摘要：随着航空航天装备向小型化、轻量化方向深入发展，微型高压柱塞泵作为液压驱动系统的核心动力元件，其高功率密度化需求日益迫切。阀配流方式因能够有效减少泄漏、提高容积效率，成为微型高压柱塞泵的重要技术路径。本文针对某型排量为0.138 mL/r、最高压力40 MPa、最高转速5000 r/min的航空微型高压斜盘式定量柱塞泵，建立其阀配流系统的数学模型，并基于AMESim平台搭建三柱塞微型高压阀配流柱塞泵的液压系统动态仿真模型。通过将球阀、锥阀、平板阀三种不同形式的单向阀芯进行九种组合结构的建模与仿真试验，系统分析了配流阀结构组合形式、阀芯质量、斜盘倾角、负载压力及余隙容积等因素对微泵流量输出特性与容积效率的影响规律。研究结果表明：在现有结构参数下，吸液阀与排液阀均为平板阀时整泵的容积效率最高，为最优配流阀组合形式；微泵在变转速工况下容积效率保持稳定，主轴转速对容积效率影响较小；阀芯质量对配流阀迟滞性的影响相对有限，但过大质量会降低阀芯运动稳定性；增大斜盘倾角以及减小负载压力和余隙容积能够有效改善配流阀的开启滞后角，进而提升容积效率。本文研究成果可为微型高压柱塞泵配流阀的结构设计与参数优化提供理论依据与技术参考。
关键词：微型高压柱塞泵；阀配流；配流阀结构；容积效率；动态特性；AMESim仿真
1、柱塞泵市场需求及配流形式分析
随着航空航天技术的迅猛发展，飞行器液压系统对关键动力元件的性能要求不断提升。在有限的装机空间和重量约束下，液压泵不仅需要具备更小的体积和尺寸、更轻的质量，还须在高压工况下保持较高的容积效率。高功率密度已成为航空液压泵核心性能指标之一，这要求液压泵在转速与工作压力方面持续提升，同时实现质量与体积的最小化。
在现有容积式液压泵中，齿轮泵与柱塞泵是航空航天领域主要使用的两类产品。齿轮泵虽结构简单、自吸能力强，但泄漏较大且存在径向不平衡力等固有缺陷；柱塞泵则因额定压力高、结构紧凑、效率更优而在航空航天装备中占据重要地位。特别是在超小排量、超高压工况下，阀配流式轴向柱塞泵因其良好的密封性能而获得广泛应用。与传统的盘配流方式相比，阀配流结构减少了缸体与配流盘之间的摩擦副，从而减少了磨损和泄漏环节；同时配流阀具有良好的密封性与抗污染能力，更加适应航空航天严苛的工作环境。
国内外学者针对柱塞泵的配流形式已从不同角度开展了大量研究工作。张国荣、管文升在ZB泵的基础上改进设计了一种ZBG超高压泵，并与不同规格的齿轮泵组合成ZBG高低压组合泵，实现了低压大流量与高压小流量的工况匹配。钱宇等人设计了一种超小排量高压轴向柱塞泵，采用球面配流和波形弹簧结构，前者具备自动调心功能，有效减少泄漏、提高容积效率；后者的应用则进一步减小了泵的体积，提高了功率密度比。周天时研制了一种超高压低流量并联精密柱塞泵，其加载系统满足了岩石试验机的加载需求。韦春辉等针对超高压海水泵配流阀运动滞后所引起的容积效率降低问题进行了动态特性分析。刘璐等人提出了一种并联单向阀的配流机构，结合曲面拟合思想与粒子群算法，仿真验证了并联单向阀的配流效果。梁海健采用了进口斜盘配流、出口阀配流的微泵结构配流方式，完成了微小柱塞泵原理样机的实验验证。陈雪聪对高压共轨柴油机径向泵进行了全工作过程模拟，得到了阀芯运动规律、受力及腔内流场的瞬时状态，并分析了不同阀组结构参数对其工作特性的影响。
然而，综观现有研究，大多数学者仅针对某一特定配流结构的动态特性进行分析，尚未见对不同组合形式的配流阀结构进行系统性的对比研究。配流阀的结构型式与材料对泵的容积效率有较大影响，而吸液阀与排液阀在工作环境上存在显著差异，使得阀配流结构在阀芯形式的选择上具有多样化特征。因此，系统开展不同配流阀结构组合形式的对比分析，揭示各结构参数对微型高压柱塞泵流量输出特性的影响机制，具有重要的理论意义与工程应用价值。
本文以某航空微型高压斜盘式定量柱塞泵为研究对象，建立其阀配流系统的数学模型，基于AMESim平台搭建不同单向阀配流结构的仿真模型，对球阀、锥阀、平板阀三种阀芯形式的九种组合结构进行仿真试验，系统分析配流阀结构组合形式及关键参数对微泵流量输出特性与容积效率的影响规律，以期为微型高压柱塞泵配流阀的优化设计提供理论依据。
2、微型高压柱塞泵数学模型
2.1 微型高压柱塞泵结构与工作原理
本文研究的航空泵为微型高压斜盘式定量柱塞泵，设计排量为0.138 mL/r，最高工作压力40 MPa，最高转速5000 r/min。该泵采用实心柱塞结构，柱塞球头直接接触斜盘以减少滑靴副泄漏，单个柱塞配备两个单向阀分别控制介质的吸入与排出过程。
不同于常规的盘配流柱塞泵，该微型高压航空泵的柱塞缸体不随主轴旋转，主轴与斜盘集成为一体化结构。当电机带动主轴斜盘旋转时，由于斜盘平面相对缸体平面存在倾斜角，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。这一结构设计的显著优势在于减少了传统柱塞泵中复杂的摩擦副，简化了泵体结构，有利于实现微型化和轻量化。
2.2 柱塞运动学分析
设斜盘倾角为γ，柱塞分布圆半径为R，斜盘旋转角度为φ，柱塞直径为d，则单柱塞的位移x、速度v和加速度a可分别表示为：
由上述运动学方程可知，柱塞的位移和速度均遵循余弦规律周期性变化。对于三柱塞泵结构，各柱塞之间的相位角相差120°，其运动规律除相位差异外完全相同。单柱塞在一个旋转周期内完成一次吸油与一次排油过程，三个柱塞的交替作用实现了连续的流量输出。
2.3 配流阀动力学模型
配流阀是微型高压柱塞泵的关键部件，其动态响应特性直接影响泵的容积效率与流量输出品质。吸液阀与排液阀在工作过程中分别承受不同的压力载荷，其阀芯运动规律可由力平衡方程与流量连续性方程加以描述。
吸液阀阀芯受力平衡方程可表示为：
排液阀阀芯受力平衡方程可表示为：
配流阀阀口的流量特性可由以下方程描述：
上述数学模型构成了微型高压柱塞泵阀配流系统动态特性分析的理论基础，为后续AMESim仿真模型的建立提供了依据。
2.4 容积效率定义
3、基于AMESim的仿真模型建立
3.1 仿真平台与建模策略
AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems）是一款面向工程系统的多学科领域建模仿真平台，广泛应用于液压元件的动态特性分析与性能预测。本文基于AMESim平台搭建三柱塞微型高压阀配流柱塞泵的液压系统动态仿真模型，用以研究各阀配流机构对整泵容积效率及阀芯启闭迟滞性的影响。
建模策略如下：采用电机带动三个相位角相差120°的柱塞运动，模拟实际微型高压柱塞泵中柱塞腔的往复运动过程。各柱塞除相位角存在差异外，运动规律完全相同，每个柱塞由两个单向阀分别控制油液的吸入与排出。这一建模方法既保证了仿真精度，又有效降低了模型复杂度。
3.2 仿真模型主要参数
AMESim中微泵仿真模型的核心参数设置如下：
柱塞直径：4 mm
斜盘倾角：7°
柱塞腔闭死容积（余隙容积）：0.5 cm³
阀芯质量：0.3 g
复位弹簧预紧力：1 N
复位弹簧刚度：1.2 N/mm
柱塞个数：3
额定转速：3000 r/min
最高负载压力：40 MPa
上述参数基于实际微型高压柱塞泵的设计指标确定，确保了仿真模型与物理样机的一致性。
3.3 配流阀阀芯结构形式与组合方案
配流阀的阀芯形式主要有平板阀、锥阀和球阀三种典型结构。三种阀芯结构各具特点，其性能优劣直接影响配流阀的响应特性与整泵的容积效率：
平板阀依靠平面环形密封，结构简单，响应特性较好，但平面易磨损，自动补偿能力较差，阀口密封性相对不高。然而，平板阀的运动惯量较小，有利于实现快速启闭，在高速工况下具有一定的优势。
锥阀的密封面为锥面，具有一定的自定位功能，密封性能优于平板阀。锥阀的流道较为平滑，流量系数较大，阻力损失较小，通流能力强。但锥阀的导向部分较长，运动惯量较大，使得阀芯启闭存在较为明显的滞后现象，且制造工艺相对复杂。
球阀结构简单，加工精度容易保证，但实心球阀芯的质量较大，运动惯性较严重，一般适用于小流量、小通径的场合。球阀的导向性较差，在启闭运动中易发生振动，且阀芯质量增大时惯性随之增大，导致阀芯启闭滞后严重。
由于高压微泵的吸液阀与排液阀在工作环境上存在较大差异——吸液阀主要承受负压吸油过程，排液阀则承受高压排油过程——使得阀配流结构在阀芯形式的选择上具有多样化特征。基于此，将吸液阀与排液阀的阀芯结构分别进行组合，共得到九种配流结构组合模型。
3.4 模型验证
在仿真模型搭建完毕后，首先对柱塞泵在转速3000 r/min下的柱塞位移和速度曲线进行仿真分析。仿真结果表明，柱塞的位移和速度曲线均遵循余弦规律周期性变化，最大速度0.578 m/s和最大位移3.68 mm均与微泵数学模型运动学分析的理论计算结果一致。这一验证结果充分表明所搭建的阀配流柱塞泵模型符合柱塞运动特性，能够准确反映实际微型高压柱塞泵的工作过程，为后续的配流阀结构对比分析与参数影响研究奠定了可靠的模型基础。
4、仿真结果与分析
4.1 变负载压力下各配流结构的流量输出特性
为分析不同配流结构与微型高压柱塞泵的适配性，对上述九种配流结构模型分别进行AMESim建模仿真分析。仿真条件为：转速3000 r/min，负载压力从低压逐步加载至40 MPa，以覆盖可能出现的极端工况。
仿真结果显示，各配流结构模型的出口流量均随负载压力的增大而减小，这是由于负载压力升高导致微泵内泄漏增大所致。然而，不同配流结构模型在相同负载条件下的出口流量存在显著差异：
模型8（吸液阀为平板阀、排液阀为锥阀）在各负载压力条件下的出口流量均低于其他配流结构模型，在40 MPa负载压力下与其余模型的出口流量差异达到最大；模型1至模型7在各负载压力条件下的出口流量变化较小，彼此之间差异不大；模型9（吸液阀与排液阀均为平板阀）在各负载压力条件下的出口流量均高于其他配流结构，即在各负载压力情况下容积效率均为最高。
这一结果表明，当阀口通径及单向阀预留尺寸一致时，吸液阀与排液阀均采用平板阀的配流结构具有最优的容积效率表现。究其原因，平板阀虽然密封性不及锥阀，但其运动惯量小、响应速度快，在微型高压柱塞泵高频往复运动的工况下能够实现更为及时的启闭动作，从而有效减少了因阀芯滞后所造成的容积损失。
4.2 变转速条件下各配流结构的流量输出特性
为考察转速变化对各配流结构容积效率的影响，在变转速条件下对各模型的出口流量进行了仿真分析，仿真结果表明，同一转速下模型8的出口流量均低于其他配流结构，且随着转速的增高，模型8与其他模型的出口流量差距逐渐增大。模型1至模型7在同一转速下出口流量相差不大，模型9在相同转速条件下出口流量均高于其他各模型。
进一步计算各转速条件下不同模型的容积效率发现，除模型8外，各模型的最大容积效率为80.05%，最小容积效率为79.36%，两者仅相差0.69%。这表明微型高压柱塞泵在变转速工况下容积效率保持稳定，主轴转速对微泵的容积效率影响不大。这一特性对于航空航天应用尤为重要——飞行器液压系统的工作转速往往在较大范围内变化，容积效率的稳定性直接关系到系统供油的可靠性与一致性。
综合变转速与变负载条件下各模型的出口流量情况，针对本文所研究的微型高压柱塞泵结构，在阀口通径及单向阀预留尺寸一致的条件下，模型9（吸液阀与排液阀均为平板阀）为最优配流阀组合形式。
4.3 平板阀配流结构滞后性影响因素分析
微泵通过多柱塞做轴向往复运动，腔内容积周期性变化，周而复始地完成吸油与排油动作。各柱塞除相位角存在差异外，其原理与工况完全相同，多柱塞微泵本质上是单柱塞的耦合作用，各柱塞的影响因素具有一致性。因此，以下针对模型9在相同转速下的单柱塞情况，系统分析各关键参数对配流阀滞后性的影响。
4.3.1 阀芯质量的影响
阀芯质量是影响配流阀动态响应特性的重要参数之一。分析了阀芯质量分别为0.3 g、0.8 g和1.2 g时配流阀阀芯位移的变化规律。
仿真结果表明：随着阀芯质量从0.3 g增加至1.2 g，吸液阀的关闭滞后角从4.80°逐渐增大至5.22°，开启滞后角基本保持一致；排液阀的开启滞后角从56.33°逐渐增大至57.59°，关闭滞后角基本保持一致。由此可见，阀芯质量对配流阀的滞后角有一定影响，但影响程度相对有限——这与部分学者的研究结论一致。
然而，更为值得关注的是阀芯质量对阀芯运动稳定性的影响。随着单向阀阀芯质量的增加，最大阀芯位移增大，阀芯稳定性显著下降。这是由于质量的增加导致惯性力增大，阀芯在启闭过程中的冲击加剧，运动平稳性变差。因此，在配流阀设计时应适当控制阀芯质量，在保证结构强度的前提下尽可能减小阀芯质量，以提高配流阀的响应速度与运动稳定性。
4.3.2 斜盘倾角的影响
斜盘倾角是决定柱塞行程与排量的核心结构参数。分析了斜盘倾角分别为7°、10°和13°时配流阀阀芯位移的变化规律。
仿真结果表明：随着斜盘倾角从7°增大至13°，吸液阀的开启滞后角从53.45°显著减小至36.89°，关闭滞后角从5.04°略微减小至4.14°；排液阀的开启滞后角从56.87°显著减小至41.21°，关闭滞后角从4.85°略微减小至4.13°。
斜盘倾角的增大对开启滞后角的改善效果尤为显著，而对关闭滞后角的影响相对较小。这一现象可从物理机制上加以解释：斜盘倾角增大意味着柱塞行程增大，在相同转速条件下柱塞腔内容积变化率提高，腔内形成高压与低压的时间均缩短，从而使得配流阀能够更早地开启。同时，随着斜盘倾角的增大，阀芯位移也随之增大，进一步改善了阀口的通流能力。
这一结果表明，在不同排量需求的工况下，可以适当选择较大的斜盘倾角来改善配流阀的迟滞性。但需要注意的是，斜盘倾角的增大同时会增加柱塞副的侧向力与摩擦损失，在实际设计中需在容积效率与机械效率之间进行综合权衡。
4.3.3 负载压力的影响
负载压力是微型高压柱塞泵实际工作过程中的关键外部条件。本文分析了负载压力分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa时配流阀阀芯位移的变化规律。
仿真结果表明：随着负载压力从10 MPa升高至40 MPa，吸液阀的开启滞后角从30.41°显著增大至62.45°，关闭滞后角基本保持一致；排液阀的开启滞后角从33.83°显著增大至66.05°，关闭滞后角基本保持一致。
负载压力对配流阀迟滞性的影响十分显著，压力的增大会导致配流阀的迟滞性明显加剧。这一现象可从油液的可压缩性角度加以理解：油液具有压缩性，负载压力越大，柱塞腔内建立压力所需的时间越长，开启配流阀的滞后角随之增加。同时，负载压力越大，阀芯位移也越大，这是因为更高的负载压力使得柱塞腔内建立的压力更高，阀芯受力增加致使位移增大。
上述结果表明，在高压工况下，配流阀的滞后问题会显著加剧，这对于微型高压柱塞泵的高压化发展构成了重要制约。如何在高压条件下保证配流阀的快速响应，是未来研究中需要重点攻克的难题。
4.3.4 余隙容积的影响
余隙容积（即柱塞腔闭死容积）是影响微型高压柱塞泵容积效率的另一重要参数。本文分析了余隙容积分别为0.3 cm³、0.4 cm³和0.5 cm³时配流阀阀芯位移的变化规律。
仿真结果表明：随着余隙容积从0.3 cm³增大至0.5 cm³，吸液阀的开启滞后角从41.57°显著增大至53.45°，关闭滞后角基本保持一致；排液阀的开启滞后角从44.99°显著增大至56.87°，关闭滞后角基本保持一致。
余隙容积对配流阀迟滞性的影响十分显著。随着余隙容积的增大，阀芯位移和振动幅度均增大，运动稳定性降低，阀芯开启迟滞性增大。这是因为越大的余隙容积意味着柱塞腔内残留的油液越多，在压缩行程中需要更多的时间来建立足以开启排液阀的压力。
这一发现对于微型高压柱塞泵的设计具有重要指导意义——减小微泵的余隙容积不仅能够有效改善配流阀的迟滞性，还有利于微泵的高压化。在结构设计阶段，应通过优化柱塞腔与阀体的配合尺寸，尽可能减小闭死容积，以提升泵的容积效率与高压适应性。
5、试验验证
5.1 试验装置与方案
为验证仿真分析结果的准确性，搭建了一套高压微泵加压试验设备对微型高压柱塞泵进行试验分析。微泵插装在银色油缸近电机一侧，闭式油箱内注满46号液压油，使微泵完全浸没在闭式油箱内部。电机置于闭式油箱外部，通过联轴器带动微泵主轴旋转。闭式油箱另一侧插装油路块，油路块连接补油泵及微泵出油口，通过补油泵对闭式油箱进行补油。
试验方案为：在负载压力30 MPa条件下，分别测量微泵在转速为1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min和5000 r/min下的出口流量，以考察变转速条件下微泵的流量输出特性。
5.2 试验结果与仿真对比
将高压微泵现场试验结果与仿真结果进行对比分析可知：各转速下试验所得结果与仿真结果相差不大。在微泵转速为5000 r/min时，出口流量相差0.02 L/min，对应的容积效率相差约3%。
试验结果与仿真结果之间存在一定偏差，主要源于试验误差以及加工误差等因素的影响。尽管如此，两者在整体趋势与数值量级上保持了良好的一致性，试验结果再次验证了仿真模型的准确性与仿真结论的可靠性。
6、结论与展望
6.1 主要结论
本文针对航空微型高压斜盘式定量柱塞泵，建立了阀配流系统的数学模型与AMESim仿真模型，系统分析了不同配流阀结构组合形式及关键参数对微泵流量输出特性与容积效率的影响，主要结论如下：
（1）各配流结构模型在恒转速变负载工况下，出口流量均随负载压力的增大而减小，这是由内泄漏随压力升高而增大所致。在阀口通径及单向阀预留尺寸一致的条件下，吸液阀与排液阀均为平板阀（模型9）时整泵的容积效率最高，为最优配流阀组合形式。同时，微泵在变转速工况下容积效率保持稳定，主轴转速对容积效率影响不大。
（2）阀芯质量对配流阀的开启与关闭滞后角均有一定影响，但影响程度相对有限。随着阀芯质量的增加，阀芯的惯性力增大，最大阀芯位移增大，阀芯运动稳定性显著下降。因此，在配流阀设计中应适当控制阀芯质量，在保证结构强度的前提下尽可能减小质量，以提高配流阀的响应速度与运动稳定性。
（3）斜盘倾角对配流阀的开启滞后角影响显著，对关闭滞后角影响较小。斜盘倾角的增大能够有效改善配流阀的迟滞性，这是因为斜盘倾角增大会使柱塞位移增大，柱塞腔形成高压与低压的时间均缩短。在不同排量需求的工况下，可适当选择较大的斜盘倾角来改善配流阀的迟滞性。
（4）负载压力与余隙容积对阀芯迟滞性的影响十分显著。随着负载压力的升高，柱塞腔内建立压力所需的时间延长，配流阀的开启滞后角显著增大。随着余隙容积的增大，油液压缩所需时间增加，阀芯位移和振动幅度增大，运动稳定性降低，阀芯开启迟滞性增大。减小微泵的余隙容积不仅能够有效改善配流阀的迟滞性，还有利于微泵的高压化。
6.2 未来展望
本文的研究为微型高压柱塞泵配流阀的结构设计与参数优化提供了重要的理论依据与数据支撑。然而，仍有一些问题有待进一步深入研究：
第一，配流阀新材料与新结构的探索。现有平板阀虽在响应速度上具有优势，但其密封面易磨损的问题在长期高压工况下可能影响泵的寿命与可靠性。未来可探索采用耐磨涂层、陶瓷材料等新型材料，或开发具有自补偿能力的阀芯结构，在保持快速响应的同时提升密封性能与使用寿命。
第二，多物理场耦合分析。本文主要基于AMESim进行液压系统级仿真，未涉及配流阀内部的流场细节。未来可结合计算流体动力学（CFD）方法，对阀口区域的流场特性、压力分布与空化现象进行深入分析，揭示配流阀在不同工况下的流动损失机理。
第三，配流阀与柱塞运动的协同优化。配流阀的滞后问题本质上是阀芯动态响应与柱塞运动频率之间的匹配问题。未来可基于多目标优化方法，将阀芯质量、弹簧刚度、预紧力、阀口通径等参数与柱塞运动参数进行协同优化，实现配流系统的最优匹配。
第四，高压化与高速化的适应性研究。随着航空航天装备对功率密度的要求不断提高，微型高压柱塞泵的工作压力与转速将持续提升。未来需进一步研究在更高压力（如70 MPa以上）和更高转速（如10000 r/min以上）条件下配流阀的动态行为与失效模式，为下一代航空液压泵的研制提供技术储备。
第五，智能监测与主动控制技术。随着传感技术与控制技术的发展，未来可探索在配流阀上集成位移传感器与压力传感器，实现对阀芯运动状态的实时监测与主动控制，从根本上解决被动配流方式下阀芯滞后难以避免的固有缺陷。
综上所述，微型高压柱塞泵阀配流技术的研究正处于从“结构优化”向“系统协同优化”与“智能化控制”方向发展的关键阶段。本文的研究成果可为后续相关学者的深入研究提供重要参考，为推动我国航空液压泵技术的高功率密度化发展贡献一份力量。
&注：由于小编水平有限，对查阅的相关文献资料内容进行的总结难免有误，错误之处敬请指正，非常感谢。本公众号推送内容以交流学习为目的，并非商业用途，所使用的配图均来源于公开网络获取，如有侵权，请联系协商处理。
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