双排平衡式斜柱塞泵流量特性分析与优化 （1）.pdf

为优化双排平衡式斜柱塞泵的流量脉动,考虑油液可压缩性和柱塞泵内泄漏,建立单柱塞以及柱塞泵的流动特性方程,考察内外排柱塞间交错角及柱塞倾角对柱塞泵输出流量特性的影响.结果表明:内外排柱塞交错分布能有效降低柱塞泵的流量脉动,最大可降低;随着柱塞倾角的增大,内排柱塞增大柱塞泵输出流量和流量脉动,外排柱塞减小柱塞泵输出流量和流量脉动;当内外排柱塞倾角同时增大,柱塞泵的输出流量增大并且流量脉动减小.因此,为考虑到柱塞泵结构限制,内外排柱塞倾角的理想取值为 左右,此时相较于直柱塞泵,流量增大了 ,流量脉动减小了 .关键词:轴向柱塞泵;斜柱塞;流量特性中图分类号:TH 文献标志码:A轴向柱塞泵 具有结构紧凑、供油压力高及易实现功率调节等特点,广泛应用在工业生产、航天航空等领域.斜柱塞泵 相较于传统直柱塞泵,增加了柱塞的有效行程,在同等条件下,斜柱塞泵具有排量大、重量轻及结构紧凑等优点,使得斜柱塞泵受到更广泛关注.许贤良通过斜柱塞运动轨迹,得出斜柱塞泵泵柱塞运动的数学模型;李磊研究了柱塞倾角对柱塞泵性能的影响,指出柱塞倾角会小幅增大柱塞泵流量脉动率;K a s s e m通过斜柱塞泵流量压力特性,确定了配流盘阻尼槽尺寸的最优解;S h i通过斜柱塞泵的运动方程表明其流量脉动是关于斜盘倾角和柱塞倾角的函数.双排平衡式斜柱塞泵是一种新型轴向柱塞泵,其通过倾斜柱塞不但可以改变柱塞泵的缸体受力情况,以获得更好的力学效果,还可以获得较大流量,但是由于内外排流量的差异,有多种组合方式,所以其流量特性 需要深入研究.本文介绍其工作原理,建立柱塞泵流量脉动数学模型,分析配流盘结构、内外柱塞倾角及交错角等对流量脉动的影响.双排平衡式斜柱塞泵工作原理双排平衡式斜柱塞泵与平衡式双排轴向柱塞泵 的工作原理基本类似,其差异在于改变了柱塞倾斜角度,使得内排柱塞向内倾斜、外排柱塞向外倾斜,所以在柱塞泵工作时,改变了缸体力矩,使得配流盘和缸体等关键零部件的受力近似保持平衡;而且由于柱塞倾斜角度的改变,造成柱塞有效行程的变化,同时改变了柱塞泵的流量特性(见图).图双排平衡式斜柱塞泵工作原理流量脉动分析轴向柱塞泵的流量脉动通常可分为理想液体和实际液体两类,理想液体分析为实际液体分析奠定了基础.理想液体的流量脉动在理想情况下,柱塞泵无泄漏,不考虑油液压缩性和配流盘节流作用的影响.此时单柱塞瞬时流量变化与柱塞运动有关,而倾斜柱塞相对缸体沿轴向的位移方程为:SP iRit a n(c o si)c o si(t a nit a nic o si),()式中,t,将位移方程对时间t求导可得到倾斜柱塞相对缸体沿轴向的速度方程:VP id SP id tRit a nis i ni(t a nit a ni)(t a nit a nic o si)c o si,()式中,i为双排平衡式斜柱塞泵的外排(i)与内排(i);Ri为第i排上死点到缸体轴线的距离;i为第i排斜盘斜面倾角;i为第i排从其上死点位置柱塞转动的角度;i为第i排柱塞的倾角;为缸体的转动角速度.而内外排的瞬时流量Qi为同一时刻所有处于排油区的单柱塞瞬时流量之和:QiAPRit a ni(t a nit a ni)c o sines i ni e(t a nit a nic o si e),()图内外排交错角示意图式中,AP为柱塞的横截面积;n为处于排油区的柱塞数.由于双排平衡式斜柱塞泵的结构特性,构成了其特有的交错角s,如图所示.s,()双排平衡式斜柱塞泵可视为两排错位 的单排轴向柱塞泵的叠加,其总的瞬时流量可以用内外排瞬时流量之和Q表示:QQQ,()流量脉动大小可以用流量不均匀系数q表示:qQm a xQm i nQp a v,()图配流盘结构示意图式中,Qm a x为泵瞬时的最大流量;Qm i n为泵瞬时的最小流量;Qp a v为泵平均流量.过流面积计算配流盘结构如图所示,随着主轴的转动,油液经过配流盘上的腰型槽流入或流出柱塞腔,这个流动过程会发生流量倒灌现象,尤其在柱塞腔与配流盘腰型槽上阻尼槽接通时,流量倒灌现象十分明显,因此柱塞腔与配流盘形成的过流面积会直接影响配流效果和理论模型的计算精度.当柱塞泵工作时,柱塞腔与配流盘的相对位置会不断改变,形成的过流面积也随之改变,根据配流盘结构参数可得过流面积变化趋势.表配流盘参数参数符号数值内、外排腰形槽宽度/mmdy/dy/内、外排柱塞分布圆半径/mmr/r/内、外排配流盘腰型槽包角/内、外排三角槽深度角/内、外排三角槽的宽度角/参数符号数值内、外排内密封带内径/mmr/r /内、外排内密封带外径/mmr/r /内、外排外密封带内径/mmr/r /内、外排外密封带外径/mmr/r /内外排过流面积曲线变化如图所示.当内、外排柱塞各自完成一次吸油与排油时,内排与外排单柱安徽工程大学学报第 卷塞吸排油的顺序相反,但随主轴转动过流面积的变化趋势近乎一致.以外排柱塞为例,吸油时,缸体腰形孔先后与配流盘的三角槽和腰形槽连通,过流面积逐渐增大;当缸体腰形孔脱离三角槽与腰形槽完全连通时,过流面积达到最大.最大过流面积将保持到缸体腰形孔开始脱离配流盘腰形槽的时候,随后按照与之前与配流盘腰型槽相连通的变化趋势减少,在即将与吸油侧腰型槽完全脱离时刻,开始和排油腔三角槽连通.如局部变化图所示,避免了高低压区转换时出现闭死容积而导致的压力超调问题.图内外排过流面积曲线变化图实际液体的流量脉动内外排柱塞腔的泄漏量示意图如图所示.由图可知,在柱塞泵实际工作时,单个柱塞的实际流量会受油液的可压缩性、阻尼槽的倒灌量以及三大摩擦副之间的泄漏量等因素影响,所以柱塞腔中油液压力特性方程为:d Pid tEVf iVP iAP iQQh l iQz l iQp l id Vf id t,()图内外排柱塞腔的泄漏量示意图式中,E为油液的体积弹性模量;Vf i为第i排柱塞腔油液体积;Q为三角阻尼槽倒灌量;Qh l i为第i排滑靴副的泄漏量;Qz l i为第i排柱塞副的泄漏量;Qp l i为第i排配流副的泄漏量.()三角阻尼槽的倒灌量.当柱塞刚脱离低压侧经过上死点位置时,柱塞腔中的油液通过阻尼槽与高压侧的油液相通,此时高压油经过阻尼槽倒流入柱塞腔内,形成流量倒灌;而当柱塞刚脱离高压侧经过下死点位置时,柱塞腔中的油液通过阻尼槽与低压侧的油液相同,此时高压油经过阻尼槽流入到吸油窗口.假定柱塞腔在配流盘高低压侧的三角槽的倒灌流量分别为Qs i与Qj i,该流量公式为:Qs iCdAo i|PiPo u t|s g n(PiPo u t),()Qj iCdAr i|Pi nPi|s g n(Pi nPi),()式中,Cd为流量系数;为油液密度;Ao i为第i排缸体腰形孔与配流盘吸油口过流面积;Ar i为第i排缸体腰形孔与配流盘排油口过流面积;Po u t为出油口的油液压力;Pi n为进油口的油液压力.()柱塞泵的泄漏量.柱塞泵在实际运动过程中存在着内泄漏,内泄漏的主要位置在柱塞和缸体孔、滑靴和斜盘、配流盘和缸体配流端面三个摩擦副缝隙之间.假设摩擦副间的泄漏形式为缝隙泄漏,则滑靴副的泄漏流量公式为:Qh l i dduddl nrr ld(PiPo u t),()式中,dd、ld分别为柱塞阻尼孔的直径和长度;r、r分别为滑靴封油带的内外圈半径;为滑靴副油膜厚第期施伟伟,等:双排平衡式斜柱塞泵流量特性分析与优化度;u为油液动力黏度.柱塞副的泄露流量公式为:Qz l i dp u li()(PiPo u t)dPVP i,()式中,dP为柱塞直径;为柱塞副油膜厚度;li为第i排柱塞在缸体内的内含接长度;为柱塞偏心率.斜柱塞式双侧驱动轴向柱塞马达的配流盘为平面配流盘,则其配流副的泄漏流量公式为:Qp l ii ul nriril nriri(PiPo u t),()式中,i为第i排配流盘腰形槽包角;为配流副油膜厚度;ri、ri为第i排内、外封油带外径;ri、ri为第i排外、外封油带内径.为了得到双排平衡式斜柱塞泵的流量特性,需要求解单柱塞腔的压力,在此基础上求解单个柱塞腔的流量特性并叠加.根据上文所搭建好的数学模型可以得到内外排的柱塞倾角为 时的单柱塞腔瞬态压力变化过程:图单柱塞腔瞬时压力变化曲线单柱塞腔瞬时压力变化曲线如图所示.当外排柱塞随着主轴转动,外排柱塞腔逐渐从低压区腰型槽过渡到高压区腰型槽,在预升压区域,排油窗口的高压油液受压差影响倒灌进柱塞腔中,因此出现了比较明显的压力冲击,在外排柱塞腔与高压区腰型槽完全接通后,会保持恒定的高压.外排柱塞腔逐渐从高压区腰型槽过渡到低压区腰型槽,在预降压区域,柱塞腔的高压油液受压差影响倒灌进吸油窗口中,也会出现比较明显的压力冲击,在外排柱塞腔与低压区腰型槽完全接通后,后保持恒定的低压.随着主轴的转动,内排和外排的柱塞腔瞬时压力变化趋势近乎一样,但吸排油的顺序相反.当内外排的柱塞倾角由、变化时,柱塞腔瞬态压力过程如图、所示.由于内排柱塞相对于斜盘向内倾斜,会增大柱塞的有效行程,加快柱塞运动速度,使得内排柱塞腔和配流盘之间的瞬时压力差增大;而外排柱塞相对于斜盘向外倾斜,会得到与内排柱塞相反的瞬时压力变化趋势.内外排之间的交错角决定了流量的相位差,从而影响总流量的大小和脉动率.图柱塞倾角变化下的外排单柱塞腔瞬时压力变化图柱塞倾角变化下的内排单柱塞腔瞬时压力变化流量不均匀系数与交错角的关系如图所示,错位角对流量的影响如图 所示.由图、可知,随着内外排之间的交错角增大,柱塞泵的流量脉动率先减小后增大,且交错角为 时流量脉动率最大为 ;当交错角为 时流量脉动率最小为 ,相比最大脉动率减少了.q 时内排柱塞流量叠加如图 所示,q 时的总流量叠加如图 所示.由图、可知,交错角的改变不会影响内外排流量的脉动周期,在脉动率最大所对应的交错角向脉动率最小所对应交错角变化时,理论流量的波峰逐渐减小,这说明交错角的改变致使内外理论流量的波峰与波谷相叠加,减小了波动幅度,从而降低了扭矩的脉动率,证明了合理的交错角可以使柱塞泵获得平稳的流量输出.安徽工程大学学报第 卷流量与不均匀系数的关系图如图 所示,流量不均匀系数与柱塞倾角的关系如图 所示.由图 可知,当内外排柱塞倾角相同时,随着柱塞倾角从 上升至,柱塞泵的流量也随之增大,而且柱塞倾角的变化不影响流量的变化规律和脉动周期.由于双排平衡式斜柱塞泵的结构特性,内外排柱塞相互独立,可以分别倾斜不同的角度,因此可分别选择合适的柱塞倾角以达到减小流量脉动的目的.由图、可知,当外排柱塞倾角不变而内排柱塞倾角增加时,流量脉动率也基本随之增加;当内排柱塞倾角不变而外排柱塞倾角增加时,流量脉动率也基本随之减小.图流量不均匀系数与交错角的关系图 错位角对流量的影响图 q 时内排柱塞流量叠加图 q 时的总流量叠加图 流量与不均匀系数的关系图图 流量不均匀系数与柱塞倾角的关系结论随着内错角的增大,斜柱塞泵的流量不均匀系数呈现先减小后增大的趋势;合理配置错位角,可使得双排平衡式斜柱塞泵内外排瞬时流量波峰波谷相互叠加消减,进而减小柱塞泵的流量脉动,最大减少了.随着柱塞倾角的增大,内排柱塞腔压力在预升压区的最高压力增大,加剧了内排单柱塞的流量倒灌现象,增大了瞬时流量幅值和流量不均匀系数;外排柱塞腔压力在预升压区的最高压力减小,减轻了外排单柱塞的流量倒灌现象,减小了瞬时流量幅值和流量不均匀系数;当内外排柱塞倾角同时增大,会增大柱第期施伟伟,等:双排平衡式斜柱塞泵流量特性分析与优化塞泵的流量并减小流量脉动;考虑到柱塞泵结构限制,内外排柱塞倾角的理想取值为 左右,此时相比于直柱塞泵,流量增大了 ,流量脉动减小了 .参考文献:邓海顺,王传礼,张立祥平衡式两排轴向柱塞泵流量脉动研究J农业机械学报,():陶嗣巍,刘显双,赵东轴向柱塞泵流动特性多尺度自动检测仿真研究J计算机仿真,():杨国来,王淏泽,赵君,等直柱塞/斜柱塞轴向柱塞泵的对比分析J机床与液压,():张静,胡静,史伟东柱塞倾角对锥形缸体轴向柱塞泵流体特性的影响J兰州理工大学学报,():苏三买,常博博,陈永琴倾斜柱塞式轴向柱塞泵运动学参数计算方法J计算机仿真,():许贤良,刘利国 A V柱塞泵运动方程研究J煤矿机械,():李磊倾斜柱塞式斜盘变量泵的流量特性研究D成都:西南交通大学,KA S S EMSA,B AHR M KE f f e c to fp o r tp l a t es i l e n c i n gg r o o v e so np e r f o r m a n c eo fs w a s hp l a t ea x i a lp i s t o np u m p sC/t hM e c h a n i c a l d e s i g na n dp r o d u c t i o nc o n g r e s sMD P C a i r oU n i v e r s i t y,C a i r o,E g y p t,:S H IZ,P A R K E RG,G R AN S T R OMJ K i n e m a t i c a n a l y s i so f a s w a s h p l a t e c o n t r o l l e dv a r i a b l ed i s p l a c e m e n t a x i a l p i s t o np u m pw i t hac o n i c a l b a r r e l a s s e m b l yJJ o u r n a l o f s y s t e m,m e a s u r e m e n t,a n dc o n t r o l d y n a m i c,():马吉恩轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究D杭州:浙江大学,X UB,Y ESG,Z HAN GJH,e t a l F l o wr i p p l er e d u c t i o no fa na x i a lp i s t o np u m pb yac o m b i n a t i o no fc r o s s a n g l ea n dp r e s s u r er e l i e fg r o o v e s:a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nJJ o u r n a l o fm e c h a n i c a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y,():B E R GA D A M,KUMA RS,D AV I E SDI,e t a l Ac o m p l e t ea n a l y s i so fa x i a lp i s t o np u m pl e a k a g ea n do u t p u t f l o wr i p p l e sJ A p p l i e dm a t h e m a t i c a lm o d e l l i 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g l eo nt h eo u t p u t f l o wc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep i s t o np u m p i si n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a t:t h es t a g g e r e dd i s t r i b u t i o no ft h ei n n e ra n do u t e rr o wp l u n g e r sc a ne f f e c t i v e l y r e d u c e t h e f l o wr i p p l eo f t h ep i s t o np u m p,t h em a x i m u mr e d u c t i o no f ;w i t ht h e i n c r e a s eo f t h ep l u n g e r t i l t a n g l e,t h e i n n e r r o wp l u n g e r s i n c r e a s e t h eo u t p u t f l o wa n df l o wr i p p l eo ft h ep i s t o np u m p,t h eo u t e rr o wp l u n g e r sr e d u c et h eo u t p u tf l o wa n df l o wr i p p l eo ft h ep i s t o np u m p;w h e nt h e t i l t a n g l eo f t h e i n n e r a n do u t e r r o wp l u n g e r s i n c r e a s e s a t t h e s a m e t i m e,t h eo u t p u t f l o wo f t h ep i s t o np u m p i n c r e a s e sa n dt h e f l o wr i p p l ed e c r e a s e s T h e r e f o r e,c o n s i d e r i n gs e t t h es t r u c t u r a l c o n s t r a i n t so f t h ep i s t o np u m p,t h e i d e a l v a l u eo f t h e i n n e r a n do u t e r r o wo f p i s t o n i n c l i n a t i o n i s a b o u t ,c o m p a r e dw i t ht h es t r a i g h tp i s t o np u m p,t h e f l o wi n c r e a s e db y ,t h e f l o wr i p p l er e d u c e db y K e yw o r d s:a x i a l p i s t o np u m p;i n c l i n ep i s t o n;f l o wc h a r a c t e r i s t i c s安徽工程大学学报第 卷