【i前沿】Q20：这样的设计，不要！丨Peter A.深度解读2015（下）

增一层设计思考维度，取他山之石攻玉！...

创造力是人类珍贵礼物之一。对于我们自身引起的问题，它常常能够找到新出路和新的解决方案。为了找到新的解决方案，创造力需要与技巧、知识和一定的才能相结合。这个组合被称为技术。最终，设计师追求的不仅仅是找出你能随机处理的创造力的解决方案，而是找到真正的解决方案。

有没有一脸萌的赶脚？

那该如何发掘好的设计及解决方案呢？且看Peter A. 在2015年的会议报告中是如何阐述的。

文稿翻译丨液压创新社

编辑校对丨李春光   编辑排版丨马艳双

在泵的世界中，所有的这些问题，都是我们应该要去避免的：这是第一个问题。对于弯轴泵，轴承必须承载旋转组件的全部的静液压负载。这就导致了摩擦、过热、噪音问题并降低寿命。因此：要避免高轴承负载。第二个问题尺寸链。尤其是对于这样的 “Schubladenprinzip” 设计，有一个相当复杂的尺寸链，很容易导致运动的干涉。

运动干涉总是引起摩擦和磨损，要避免它们。“



弯轴机械设备以及一些径向活塞机械设备都有柱塞环。

柱塞环的设计是相当困难的，它们从来都达不到100%的平衡。因此，会在缸体和和柱塞之间产生高摩擦。

如果有可能的话：避免柱塞环式的设计。类似于弯轴泵这样带有大的缸体倾角的设备，总是受到过流面积开度小和柱塞加速度大的限制条件困扰。这种类型的泵具有很高的气穴风险，过流面积小同时也增大了流体的阻力，造成额外的压降以及效率的损失。对于滑靴式轴向柱塞泵，核心问题之一的是柱塞和缸体之间的极高的侧向接触载荷。而静液压传动就是靠这样的相对滑动接触面来传递的。

而这样的设计，显然是很不合理的。同时我也强烈建议取消宽密封支撑带式的结构设计。因为直到现在，接触面间的密封和静压支撑机理还没有被完全的弄明白。不过有一点可以肯定的是，宽密封带设计不是导致过平衡就是造成欠平衡支撑。

这一点，在静压平衡式液压泵设计中至关重要。对于柱塞式泵马达，相对滑动摩擦面必不可少，正是因此也导致了粘性摩擦。同样的，粘性摩擦也是不可避免的。

但是，这种摩擦可以通过降低接触面的相对滑动速度而减小。如果可能的话，剪切速度也应避免。闭死体积也会导致明显的容积效率损失。就如同本例，过大的闭死体积设计应当避免。

然而，空心的柱塞也有它的道理。空心结构降低了柱塞的质量，因此，离心力也会相应的降低。离心力降低后，有助于减小缸体回程弹簧的预紧力，从而减少缸体与配流盘之间的摩擦力。然而，尽管是空心柱塞，离心力依然很高。

同时柱塞摩擦力提高了倾覆力矩。这两个影响因素都决定了需要一个更强壮的缸体弹簧。显然这在新的设计中是应该要避免的。



最后，对于当前的泵中的变量结构，其效率是非常低的。

我很难理解为什么液压行业中，这一部分的损失被忽视了这么久，甚至现在。看到这些设计都是错误的，你是不是感到非常痛心呢？

这好比你去看医生，听到说你病了，病得很严重，比你想象的要严重得多。

个人看来，我不认为仅仅通过小的设计修改，如新材料或涂层，或采用鼓形柱塞形貌，就能将这些缺点弥补的。

因此，好多年前，我们已经决定摒弃原有的设计原理，开启了一个全新的设计理念。…浮杯方案

当然，这绝不是当前柱塞泵设计的唯一选择，并且我强烈的相信还会有其他更多的创新设计方案。

让我来告诉你，我们是如何追随“否定方法论”，并设法避开迷宫中所有的错误转角和死胡同的。浮杯泵 相关阅读：点击一下，即可查看

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首先是轴承负荷。浮杯泵是一个镜像结构。轴向载荷通过此镜像结构而相互平衡掉了。

这样，类似弯轴泵马达的滚子轴承上高负载的情况就被避免了。



同样，运动干涉也被避免了。

柱塞腔和转子是相互独立的。柱塞腔被设计成一个个独立的杯状结构，可以浮动于转子盘面上。这也正是浮杯泵名字的由来。

由于这些浮杯和转子之间是可以自由微动的，所以也就避免了复杂的尺寸链计算问题。柱塞环也可以不要了。因为浮杯在径向方向上是等同膨胀的。同样，柱塞端面也做成小腔结构，那么柱塞也就可以和浮杯同步等效膨胀了。

基于这样的设计，柱塞环也就不再需要了。浮杯泵是多柱塞设计方案，典型的是24根柱塞，因此有24个缸体腰型孔，这相当于常规轴向柱塞泵的三倍。由于倾斜角度较小，柱塞加速度也降低了，这进一步降低了气蚀的风险。

多缸体腰型孔结构也降低了流量损失。浮杯式设计完全消除了浮杯和柱塞之间的接触载荷，同时也消除了其他支撑接触面间的接触载荷。

在滑靴式柱塞泵中，支撑接触面间存在很高的载荷。摩擦力和相对运动是造成能量损耗及磨损的主要原因。

在浮杯式设计中，静压作用力是直接作用于柱塞上，然后传递到转轴上。这其中没有相对运动，也就没有了摩擦损耗和磨损。在浮杯式设计中，转子的直径相当大，这导致转子和配流盘之间的油膜剪切速度异常的高。这不是我们所希望的，更甚者，因为浮杯泵有两个转子，所以使得这个问题更加严重。

不过我们找到了一个出路，全新设计了一种静压支撑结构。这种结构可靠性好，效率也很高，并且还易于加工。仅存的滑动接触面，浮杯和转子之间的接触面，由于剪切速度很低，所以这里的粘着损失可以忽略。我们还设法将闭死体积减少到最小，比现在的滑靴式泵还要小得多。浮杯结构只需要很软的缸体弹簧。与其他轴向柱塞泵相比，浮杯泵的浮杯离心力是非常小的。由于柱塞和浮杯之间没有了摩擦力，倾覆力矩也大大降低。所以缸体弹簧就可以做得很软了。关于我们的“否定方法”的最后一步，重点是放在变量泵的斜盘控制上。我们不得不寻找，而且我们必须找到一个更好的，更有效的解决方案。找到合适的解决方案，找到走出迷宫的方法，虽然这很不容易。生活就是一场鏖战，而且相当苛刻。每天，你都必须做出决定，不是随意的，而是正确的决定。

早上，当你必须决定穿什么的时候，这些就已经开始了。像当代意大利艺术家米开朗基罗﹒皮斯特莱托，已经在这件艺术品中出色的给予了展示。1501年，另一个意大利艺术家米切朗基罗﹒迪﹒卢多维科﹒邦纳罗蒂﹒西摩尼，被邀请做成圣经中大卫的雕像，作为佛罗伦萨自由的象征。米切朗基罗从事这个富有挑战性的新任务时年仅26岁。让这句话成为你的一个座右铭：不要认为你仍然太年轻而不能创造重要的事情。米开朗基罗就站在那儿，站在这个巨大的宝贵的白大理石雕像前面。他可以用这个大理石雕刻成任何东西，但是，他的雄心壮志是一些新的，引人注目的新东西。就像这个雕像。这样？不行…这样？也不好…No！这个也不完美。这个最大、最宏伟的古代雕像如同一个奇迹,立即得到认可和赞赏。甚至罗马教皇也去看这件神奇的艺术作品。 “你是怎么设法创造出大卫的呢？真是杰作中的杰作啊！”教皇问。米开朗基罗回答说：“我只是删除了一切不属于大卫的东西。”否定方法

我们历时约12年的“否定方法”，是一个漫长的旅程，但它是一个成功的旅程。

参考文献

【1】How （not）to design pumps and motors ? . Presentation_Peter_Achten_INNAS_SICFP15_Tampere_May_21_2015

#2015 Peter A. #将分2期连载在【i前沿】栏目中：这样的设计，不要！丨Peter A.深度解读2015（上）这样的设计，不要！丨Peter A.深度解读2015（下）

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