r，采用10航空油压油。其控制技术难点在于较宽的工作温度范围、低速工作可靠性和较高的总效率要求。我们在JBP径向柱塞泵控制技术基础上，结合国外产品结构特点，开发了图2所示的专用径向柱塞泵产品。该产品采用双排10柱塞结构、柱塞定子点接触方案、转子整体梯度渗流工艺（LGM）、锥面轴承套及摩擦副创新平衡设计等方法，成功研制开发了本产品。在满足性能指标的基础上，产品效率指标较国外产品提升5%，达到了预期目标。
◆双向旋转斜盘轴向柱塞泵
针对径向泵存在的体积较大，功率重量比较小的缺点，以伺服节能应用为目标，独立开展了双向旋转斜盘轴向柱塞泵的研究开发工作。传统的旋转缸体柱塞泵，结构原理上存在一些不足：1.转子倾覆力矩的影响：使得转子处于动不平衡状态，存在公差累积的效应，使得加工工艺相对较为苛刻；2.柱塞离心力的影响：在转速较高时，柱塞受到较大的离心力，且该力与转速的平方成正比，使得柱塞运动的灵活性受到限制，工作可靠性也受到影响；3.配流吸油阻力较大：由于转子的高速旋转，柱塞吸油阻力较大，转速越高，对吸油造成的影响也越大，成为开式柱塞泵高速化的一大障碍；4.旋转的转子组件惯量较大，使得在变速控制过程中存在较大的阻力矩。
旋转斜盘柱塞泵结构，转子可与壳体集成为一体，具有很高的刚度，不存在倾覆力矩的影响，同时柱塞也避免了离心力的影响，整体的受力更为合理。另外由于转子不再旋转，可避免转子高速旋转对吸油造成的影响，因此旋转斜盘结构的柱塞泵成为柱塞泵高速化较为可行的方案。
基于上述分析和柱塞泵控制技术的积累，我们开发了轴配流双向旋转斜盘轴向柱塞，如图3所示。该泵具有如下特征：1.配流轴与旋转斜盘同轴驱动，整体转动惯量更小；2.配流轴高速旋转，对油液形成离心效应，使得泵在高速旋转过程中吸油特性更好；3.转子与壳体集成，转子刚度增强，结构更为紧凑；4.柱塞受力得到改善，提高了高速工作的可靠性；5.双向结构设计，可适应电机正反转实现双向供油。我们开发制造了原理样机，初步试验表明，其制造工艺简单，零件数量较少，吸油特性大为改善，现阶段正进行深度开发研究工作。
图3 双向旋转斜盘轴向柱塞泵
◆新型柱塞式静油压传动控制技术研究开发
现阶段采用的油压传动控制技术一般由动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件四部分组成，通过流体的流动将压力能在系统内部进行传递完成工作，其工作可靠性、效率和成本相对较高。如何进一步提高油压传动的效率，提升功率密度进而提升性能成为现阶段油压传动控制技术的热点与难点。基于上述背景，结合某工程应用背景需求，基于旋转斜盘柱塞泵结构原理，我们经过深度思考与探索，国内首次提出了新型静油压传动原理，并进行了初步的探索。
1）新型静油压耦合传动原理与探索
机械传动中存在超载保护、空载启动与负载冲击保护的需求，液力传动是现阶段采用的常用方案，传统油压传动也可方便实现上述功能，但存在系统组成复杂和成本高的缺陷。
基于上述背景需求和我们对油压泵的输入理解分析，我们提出了静油压耦合驱动原理，如图4所示。现阶段的油压泵中，驱动轴驱动旋转组件输出高压油液，同时在旋转组件与壳体之间存在相互作用力矩，作用在壳体上的该力矩由泵的安装支架或套筒予以平衡。基于上述理解，我们在壳体设置输出轴并悬置，不再固定，同时在泵的出口到进口之间设置溢流阀、管路防爆阀和蓄能器，实现了静油压耦合传动的特性。在动力传递过程中，泵体油液输出口由于负载会形成一定的压力进而产生扭矩作用于壳体，进而驱动负载工作，当负载较大，产生压力大于溢流阀设定压力时，溢流阀打开并溢流，此时泵转子继续旋转而壳体则想当于被固定而停止旋转，实现了超载保护的功能；利用管路防爆阀可实现空载启动，利用蓄能器可实现对负载冲击的吸收。
图4 静油压耦合传动原理
基于上述原理分析，我们进行了叶片式静油压耦合器原理验证。图5为所开发的原理样机、试验平台和实验曲线。经过实验，证明了该传动原理的正确性和可行性。从特性分析看，该传动方式有如下特点：1.更为静的静油压传动：正常工作过程中油液只存在泄漏引起的流动，传统泵中的摩擦副相对运动速度大为减小，因而传动效率较油压传动和液力传动都要更高；2.传动转速范围更宽：可实现高低速大范围内的高效率传动；3.功率重量比和效率较传统静油压传动更高：只存在高压力下的泄漏损失和极小的机械损失，结构更为紧凑；4.启动力矩任意可调：将溢流阀更换为电比例溢流阀，可实现任意函数方式加载。
图5 静油压耦合传动原理验证
2）新型静油压变矩传动原理与探索
在静油压耦合传动原理的基础上，以变转速传动的需求为背景，经过进一步的思考，我们提出了静油压变矩传动原理，如图6所示。其结构上主要由输入轴1和泵5组成的柱塞泵耦合组件与变量斜盘3和马达柱塞6组成的变量马达组件及转子7高度集成而成；功能上是柱塞式静油压耦合器与变量马达的有机集成，即输出力矩为耦合器输出力矩叠加变量马达输出力矩，转速比为输入输出力矩之比。新型静油压变矩原理除具有耦合传动的优点外，还具有另外特点：1.泵/马达转子高度集成；2.压力感知自动变量调节；3.控制方式灵活方便。
图6 新型静油压变矩原理结构图
新型静油压传动原理结构已经于2014年初申请中国国家发明专利，于2017年初获得批准。美国明尼苏达大学于2014年发表了类似静油压变矩传动研究论文，其采用叶片式耦合与变量径向柱塞马达组合实现，并开展了试验研究，证明了该原理的高效性。
◆电子控制变量柱塞泵研究开发
