集成配流与惯性平衡：一种具有革新性结构的惯性力平衡式二维燃油泵构型创新与高功率密度实现机制研究

在航空动力装置及其他高性能流体输送领域，容积式燃油泵扮演着至关重要的角色。其中，齿轮泵与轴向柱塞泵是两种主流技术路线。齿轮泵以其结构简单、流量大而著称，但其固有的径向液压力不平衡问题导致齿顶与泵壳易产生直接接触磨损，且内部泄漏路径较多，通常其容积效率难以突破75%，限制了其在高压、高效率场景下的应用。轴向柱塞泵则凭借输出压力高、易于实现变排量以及较高的容积效率（通常可达85%以上）而占据高端市场。然而，其复杂的结构与多摩擦副设计也带来了显著的挑战。

一、传统柱塞泵的技术瓶颈与解决方案

传统斜盘式轴向柱塞泵的核心工作依赖于三个关键摩擦副的精密配合与静压支撑：滑靴与斜盘之间的滑靴摩擦副、柱塞与缸体孔之间的柱塞摩擦副、以及缸体与配流盘之间的配流摩擦副。这些摩擦副通过引入高压油液来平衡负载并形成润滑膜，其油膜厚度的控制至关重要——过薄会导致磨损与烧蚀，过厚则会引起严重的泄漏，构成典型的“润滑与泄漏”矛盾。此外，随着转速的提升，柱塞产生的周期性惯性力以及缸体所受的倾覆力矩急剧增大，不仅加剧了摩擦副的工况恶化，还可能引发缸体倾覆或泵轴疲劳断裂，严重制约了柱塞泵向更高转速（高速化）发展的潜力。油液的可压缩性在高负载下也会导致显著的容积损失，研究表明其占比可达总容积损失的25%以上。

为解决上述问题，本文深入探讨并提出了一种具有革新性结构的惯性力平衡式二维燃油泵。该泵的设计理念旨在通过结构集成与运动学创新，从根本上简化系统、减少泄漏路径、平衡惯性力，并提升功率密度。核心创新点在于：取消了独立的配流盘机构，将配流功能集成于作往复-旋转复合运动的柱塞及其配合的柱塞环上；利用两组反向运动的导轨驱动柱塞与柱塞环进行轴向相位相反的往复运动，既实现了惯性力的内部平衡，又使得在相同轴向空间内，有效排油行程倍增； 从而在结构紧凑、重量减轻的同时，有望实现更高的容积效率与运行转速，为航空燃油系统及其他高功重比流体动力系统提供了一种极具潜力的新型解决方案。

二、二维燃油泵的构造与工作原理详解

2.1 总体结构与核心部件

该惯性力平衡式二维燃油泵的结构设计摒弃了传统轴向柱塞泵的斜盘和独立配流盘。其主要构成部件包括：传动轴、驱动导轨组、平衡导轨组、柱塞、柱塞环、缸体、高压柱、低压柱以及锥滚轮-拨叉机构等。

柱塞是核心作动与配流元件。其并非传统意义上的单纯往复运动件，而是被设计为可同时进行旋转和轴向往复运动的二维运动构件。柱塞中部加工有两个突出的台肩，这两个台肩与一个独立的柱塞环共同作用，在缸体的内腔中划分出两个彼此隔离、容积可变的密闭工作腔（左腔和右腔）。柱塞的圆柱面上，周向均布开设了若干配流槽，这些槽是高低压油液进出工作腔的关键通道。

柱塞环通过一套拨叉机构安装在平衡导轨组上。而柱塞本身则与驱动导轨组相连。传动轴直接驱动平衡导轨组旋转。驱动导轨组和平衡导轨组的型面均采用等加等减速曲面设计，但其安装相位或型面设计使得它们产生的轴向运动加速度大小相等、方向相反。

缸体作为固定部件，其上对应左、右工作腔的位置，分别在第一直径和第二直径处周向均布开设了高压油口和低压油口（例如E、G为高压口，F、H为低压口）。高压柱和低压柱分别固定安装于这些油口位置，内部集成了通道，并作为左侧锥滚轮和右侧锥滚轮的安装轴承座。两侧的锥滚轮对拨叉机构形成径向约束。

2.2 工作原理与工作过程

泵的工作原理基于将传动轴的旋转运动，通过两组反向导轨和拨叉机构，转化为柱塞与柱塞环的、旋转与轴向运动相耦合的二维复合运动，并实现连续的配流与吸排油。

运动转换：电机带动传动轴及平衡导轨组旋转。平衡导轨组的旋转通过拨叉机构（受两侧锥滚轮约束，只能轴向滑动和随动旋转）转化为柱塞环的轴向往复运动。同时，驱动导轨组被柱塞带动旋转（或存在特定传动关系），其型面与固定参考点的作用将旋转转化为柱塞自身的轴向往复运动。关键设计在于，驱动导轨组与平衡导轨组被配置为：当一方推动柱塞向某一方向轴向加速运动时，另一方则推动柱塞环向相反方向加速运动。这使得柱塞与柱塞环的轴向运动加速度时刻相反，两者产生的惯性力在系统内部相互抵消，实现了惯性力自平衡，为高速运转奠定了基础。

容积变化与配流过程：柱塞中部的两个台肩与柱塞环将缸体分为左、右两个油腔。当柱塞与柱塞环反向运动时，一个油腔容积增大（吸油腔），另一个油腔容积减小（排油腔）。以从某个特定相位（如0°）开始的一个半周期（0°-90°）为例：

初始状态（0°）：柱塞位于轴向最左端，柱塞环位于最右端。左腔容积最小，右腔容积最大。此时柱塞上的配流槽与缸体上的所有油口错开，油腔封闭。

过渡过程（0° 向 45° 旋转）：传动轴旋转，柱塞在驱动导轨作用下向右加速运动，柱塞环在平衡导轨作用下向左加速运动。左腔容积逐渐增大，形成局部真空，准备吸油；右腔容积逐渐减小，油液受挤压，准备排油。随着旋转，柱塞上的特定配流槽（如B、D）开始与缸体左腔区域的低压油口（F、H）沟通，吸油开始；同时，柱塞上的另一些配流槽（如A、C）开始与缸体右腔区域的高压油口（E、G）沟通，排油开始。沟通面积从零逐渐增大。

中间状态（45°）：沟通面积达到最大，吸排油流量最大。

过渡过程（45° 向 90° 旋转）：柱塞继续向右运动至最右端，柱塞环向左运动至最左端。左腔容积达到最大，右腔容积达到最小。配流槽与油口的沟通面积从最大逐渐减小至零。

状态切换（90°）：再次进入封闭状态，但此时左腔容积最大，右腔容积最小。

功能切换与连续工作：在接下来的90°-180°旋转周期中，柱塞与柱塞环的运动方向反转。左腔容积由大变小，转变为排油腔，其对应的配流槽（B、D）转而与高压油口（E、G）沟通；右腔容积由小变大，转变为吸油腔，其对应的配流槽（A、C）转而与低压油口（F、H）沟通。值得注意的是，尽管左右油腔的吸排油功能每半周期交换一次，但高压柱（连接E、G）始终排出高压油，低压柱（连接F、H）始终吸入低压油，实现了外部油路的定向流动。传动轴旋转一周，柱塞与柱塞环完成两次完整的轴向往复循环，左右两个油腔各完成两次吸油和两次排油，实现了流量叠加，有效提升了泵的排量及功率密度。

三、容积效率损失机理分析

尽管新型二维燃油泵结构简化，减少了摩擦副数量，但依然存在导致实际输出流量低于理论流量的容积效率损失，主要来源于两个方面：间隙泄漏损失和油液压缩容积损失。

3.1 柱塞与柱塞环泄漏损失分析

该泵的主要静密封泄漏发生在两个关键配合间隙处：柱塞外圆与缸体内孔之间的环形间隙，以及柱塞环端面与缸体内台阶面/柱塞台肩端面之间的端面间隙。这些间隙虽然很小（微米级），但在高压差作用下会产生持续的油液泄漏。

柱塞-缸体间隙泄漏：此间隙连接着高压腔与低压腔。泄漏流量遵循层流状态下的同心环形缝隙压力流公式（Hagen-Poiseuille定律的环形变体）。泄漏量主要与间隙的三次方、压差的一次方成正比，与油液动力粘度、密封长度成反比。由于间隙值极小，其三次方项对加工精度和磨损极为敏感。新型泵将配流集成于柱塞，取消了配流盘摩擦副，相当于减少了一条主要的泄漏路径。但柱塞的二维复合运动对柱塞-缸体这对摩擦副的润滑与密封提出了更高要求，需要其间隙在动态运行中保持稳定，既能形成足够润滑的油膜，又不至于因间隙过大而导致泄漏激增。

柱塞环端面间隙泄漏：柱塞环作为隔离左右油腔的动密封件，其端面与相邻固定面或运动面之间存在轴向间隙。高压腔的油液会通过这些端面间隙向低压腔泄漏。泄漏模型可近似采用平行圆盘缝隙径向流动公式。泄漏量与间隙的三次方、压差成正比，与油液粘度成反比。设计时需优化柱塞环的结构刚度、平面度以及预紧或压力补偿机制，以在工作压力下尽可能减小端面缝隙，降低泄漏。

这两种泄漏共同构成了泵的内外泄漏。内泄漏指高压油直接漏回低压腔；外泄漏指油液漏到泵体外部。新型泵通过结构集成，显著减少了潜在的泄漏点总数，是其有望获得高容积效率的结构基础。

3.2 油液可压缩性导致的容积损失分析

油液并非绝对不可压缩，其体积弹性模量虽大，但在高压下，其压缩量不容忽视。在二维燃油泵的工作循环中，封闭油腔内的油液在排油阶段承受压力急剧升高，体积会被压缩；这部分被“储存”起来的体积，在吸油阶段压力降低时又会膨胀回来，并不能全部作为有效流量输出，从而造成压缩性容积损失。

损失机理如下：在柱塞/柱塞环运动使油腔容积减小的排油行程初期，油液压力迅速上升至负载压力。在此过程中，油液被压缩，柱塞运动所扫过的体积（几何排量）并未完全转化为输出流量，有一部分用于补偿油液本身的体积收缩。同样，在吸油行程初期，油液压力从高压卸荷至吸油压力，油液膨胀，吸入的油液有一部分用于填充因膨胀而“增加”的容积，使得实际从油箱吸入的净流量减少。压缩损失量主要取决于工作压力、油液的体积弹性模量以及高压闭死容腔的大小。转速越高，单位时间内完成的工作循环越多，压缩-膨胀过程越频繁，累积的流量损失占比可能越大；负载压力越高，压缩量绝对值也越大。理论研究指出，在高速高压工况下，这部分损失可能占据总容积损失的相当大比例（例如25%-30%）。对于新型二维泵，需要精确分析其高低压切换过程中油腔的封闭与沟通时机，评估其压力冲击和闭死压缩容积，以优化配流槽的时序和形状，减轻压缩损失的不利影响。

 

四、仿真模型构建与核心原理

为深入研究该二维燃油泵的动态特性、预测其性能并指导优化，采用多学科系统仿真软件AMESim建立其高保真仿真模型。建模的核心在于准确复现其独特的机械运动学、容腔变化规律以及流体动力学过程。

模型核心原理与构建：

机械运动学子模型：这是模型的基础。需要创建自定义的机械构件，精确描述驱动导轨和平衡导轨的等加等减速曲面型线方程。通过函数模块或表格数据，将传动轴的旋转角度θ映射为柱塞的轴向位移S_p(θ)和柱塞环的轴向位移S_r(θ)，且确保两者加速度a_p(θ) = -a_r(θ)。该子模型输出柱塞与柱塞环的实时位置和速度，作为计算容腔变化的输入。

可变容腔与配流逻辑子模型：这是模型的关键。根据柱塞和柱塞环的实时位置，动态计算左、右两个工作腔的瞬时容积V_left(θ)和V_right(θ)及其变化率dV/dt。同时，建立精确的配流窗口沟通面积模型。根据柱塞旋转角度和其配流槽的几何形状，以及缸体油口的固定位置，计算每个配流槽与对应高压口、低压口的瞬时重叠面积A_HP(θ)和A_LP(θ)。此逻辑决定了油液何时、以多大的流通能力进出容腔。

流体网络子模型：将可变容腔视为液压容腔元件，其压力变化由流量连续性方程（考虑油液压缩性）决定。通过节流孔元件模拟配流窗口的沟通面积，连接高压源、低压源和可变容腔。在容腔与配流窗口之间、以及柱塞/柱塞环间隙处，设置固定的或压差相关的泄漏节流孔，以模拟内泄漏。

参数设置：模型中需输入准确的几何参数（柱塞直径、行程、间隙值等）、材料属性（油液密度、粘度、体积弹性模量）和运行条件（转速、负载压力）。油液的体积弹性模量参数必须正确设置，以包含前述的压缩效应。

通过该仿真模型，可以在设计阶段预测泵的瞬时流量、压力脉动、容积效率等性能指标。特别是可以清晰观察到在高低压切换瞬间，由于配流槽沟通面积的快速变化和油液可压缩性，可能产生的流量倒灌（短暂反向流动）和压力冲击现象，并分析这些现象随转速和负载压力的变化规律，为优化配流时序、降低脉动提供理论依据。

五、实验验证：容积效率测试与分析

为验证理论分析与仿真模型的正确性，并实证该新型二维燃油泵的高效特性，搭建了专用的闭式试验台进行性能测试。

5.1 试验系统搭建

试验系统主要由以下部分组成：泵站（为系统提供初始油液和压力补偿）、油箱、驱动电机（无级变速）、转速-转矩传感器（安装在电机与试件泵之间，测量输入转速和扭矩）、被试惯性力平衡式二维燃油泵、涡轮流量计（测量输出流量，精度高）、安全溢流阀（用于设定并调节系统负载压力）、压力传感器（监测进、出口压力）以及数据采集系统（包括采集卡、计算机和显示仪表）。通过溢流阀模拟不同的负载条件，通过调速电机实现不同转速的测试。

5.2 实验结果与效率分析

对样机（其主要结构参数如柱塞直径、行程、理论排量等已预先确定）进行了系统的性能测试，重点关注容积效率η_v = (实际流量Q_actual / 理论流量Q_theoretical) × 100%。

不同转速下容积效率分析（固定负载压力1MPa）：
实验将负载压力维持在1MPa，使转速从1000 r/min逐步提升至7000 r/min。结果显示，容积效率从90.6%单调上升至97.8%。这一趋势与仿真预测基本吻合，理论偏差控制在3%左右。效率随转速升高而提升的原因可解释为：在固定压差下，通过固定间隙的泄漏流量（压力流）基本保持不变，而泵的理论输出流量与转速成正比。因此，泄漏流量所占的比例（泄漏损失率）随转速升高而减小，从而容积效率提高。这证明了该泵在高速运行时，其间隙密封的有效性，以及惯性力平衡设计使得高速运行稳定，泄漏未因振动或磨损加剧而恶化。

不同负载压力下容积效率分析（固定转速2000 r/min）：
实验将转速固定在2000 r/min，逐步将负载压力从1MPa提高至6MPa。结果显示，容积效率从94.6%逐渐下降至87.5%，理论偏差在5%以内。效率随压力升高而下降是容积式泵的普遍规律，主要原因在于：1) 间隙泄漏增加：柱塞-缸体、柱塞环端面等处的泄漏压差增大，导致泄漏流量近似线性增加（层流假设下）。2) 油液压缩损失增大：高压下油液压缩量更大，在每次排油行程中，用于压缩油液的“无效”扫掠容积占比增加。实验数据定量地验证了这两项损失机制的主导作用。

综合结论：试验数据充分表明，所提出的惯性力平衡式二维燃油泵在宽转速范围（尤其是高转速）和一定负载压力范围内，均能保持较高的容积效率（普遍高于87%，最高可达97%以上），显著优于传统齿轮泵，并与高性能轴向柱塞泵相当甚至更优。这验证了其通过结构集成减少泄漏路径、以及通过惯性力平衡实现高速稳定运行的设计思想的正确性和有效性。

 

六、总结与展望

6.1 系统性总结

本文深入剖析了一种创新的惯性力平衡式二维燃油泵。该泵针对传统轴向柱塞泵摩擦副多、泄漏矛盾突出、高速惯性力不平衡等技术瓶颈，提出了一套系统性的解决方案：

结构集成创新：取消了独立的配流盘，将配流功能与柱塞、柱塞环的二维复合运动深度融合。这不仅简化了整体结构，降低了制造成本和重量，更重要的是从根本上减少了关键摩擦副的数量，直接切断了传统配流盘处的主要泄漏路径。

运动学与动力学创新：采用相位相反的驱动与平衡导轨组，驱动柱塞与柱塞环做反向往复运动。这一设计实现了惯性力的内部自平衡，极大缓解了高速下的振动和受力问题，为泵的高速化开辟了道路。同时，反向运动使得在有限的轴向空间内，有效排油行程翻倍，显著提升了泵的功率密度。

性能验证：通过详细的泄漏与压缩损失理论分析、基于AMESim的系统仿真建模以及全面的实验测试，形成了一个完整的研究闭环。实验结果证实，该泵在高速工况下容积效率优异，且理论模型具有较高的预测精度（偏差<5%），为后续优化设计提供了可靠工具。

6.2 发展展望

基于本研究，惯性力平衡式二维燃油泵的未来发展可从以下几个方向深入：

材料与表面处理：探索更耐磨、低摩擦系数的摩擦副材料（如陶瓷涂层、特种合金）和先进的表面纹理技术，在保证密封的前提下进一步降低摩擦损失，提高机械效率和寿命。

间隙自适应控制：研究在柱塞或柱塞环上引入智能材料或微结构，使其间隙能随工作压力、温度动态微调，实现泄漏与润滑的最佳平衡。

压力脉动与噪声优化：基于仿真结果，深入优化导轨型线（如采用更高阶曲线）和配流槽的详细形状（如预升压、阻尼槽设计），以平滑高低压切换过程，降低流量和压力脉动，从而减少噪声和流体冲击。

变排量技术集成：研究如何将此种二维结构与变排量控制机制（如通过调节导轨倾角或柱塞有效行程）相结合，拓展其应用范围至需要流量精确调节的领域。

多物理场耦合仿真与实验：开展更精细的流-固-热耦合仿真，考虑高转速下的剪切发热、空化现象，并进行更严苛的耐久性、环境适应性（如高低温）试验，推动其走向工程实用化。

总之，惯性力平衡式二维燃油泵作为一种新型的高功率密度流体动力元件，以其独特的设计理念和已验证的优良性能，展现出在航空航天、高端装备等领域的巨大应用潜力，其深入研究与持续优化将不断推动容积泵技术向前发展。

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