斜盘偏距与交错角对飞机液压柱塞泵运动特性影响分析.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.05.007斜盘偏距与交错角对飞机液压柱塞泵运动特性影响分析马纪明，王昊宇，谷正谊”，张意（1.北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程师学院，北京10 0 0 8 3；2.中航力源液压股份有限公司，贵州贵阳550 0 18）摘要：飞机上常用的直轴式恒压变量液压柱塞泵，出于降低脉动以及改善高频运动时的稳定性需要，斜盘通常设计有偏心距和交错角。针对存在斜盘偏距和交错角的液压柱塞泵，提出了一种能够综合考虑斜盘偏距、交错角、斜盘倾角及斜盘转动速度的柱塞和滑靴运动特性分析方法。以某型航空液压柱塞泵为对象，对比分析了不同偏心距和交错角情况下柱塞的位移、速度特性，以及滑靴在斜盘平面的运动轨迹。按照液压泵配流盘闭死区设计通用准则确定了配流盘闭死区，对柱塞在闭死区内的运动特性进行了分析,结果表明闭死区内柱塞的运动特性深刻影响液压柱塞泵的输出流量和压力脉动。提出的分析方法能够描述斜盘转动（流量切换）过程中的运动动态特性，具有计算效率高、结果准确度高等特点，可用于液压柱塞泵以降低脉动为目标的设计优化。关键词：柱塞泵；斜盘；交错角；偏距；运动学中图分类号：TH137(1.School of Sino-French/School of General Engineering,Beihang University,Beijing 100083,China;Abstract:Hydraulic piston pumps commonly used in aircraft,are normally designed with straight-shaft,constant-pressure and variable-displacement.In order to reduce pulsation and improve stability during high-frequency movements,swash plates of this kind of pump are alsodesigned with eccentricity and cross angles.For the hydraulic piston pump with swash plate eccentricity and cross angle,a motioncharacteristics analysis method of piston and sliding shoe,which can comprehensively consider the effects of swash plate eccentricity,crossangle,swash plate inclination angle and rotation speed,is proposed.For a certain type of aviation hydraulic piston pump,the displacementand velocity characteristics of the plunger under different eccentricity and cross angles,as well as the motion trajectory of the sliding shoe in theplane of the swash plate,were compared and analyzed.The motion characteristics of the piston in the dead zone profoundly affect the outputflow and pressure pulsation of the hydraulic piston pump.According to the general criteria for the design of the dead zone of the distributionplate of the hydraulic pump,the dead zone of the distribution plate was determined,and the motion characteristics of the piston in the deadzone were analyzed.The motion characteristics of the piston in the dead zone profoundly affect the output flow and pressure pulsation of thehydraulic piston pump.The analysis method proposed in this paper can describe the motion characteristics of swash plate rotation(flowswitching),and has the characteristics of high calculation efficiency and high accuracy of results,which can be used for the design optimizationof hydraulic piston pump with the goal of reducing pulsation.Key words:piston pump;swash plate;cross angle;eccentricity;kinematics收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 5作者简介：马纪明（19 7 9-），男，河南商水人，副教授，博士，主要从事飞机液压元件与系统的设计分析、优化，寿命与可靠性试验评价,电动液压能源系统设计等方面的研究工作。文献标志码：BKinematics of Aircraft Hydraulic Piston Pump with SwashPlate Cross Angle and EccentricityMA Ji-ming,WANG Hao-yu,GU Zheng-yi?,ZHANG Yi?2.China Aviatio Liyuan Hydraulic Co.,Ltd.,Guiyang 550018,China)文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 5-0 0 3 9-0 70引言发动机驱动泵（Engine Driven Pump，ED P）是飞机液压系统的心脏，大都采用直轴式恒压变量液压柱塞泵（以下简称柱塞泵）。为了降低柱塞从吸油区到排油区过渡时,高低压切换产生的压力冲击,配流盘通常设39液压气动与密封/2 0 2 4年第5期计闭死区。然而，柱塞泵在不同流量、不同斜盘倾角状态下,柱塞在闭死区内的行程差异较大（全流量工况下柱塞在闭死角的行程大于零流量工况下柱塞在闭死区内的行程)。为了达到在所有流量状态下柱塞腔内压力平稳过渡的目的，柱塞泵斜盘通常设计有交错角（也称压缩角、错配角、辅助倾角），使不同流量工况下柱塞在闭死区的行程相近。而采用了闭死区和交错角之后,斜盘在柱塞泵工作时被作用有一负力矩，此时斜盘倾角会受该力矩影响有减小的趋势，为解决这一问题,柱塞泵通常又将斜盘设计为偏心结构,克服负力矩导致的变量机构不稳定问题。合适的斜盘交错角能够显著降低柱塞泵流量脉动,进而降低输出压力脉动，国内外研究者通过仿真与实验方法，已经充分论证了交错角对脉动的抑制作用。JOHANSSONA等2 通过实验验证了交错角与配流盘协同优化设计后，对输出压力脉动有显著抑制作用。RAMBAKSA等3 通过仿真方法分析了具有交错角的柱塞泵运动学、动力学以及流量脉动等性能特征。叶绍干4 通过理论分析和仿真方法，也证明了液压泵压力脉动与配流角之间存在关系。黎石等5-6 采用数值方法分析不同交错角下的单柱塞腔出口流量，并综合得到固定交错角下柱塞泵在不同转速、压力下的出口流量，得出合适的交错角大小。徐兵等7 优化了一种柱塞泵斜盘交错角新型降噪结构,能在全压力范围内降低柱塞泵流量脉动。WEIXY等8 基于降噪原理，建立了存在斜盘交错角的液压柱塞泵流量脉动模型，并基于CFD方法模拟分析不同旋转角度的夹角对流量脉动的影响，得出交错角为1时降噪效果较好的结论。交错角对柱塞泵压力脉动性能的提升作用，不仅是由于交错角降低了其输出流量脉动，还和交错角的合理设计改善了柱塞运动和受力特性有关。研究者研究了交错角对受力特性的影响分析,并在此基础上开展了设计优化工作,取得了显著成效。DEI等9-12 分析了斜盘力矩的组成，并针对飞机液压系统的压力波动原因及影响因素进行了分析与研究,其中液压泵的影响不可忽略。MANRING ND等13 研究了交错角对斜盘所受力矩的影响。李理14 分析了错配角变化对斜盘所受合力作用点运动轨迹和斜盘力矩的影响，认为通过改变错配角大小可以减小斜盘力矩正负交变问题,从而抑制斜盘振动。兰晋等15 采用数值分析的方法对斜盘偏心距设计方法进行深入研究，得出转子分布圆直径和斜盘摆角对斜盘偏心距的影响关系,并给出斜盘偏心距取值的合理范围，通过对比8 种产品的40性能与寿命,间接论证了偏心距对性能的提升作用16 。上述研究在考虑柱塞的运动特性时并没有综合考虑斜盘底面与柱塞球头平面距离、斜盘偏心距以及交错角三者共同影响下的柱塞运动特性，同时在考虑其中部分影响因素时,解析分析异常复杂,不能得到准确结果，数值方法计算量大。本研究在考虑柱塞泵斜盘交错角和偏心距的前提下，给出针对柱塞泵斜盘特殊结构下的运动特性分析过程，通用形式的柱塞运动/位移分析公式，进而分析了在某确定设计状态下，不同斜盘倾角（排量）状态下柱塞/滑靴的运动特性。通过解析方法分析了在不同斜盘倾角状态下的流量脉动情况（理想情况下），间接说明交错角对流量脉动的影响。本研究对于研究者准确分析柱塞泵结构动力学特性、泵出流量，以及压力脉动成因具有一定的参考性。1结构介绍柱塞泵结构示意如图1所示,刚体坐标系 S。（O;x,z)代表以0 为坐标原点的壳体坐标系,原点0是柱塞球头中心平面与主轴的交点。单位矢量(,磊)是按照左手坐标系分布,分别指向图1中所示方向。刚体坐标系 S,（O;x,z)代表以O点为坐标原点的斜盘坐标系。（x,J）代表柱塞球头中心平面，同样采用左手坐标系。斜盘耳轴与x平行,与(,z)平面的交点为O。斜盘倾角（绕x正方向）,斜盘交错角（绕正方向），从轴尾看，转子顺时针转动，柱塞周向转角（绕z正方向）。斜盘耳轴与主轴垂直，距离为偏心距为(沿正方向）;O。与斜盘平面(x,)之间的距离为b（沿正方向）。O,为第i个柱塞球头中心,全部柱塞球头中心组成平面(,）。以下用Op表示某柱塞球头中心。2运动分析方法与过程刚体坐标系S。系下3 个方向的单位矢量（,K）,柱塞球头0，相对其坐标原点0.的位置在 S。坐标系下可以用向量表达为：0.0,=xo+yoJo+zok根据柱塞泵柱塞运动规律，容易得知：Xo=R,sinyo=Rcos+a对于柱塞泵运动学特性分析,重点是求式（1)中矢量0.0,在S。坐标系下的后方向位移Zo。定义刚体坐标系 S,系下单位矢量(,),矢(1)(2)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024关系，得到S。与S,之间的转换关系（左手坐标系）为：C向柱塞E向斜盘Z主轴Tab(a)主视图(a)Main front view0R吸油区排油区180(b)左视图(b)Left viewE向X0(c)E向视图(c)E-Direction view图1存在交错角和偏心距柱塞泵结构示意Fig.1Schematic diagram of pump with crossangles and eccentricity量0.0,在S,坐标系下表示为：0.0,=x7+y+zk刚体坐标系S。和斜盘坐标系S之间，经过了两次转换，首先绕轴正方向转动（斜盘倾角），然后绕轴正方向转动（斜盘交错角），然后向z正方向上移动距离b,得到坐标系Si。根据左手坐标系的矩阵转换=Rot(G.,)Rot(F,)oZ1L20其中，10Rot(i,)=0coS0sinycoscos0sinRot(jo,)=010-sincos-将式(5）、式(6)代人式(4),得到：cos0sinsinycoscoscosy-L zoX将式(2)代式(7）,得到矢量0.0,在斜盘坐标系S下的位置x=Rrsincos+(R,cos+a)sinsiny+ZosinBcosyyi=(Rtcos+a)cosy-zosinyC向zi=-Rrsinsin+(R,cos+a)sinycos+ZocosBcosy根据柱塞泵设计参数，矢量0.0,在S坐标系下(见式(3)）,z1=b,也就是：Z-Rrsinsin+(Rrcos+a)sinycos+zocoscos=b(9)交错角根据式(9),得到：6Zo=XcosBcos(d)C向视图(R,cos+a)tany(d)C-Direction View式（2）、式（8）式（10)描述了柱塞球头中心在斜盘坐标系S，固定坐标系 S。下的位移特性。可以看出,矢量0.0,在坐标系S。的位移z0,与斜盘倾角、交错角,周向角度,柱塞球头平面距离b,偏距均有关系。(3)根据式（2）、式（10）描述的位移特性，对矢量00,进行微分运算,可得到柱塞在固定坐标系下的速度特性：d(0,.0,)Uo+UJ+k(11)dt41(4)0sinysinsinysinBcoscos-sinyo(7)(8)R,sintancoSy(5)(6)(10)液压气动与密封/2 0 2 4年第5期其中，dxo二=R,ocosdtdyo=-R,osindtdzo一dt6siny+cos cossinyR,tan(sincosRrosinatany-(Rrcos+a)其中，与柱塞泵泵出流量特性直接相关,是流量脉动分析的关键变量。3柱塞运动特性分析3.1结构与参数根据文献1 描述的设计准则,对某型飞机液压柱塞泵配流盘进行了优化设计，如图2 所示，结构参数如表1所示。表1设计参数Tab.1Parameters序号参数1斜盘最大倾角mx/（）2交错角/）3闭死区1=3/()4闭死区2/()15wcoscosSY十1cos0数值163.512.814.0闭死区4/()5.06分布圆半径R/mm7转速o/rmin-I(12)89X90704000偏心距a/mm3.0中心平面距离b/mm1.00360卡盘中心线滑靴中心线027002R180X4180吸油区持排油区图2配流盘闭死区设计示意图Fig.2Dead zone of valve plate本研究分别分析柱塞球头中心0，在斜盘平面坐标系S,和固定坐标系 S。下的运动特性。S。坐标系下的运动特性影响泵输出的体积流量，S，坐标系下的运动特性描述了滑靴与斜盘平面之间的相对运动状态，对柱塞泵卡盘中柱塞孔的设计具有至关重要。3.2柱塞球头中心在S，坐标系下的运动轨迹卡盘设计时需要考虑滑靴在不同斜盘倾角情况下的运动轨迹并避免出现碰撞现象，见图3。423图3 卡盘与滑靴运动轨迹示意Fig.3 Trajectory of retainer ring and slipper根据式（8），分别计算柱塞泵在零流量状态（=1.0）和全流量状态下（=16.0)时，柱塞球头中心在斜盘坐标系S，下的运动轨迹，见图4。从图中可以看出，在不同斜盘倾角状态下，柱塞球头中心在上下死点处位置有较大变化，这就要求在设计卡盘（也称回程盘)时，卡盘中心孔与滑靴脖颈处需有一定间隙(图中展示了单边间隙最小值）。3.3固定坐标系（S。）下柱塞运动特性分析根据式(10）,对比分析交错角对柱塞在zo方向上的位移和速度特性影响,如图5所示。根据图5所示的柱塞在z方向的速度特性，可以很方便地分析不同斜盘倾角下，交错角与上下死点位置关系。得到交错角的大小对上下死点位置的影响规=3.5Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024律,如图6 所示，可以看出，在斜盘倾角不变的情况下，0.010随着交错角的增大,其对上下死点位置的偏移影响越0.005大。在同样的交错角梯度下,大斜盘倾角时，上下死点连线随交错角的变化比小斜盘倾角时小，即上下死点连线偏移变化更小，这是因为斜盘真实的倾斜角是一个由交错角和斜盘倾角合成的合成角，随着一方的增大,另一方对合成角的占比就越小，进而对上下死点的影响就越小。0.040.030.020.01三0-0.01-0.02-0.03-0.04-0.04-0.03-0.02-0.01(a）不同斜盘倾角（=3.5）(a)Trajectories of piston on different inclined angles(-3.5)0.040.030.020.01三0-0.01-0.02-0.03-0.04-0.04-0.030.02-0.0100.01 0.02 0.030.04X/m(b）不同交错角（=16.0）(b)Trajectories of piston on different cross angles(y-16.0)图4柱塞球头中心在S，坐标系中的运动轨迹Fig.4Trajectories of piston in S,coordinate system3.4交错角与闭死区柱塞关系图7 为不同斜盘倾角下闭死区柱塞沿轴向行程随交错角变化图，可以看出，由图6 得出的规律，即大斜盘倾角时上下死点连线偏移变化更小，当柱塞运行在闭死区内,在zo方向上位移与斜盘倾角大小相关：大斜盘倾角时柱塞在z方向上位移受交错角变化影响较小，-000三-0.005-0.010-0.0150100 200 300 400 500600700800/()(a）柱塞z方向位移（对比有无交错角影响)(a)Piston displacement in z-direction(different cross angle)54321三0=16.0-=1.0000.010.020.03 0.04x/m-3.5=0.50.0260.0250.0240.0230.0220.0210.020.019-0.0305-3.5-00-1-2-3-4-50100200300400500600700800/()(b）柱塞速度特性（对比有无交错角的影响）(b)Piston speed in z-direction(different cross angle)54321三-0.03-0.0295-dy/dt-40 rad/s.-dy/dt=0-0.029-0.0285-1-2-3-4-50100 200 300400500600700800/()(c）柱塞速度特性（斜盘固定和转动影响)(c)Piston speed in z-direction(fix and variable incline speed)图5柱塞在Z方向上的位移和速度特性Fig.5 Displacement and velocity on z-directionof piston尤其当柱塞泵处于全流量时，交错角变化对闭死区内柱塞行程的影响可以忽略不计，见图7 b，而在小斜盘倾角时则有明显影响，见图7 a。图7 所示的现象也与试验现象匹配，图8 展示的是某设计有交错角的飞机液压泵，在其他工况完全一43液压气动与密封/2 0 2 4年第5期0.040.030.020.010-0.01-0.02-0.03-0.04-0.04-0.03-0.02-0.010.040.030.020.01三0-0.01-0.02-0.03-0.04-0.04-0.03-0.02-0.01图6 死点位置与斜盘倾角和交错角关系Fig.6 Dead zone changes on different inclinationand cross angle1.010-30.5-3.50-3-2.5-2=1.5-1-0.5柱塞球轨迹00.010.020.030.04x/m(a)y=16.0000.010.020.030.04x/m(b)-2.0=3.5-2.50-1.50-0.50-0.5-0.5-1.5-2.0-2.5-3.01500.010-3.50.005B-3-2.5-2-1.5-1-0.5柱塞球头轨迹2000u/z-0.005-0.010-0.015150图7 轴向位移Z与斜盘倾角和交错角关系Fig.7 z-direction in dead zone changes with inclinationand cross angle29.0-16.0.-1.0028.5250/()(a)=2.0200250a/()(b)=16.0300300350-3.5-2.50-1.50-0.50=-0.53504001400致，只有排量（斜盘倾角）不同时的输出口压力脉动试28.0验情况，可以看出，在零流量和小流量状态下，系统压力脉动(流量脉动)较大，流量状态要严重。此时应合理设计配流盘闭死区角度或斜盘交错角，以避免严重流量倒灌。4结论（1）提出的柱塞泵运动特性分析方法,综合考虑了斜盘耳轴偏距、斜盘交错角、柱塞球头中心平面与耳轴中心距离、斜盘倾角大小与斜盘转动速度等影响，为定量分析柱塞球头中心在固定坐标系和斜盘平面下的运动特性提供了方法和工具；（2）柱塞泵斜盘交错角的存在，能够明显改变柱塞的上下死点位置，上下死点偏离吸油区和排油区中心线的程度，随斜盘倾角的增大而减小；（3）交错角的设计会引起柱塞球头中心（滑靴底面中心)在斜盘平面上的不规则运动，给卡盘（回程盘）4427.5edNd27.026.526.025.51.000Fig.8 Pressure pulsation under different displacement 中柱塞孔的设计带来挑战；（4）交错角大小与配流盘闭死区设计密切相关，柱塞运行在闭死区间内，由于交错角的存在，小斜盘摆角下柱塞的位移大于大摆角下的位移,在柱塞泵设计时,交错角的大小需要与配流盘闭死区间角度进行协同设计，这样可有效降低输出流量和压力脉动。1.002图8 不同排量下的压力脉动1.004t/s1.0061.0081.010Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024参考文献9DE I,SARKAR S,CHAUDHURI S,et al.Effect of Dynamic1孙健国,周永祥.轴向柱塞泵计算机辅助设计一一斜盘偏心距、压缩角及分油盘闭死角的确定J.江苏机械，19 8 3(2):10-20,93.SUN Jianguo,ZHOU Yongxiang.Computer Aided Design of aPlunger Pump-determination of the Eccentricity,CompressionAngle,and Closed Dead Angle of the Swash Plate J.Jiangsu Machinery,1983(2):10-20,93.2JOHANSSON A,OVANDER J,PALMBERG J O.ExperimentalVerification of Cross-angle for Noise Reduction in HydraulicPiston Pumps J.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2007,221(3):321-330.3RAMBAKS A,SCHMITZ K.Modelling of the Cross Angle andIts Impact on Pump Performance C/Fluid Power SystemsTechnology.American Society of Mechanical Engineers,2021,85239:V001T01A003.4叶绍干.轴向柱塞泵声振特性预测及面向降噪的结构优化D.杭州：浙江大学,2 0 18.YE Shaogan.Prediction of Vibro-acoustic Characteristics andStructure Optimization for Noise Reduction of Axial PistonPumps D.Hangzhou:Zhejiang University,2018.5 黎石，王国志.基于斜盘交错角的柱塞泵流量脉动研究J.计算机与数字工程,2 0 2 1,49（3）59 5-6 0 2.LI Shi,WANG Guozhi.Research on Flow Ripple of AxialPiston Pump Based on Cross-angle of Swashplate J.Computer&Digital Engineering,2021,49(3):595-602.6黎石.斜盘式轴向柱塞泵流量脉动优化研究D.成都：西南交通大学,2 0 2 0.LI Shi.Study on Flow Ripple Optimization of Swash PlateAxial Piston Pump D .C h e n g d u:So u t h w e s t Ji a o t o n gUniversity,2020.7徐兵，宋月超，杨华勇.柱塞泵斜盘交错角降噪结构优化J.浙江大学学报（工学版），2 0 13,47（6)：10 43 10 50.XU Bing,SONG Yuechao,YANG Huayong.Optimization ofSwash-plate Cross Angle Noise-reduction Structure for Swash-plate-type Axial Piston Pump J.Journal of ZhejiangUniversity（En g i n e e r i n g Sc i e n c e），2 0 13,47（6):10 43-1050.8WEI X Y,WANG H Y.The Influence of Cross Angle on theFlow Ripple of Xial Piston Pumps by CFD Simulation J.Applied Mechanics and Materials,2012,220:1675-1678.引用本文：马纪明，王昊宇，谷正谊，等.斜盘偏距与交错角对飞机液压柱塞泵运动特性影响分析J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（5）：3 9-45.MA Jiming,WANG Haoyu,GU Zhengyi,et al.Kinematics of Aircraft Hydraulic Piston Pump with Swash Plate Cross Angle andEccentricity J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(5):39-45.45Sw-iveling Torque and Eccentricity on the Design ofCompensator Cylinders for a Variable Displacement AxialPiston Pump-Modelling&SimulationJ.JJMIE,2023,17(2).10陈永卿,张健全,冯广，等.高转速轴向柱塞泵斜盘力矩分析J.机床与液压,2 0 2 3,51(1)：16 6-17 0.CHEN Yongqing,ZHANG Jianquan,FENG Guang,et al.Analysis on Swashplate Moment of High Speed Axial PistonPump J.Machine Tool&Hydraulics,2023,51(1):166-170.11王建森,刘耀林,魏列江,等.轴向柱塞变量泵偏置斜盘力矩分析J.兰州理工大学学报,2 0 17,43（3）：44-49.WANG Jiansen,LIU Yaolin,WEI Liejiang,et al.Analysisof Torque on Biased Swash Plate of Axial Variable PistonPump J.Journal of Lanzhou University of Technology,2017,43(3):44 49.12缪建成，孙凯，刘雪波.液压柱塞泵斜盘力矩分析J.液压气动与密封,2 0 11,3 1(6)：43-45,49.MIAO Jiancheng,SUN Kai,LIU Xuebo.The Analysis ofSwash Plate Torque of the Hydraulic Piston Pump J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2011,31(6):43-45,49.13 MANRING N D,DONG Z.The Impact of Using a SecondarySwash-plate Angle Within an Axial Piston Pump J.J.Dyn.Sys.,Meas.,Control,2004,126(1):65-74.14李理.错配角对轴向柱塞变量泵斜盘力矩和流量输出特性的影响D.兰州：兰州理工大学,2 0 19.LI Li.Effect of Indexing Valve Plate Angle on Swash PlateMoment and Instantaneous Flow Characteristics of Swash PlateVariable Axial Piston Pump D.Lanzhou:University ofTechnology,2019.15兰晋，董乃强，杨斌.恒压变量柱塞泵斜盘偏心距的计算与仿真J.液压与气动,2 0 19,3 9(6):10 6-111.LAN Jin,DONG Naiqiang,YANG Bin.Calculation andSimulation of Swash Plate Eccentricity for Constant PressureVariable Piston Pump J.Chinese Hydraulics&Pneumatics,2019,39(6):106-111.16苏向荣.某型飞机液压系统压力随发动机转速变化故障分析J.液压气动与密封,2 0 2 1,41(1）：8 8-9 1.SU Xiangrong.Failure Analysis of a Certain Airplane HydraulicSystem Pressure Changing with Engine Speed J.HydraulicsPneumatics&Seals,2021,41(1):88-91.