新型数字排量泵流量控制技术研究

【摘" 要】作为液压系统的核心元件，液压泵的能量利用效率对液压系统的效率起着至关重要的影响。与传统轴向柱塞泵相比，数字排量泵是一种具有显著效率优势的液压泵。数字排量泵以径向柱塞泵为蓝本，在每个柱塞顶端均配备有一个高速开关电磁阀。通过对各个电磁阀的开关情况进行控制，可以实现各个柱塞腔的单独工作。文章在介绍数字排量泵的结构和工作原理的基础上，着重阐述控制数字排量泵输出流量的方法。

【关键词】数字排量泵；高速开关电磁阀；流量控制

中图分类号：U463.22"""" 文献标识码：A""" 文章编号：1003-8639（2025）01-0087-02

Research on Flow Control Technology of New Digital Displacement Pump

WANG Panpan，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，LI Ruizhen

（Institute of Electronic Control and Software，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】As the core component of hydraulic system，the energy utilization efficiency of hydraulic pump plays a crucial role in the efficiency of hydraulic system. The digital displacement pump is a hydraulic pump with significant efficiency advantages over the traditional axial piston pump. The digital displacement pump is modeled on the radial piston pump and is equipped with a high-speed switching solenoid valve at the top of each piston. By controlling the switching of each solenoid valve，each plunger cavity can work independently. On the basis of introducing the structure and working principle of the digital displacement pump，the paper focuses on the method of controlling the output flow of the digital displacement pump.

【Key words】digital displacement pump；high-speed switching solenoid valve；flow control

0" 引言

在非道路工程机械领域，液压系统凭借高功率密度、高可靠性以及线性执行器和旋转执行器价格较低等优点占据着不可替代的地位。然而，液压系统效率偏低，通常仅有约30%的能量能够得到有效利用。为提高液压系统的效率，液压领域从业者提出了众多方案，例如在液压系统中增设能量回收装置，或者去除液压系统中的某些阀以减少节流损失。其中一种方式是采用新型液压泵替代传统液压泵，这种新型液压泵即数字排量泵。数字排量泵因其独特结构能够实现能量的高效利用，进而提升整个液压系统的效率。本文后续部分将对数字排量泵的结构和工作原理进行介绍，随后阐述数字排量泵输出流量的控制方法。

1" 数字排量泵结构及工作原理

数字排量泵主要由以下部件组成：多个柱塞腔，呈径向分布于偏心轮外侧；进油侧开关电磁阀，一端连接低压侧，另一端连接柱塞腔；排油侧单向阀，一端连接高压侧，另一端连接柱塞腔，控制液压油仅能由柱塞腔流向高压侧；柱塞位置传感器，可实时获取柱塞在柱塞腔中的位置；电子控制单元，接收柱塞位置传感器的信号并产生控制进油侧开关电磁阀的电信号。数字排量泵结构如图1所示。当开关电磁阀未得电时，液压油在输入轴带动下由低压侧流入柱塞腔，随后又从柱塞腔流出到低压侧，数字排量泵不对外做功。当开关电磁阀得电时，液压油仅可由低压侧向柱塞腔单向流动，从而被压入高压油侧，数字排量泵对外做功。由于各个柱塞顶端均设有一个高速开关电磁阀，因此各个柱塞能够单独工作。通过控制各个高速开关电磁阀的开关状态，可以控制数字排量泵的输出流量。

2" 数字排量泵流量控制方法

数字排量泵的流量控制方法称为行程比控制方法，即数字排量泵的输出流量Q（L/min）可表示为：

[Q=i=1znλiV]

式中：[z]——数字排量泵柱塞的数量，对于图1所示的泵，[z]为6；[V]——每个柱塞腔的最大排油体积，L/r；[n]——输入轴转速，r/min；[λi]——在一转中每个柱塞处于高压区的行程比。

当[λi=1]时，表示在一转中，此柱塞腔在高速开关电磁阀的控制下一直与负载相通而输出压力油；当[λi=0]时，表示在一转中，此柱塞腔在高速开关电磁阀的控制下始终与油箱相通不输出压力油；[λi=0.3]时，表示在一转中，此柱塞腔在高速开关电磁阀的控制下有30%的行程与负载相通而输出压力油，其余70%的行程与油箱相通不输出压力油。

现举例说明数字排量泵的流量控制方法。假设数字排量泵的输入轴转速为1800r/min，含有6个柱塞，每个柱塞的容量为10cc。若需求流量为108L/min，则要求泵每转的排油体积为0.06L（60cc），因此需要在每一转中所有柱塞始终与负载相通输出压力油，即在每一转中，[λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=1]；若需求流量为63L/min，则要求泵每转的排油体积为0.35L（35cc），则存在多种方式可实现，详细阐述如下。

1）方式1。在每一转中任选3个柱塞始终与负载相通。在其余3个柱塞中任选一个柱塞有50%的行程与负载相通，其余50%的行程与油箱相通。另外2个柱塞始终与油箱相连不输出压力油。

2）方式2。在每一转中所有柱塞58%的行程与负载相通，其余42%的行程与油箱相通。

3）方式3。在每一转中任选2个柱塞始终与负载相通。在其余4个柱塞中任选3个柱塞有50%的行程与负载相通，其余50%的行程与油箱相通。另外1个柱塞始终与油箱相连不输出压力油。

在这3种实现方式中，方式1将参与输出压力油的柱塞腔数目降到了最少，可以有效降低数字排量泵的泄漏损失，提升泵效率。

其中，方式1和方式3的核心思想是减少参与输出压力油的柱塞腔数量，但是两者均需要控制柱塞腔部分行程输出压力油，这无疑增加了控制的难度。因此，有必要寻找一种既能减少参与输出压力油柱塞腔数量，又能降低控制难度的流量控制方法。假设1代表开关电磁阀通电，0代表开关电磁阀断电。如下所述的编码控制方法可以满足启用柱塞数目少和控制难度较小的要求。

2.1" 依据需求流量计算需求排量比[η]

需求排量比为需求泵排量和最大泵排量的比值。其中，最大泵排量为数字排量泵所有柱塞全部投入使用（所有进油侧开关电磁阀全部通电）时，输入轴旋转一圈泵所排出的液压油的体积。而需求泵排量是需求流量和发动机转速的比值。因此，已知泵的需求流量即可获得泵的需求排量比。

2.2" 数字码流计算

在确定数字码流之前应该确定编码长度[n]，一般[n]为数字排量泵柱塞总数的倍数。若编码长度为[n0]，则数字排量泵输出排量比的精度为[1n0]，若[1n0]满足精度要求，则确定编码长度[n]为[n0]。

1）记数字码流第[j]次编码的步长为[λj]，则：

[λ1=1η]

计算得到第1次编码的步长以后，将码流第1位编为1，其后每隔[（λ1−1）]位编下一个1。

2）计算参数[φj]：

[φj=η×n0−i=1nbiac]

式中：[i=1nbiac]——前[（j−1）]次编码中，编码为1的总个数。

3）计算参数[λj+1]：

[λj+1=n0φj]

得到[λj+1]以后，将第[（λj+1−1）]位编码为1，其后每隔[（λj+1−1）]位编下一个1。若本次编码结果和上次编码结果完全相同，则将[λj+1] 位编码为1，其后每隔[（λj+1−1）]位编下一个1。

4）重复步骤2）和步骤3），当计算出的[λj+1gt;n0]时，结束编码，未编码为1的位自动编码为0。

数字排量泵编码控制策略流程如图2所示。对于一个最大排量为60cc的数字排量泵，若需求排量为35cc，即需求排量比为58.3%，选择码元长度为12。按照编码步骤，第1次编码步长为λ1=[10.583]≈1.72≈2，则第1次编码结果为101010101010。参数[φ1=0.583×12−6≈1]。第2次编码步长为[λ2=121=12]，第2次编码结果为101010101011。参数[φ2=0.583×12−7≈0]，第3次编码步长为无穷大。至此，结束编码，最终编码结果为101010101011。

3" 结论

数字排量泵以径向柱塞泵为蓝本，每个柱塞顶端均配有高速开关电磁阀。开关阀得电时，液压油被排入高压侧，泵对外做功。开关阀不得电时，液压油被排入低压侧，泵不对外做功。高速开关电磁阀的存在使得数字排量泵的各个柱塞可以单独工作，控制每个高速开关电磁阀的开关状况即可控制数字排量泵的输出流量。数字排量泵输出流量的控制方法称为行程比控制方法，即根据需求流量控制每一转中处于高压区的柱塞的数量和行程，从而通过多种方式使其满足流量输出要求。若1代表高速开关电磁阀通电，0代表高速开关电磁阀断电，通过合理的编码方式对数字排量泵的高速开关电磁阀进行控制即可使数字排量泵满足流量输出要求。

参考文献

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（编辑" 凌" 波）