变流量轴向柱塞泵性能优化_孙泽刚.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：孙泽刚，何德文，雷德全，等变流量轴向柱塞泵性能优化机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：四川省科技计划项目（）；过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金资助项目（）作者简介：孙泽刚（），男，博士，副教授，研究方向为液压元件优化。：.。通信作者：何德文（），男，学士，研究方向为液压元件优化。：.。变流量轴向柱塞泵性能优化孙泽刚，何德文，雷德全，杨莽（.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾；.四川省普什驱动有限责任公司，四川宜宾）摘要：变流量轴向柱塞泵输出流量的稳定性是衡量其性能的重要指标，配流盘上的节流槽对流量脉动有重大影响，流量脉动又会引起压力脉动。为减小变流量轴向柱塞泵的流量脉动，利用 建立变流量轴向柱塞泵模型，给出节流槽过流面积计算公式，利用 绘制节流槽过流面积图，在柱塞子模型中导入数值进行仿真分析。分析发现：在柱塞腔刚与压油腔连通时，流量倒灌现象与过流面积成正相关；随着柱塞腔继续转动，流量脉动与过流面积成负相关。根据该研究设计一种 梯形节流槽，有效提高变流量轴向柱塞泵性能。关键词：变流量轴向柱塞泵；节流槽；过流面积；流量脉动；仿真中图分类号：.，（.，；.，）：，：；前言变流量轴向柱塞泵是液压系统的动力源，提升变流量轴向柱塞泵性能对提升整个液压系统性能有很大的意义。变流量轴向柱塞泵主要性能指标是出口流量稳定性、稳压能力、噪声等，配流盘上节流槽结构对配流过程中的流量脉动有很大影响，流量脉动会影响输出口流量稳定性和压力稳定性等。国内外很多学者针对配流盘上节流槽的结构进行研究，那成烈首先提出了三角形节流槽最小过流面积的计算方法。石金艳推导了双三角 形槽组合的阀口面积计算方法和计算公式，在 软件中拟合得到了阀口面积、面积的梯度表达式。王毅翔建立了轴向柱塞泵流动特性的 仿真分析程序，系统地分析各种结构的节流槽对轴向柱塞泵流量脉动的影响，研究表明 形槽使出口流量有一个平缓而时间较长的下降过程，形槽结构合理时流量脉动幅值较小，并提出一种三角 形节流槽结构，兼具 形槽流量脉动平缓和 形槽流量脉动幅值较小的优点。杜国庆考虑三大摩擦副泄漏情况下，建立了柱塞泵瞬时流量数学模型，然后利用 软件建立了仿真模型，对柱塞泵输出流量等进行了仿真分析，得出改变配流盘 形槽深度角和宽度角两个参数时，会影响流量倒灌。郝希阳等建立 形槽和 形槽数学模型，利用 对不同节流槽模拟分析，分析柱塞的流量倒灌和流量变化情况，形槽更能缓解空化气蚀带来的影响。查鹏宇等利用 建立整个柱塞泵数字化模型，分析槽腔结构参数对柱塞泵性能的影响。黎石、王国志通过 仿真软件验证了在配流盘 形槽前端设置一个预压缩容腔后，当转速、出口压力发生变化时，预压缩容腔可以较好地减小流量脉动。以上学者未对变流量轴向柱塞泵的输出流量进行研究，变流量轴向柱塞泵的流量和压力都随着负载变化而变化。王炳超等利用 软件对柱塞式恒压变量泵进行了建模，分析液压系统在负载变化时泵出口流量和压力的变化。何佩云基于 仿真分析平台，对变流量轴向柱塞泵进行仿真分析，并设置相同的参数进行验证，两者结果基本一致，这对后续仿真分析具有很大的意义。以上学者对变流量轴向柱塞泵进行了仿真分析，但是未对节流槽进行深入研究。以上学者的研究对后续研究有很大的参考价值，在前人研究的基础上，本文作者利用 软件，建立变流量轴向柱塞泵模型，仿真分析不同节流槽结构对出口流量脉动的影响，并且对节流槽进行优化，使输出流量和压力更稳定。变流量轴向柱塞泵工作原理变流量轴向柱塞泵根据输出口的油液压力与设定压力调节输出流量，保持输出口的压力稳定。其工作原理如图 所示。图 变流量轴向柱塞泵结构.其工作原理为：初始时，油液压力较小，控制阀关闭，油液不进入控制活塞，在回位活塞的作用下，斜盘偏转最大角度，泵输出流量保持最大，控制活塞内的油液通过控制阀进入壳体流入油箱。当负载压力增大达到设定压力时，控制阀在油液压力作用下开启，高压油液通过控制阀进入控制活塞内，推动斜盘减小倾斜角度，从而减小输出流量，实现液压泵的恒压控制。当油液压力再次减小时，控制阀回位，控制活塞内的油液通过控制阀进入壳体内部，斜盘角度变大，输出流量变大。变流量轴向柱塞泵仿真模型建立.配流盘过流面积分析为了使配流过程更平稳，减少流量脉动，在配流盘上设置节流槽是一个很好的方法。不同类型节流槽过流面积变化趋势不同，不同时刻配流盘上过流面积也不同，这里需要分别分析计算不同结构节流槽配流时过流面积。.形槽 形节流槽配流盘和柱塞过流面积分为 个不同阶段分析，形槽与柱塞腔接触面积并不是最小的过流面积，最小过流面积在截面，如图 所示为柱塞腔与 形槽吸压油腔过流面积的不同阶段，设 形槽顶点为起点，柱塞腔转动角度为。图 过流面积变化过程.阶段 柱塞腔与节流槽连通，表面不是最小的过流面积，最小的过流面积处于截面，如图 所示阴影部分，计算出过流面积为（）式中：为压油腔分布圆半径；为 形槽深度角；为 形槽开度角。图 形节流槽结构.阶段 过流面积由两部分组成，一部分是柱塞腔和 形槽最大过流面积，面积 由 形槽圆心包角确定，另一部分是柱塞腔和压油腔组成的过流面第 期孙泽刚 等：变流量轴向柱塞泵性能优化 积。如图 所示，此时扇形 面积为 （）式中：为柱塞腔出口槽半圆端半径。面积为|（）所以柱塞腔和压油腔过流面积为（）（）图 阶段 过流面积.阶段 柱塞腔和压油腔过流面积为 （）（）式中：为柱塞腔尾端半圆的圆心包角（单位：）。柱塞腔继续转动，有一个特殊位置柱塞腔和 形槽的接触面积等于 形槽截面的面积，柱塞继续往后转动，柱塞腔和 形槽的表面接触面积越小，所以表面接触面积应该为最小过流面积。表面接触面近似为矩形，矩形底和 形槽截面三角形底长相同，故矩形宽为 形槽截面三角形高的一半。如图 所示，为 形槽截面三角形底边，则矩形宽为（）（）此长度为一个固定值，根据 形槽尺寸可确定，转过此长度需要转动的角度也是固定值，此角度为 （）阶段 整个柱塞进入压油腔，此时面积为 （）式中：为柱塞腔除去两端半圆的长度。.形槽 形槽过流面积从最初为零增大到 形槽截面面积就保持不变，柱塞腔和压油腔连通后继续增加，计算同 形槽过流面积计算的阶段、和，柱塞腔全部连通压油腔以后保持不变。建立如图 所示的坐标系，此时 形槽过流面积为 （）形槽端口边界方程为 （）（）此时面积 为|（）此时面积 为 （）（）（）（）式中：为柱塞转过弧度；为压油腔分度圆半径；为压油腔尾端半圆半径；为 形槽半圆端口半径。柱塞腔转过 形槽端口半圆后，过流面积呈直线增加至 形槽截面后保持不变。图 形槽过流面积连通示意.阻尼孔节流槽阻尼孔节流槽有两个一样尺寸的孔，柱塞腔依次与两个孔连通，过流面积分两次增加。阻尼孔与柱塞腔过流面积计算参考 形槽过流面积计算。.配流盘过流面积曲线利用上一步中算出的不同结构节流槽过流面积公式，在 中编写程序，将 设定为角度，设定为过流面积比值，利用 计算出各个角度对应的过流面积比，将数据导入 里，进行仿真分析。不同结构的节流槽过流面积比值如图 所示。形槽过流面积比如图 （）所示，柱塞腔和 形槽连通，最小过流面积为 形槽截面，柱塞腔继续转动至与压油腔连通，过流面积逐渐增大，在柱塞腔即将脱离 形槽的时候，柱塞腔和 形槽过流面积比逐渐减小，此段过流面积增加率稍小一点。机床与液压第 卷 形槽过流面积比如图 （）所示，过流面积在柱塞腔与 形槽连通至 形槽最大过流面积以后保持不变，柱塞腔和压油腔连通后过流面积逐渐增加，在脱离 形槽时过流面积增加率稍小，最后保持最大过流面积不变。阻尼孔节流槽较特殊，如图 （）所示，柱塞腔在连通两阻尼孔时会保持当前过流面积不变，在柱塞腔脱离阻尼孔时，由于柱塞腔和吸压油腔过流面积还在继续增大，此段过流面积增加率会稍小一些，故过流面积比在增加过程中会有两段小波动。图 不同结构节流槽过流面积比.：（）；（）；（）.变流量轴向柱塞建立变流量轴向柱塞泵模型如图 所示。通过信号输入元件控制可变节流阀开口，模拟系统负载变化。图 变流量轴向柱塞泵模型.仿真分析柱塞泵有数个柱塞共同工作，每个柱塞性能都一样，单个柱塞输出流量稳定性初步反馈泵输出流量的稳定性。先分析单个柱塞流量稳定性，然后整体分析变流量轴向柱塞泵输出流量和压力稳定性。模拟可变节流阀开口在 减小，在 增大，在 减小，目的是模拟变流量轴向柱塞泵在系统负载变化情况下的工作状态，使仿真分析更全面。如图 （）和（）分别为变流量轴向柱塞泵在负载变化时输出的流量和压力。从仿真结果看：当系统负载增大或减小时，液压系统压力在稍微波动以后稳定在设定值，与此同时，流量相应地减少或者增加。图 变流量轴向柱塞泵输出流量（）和压力（）.（）（）.不同槽形流量分析不同槽形节流槽影响吸压油过程的始末阶段，中间过程一致，现以 形槽为主进行分析。.形槽流量分析柱塞腔完成吸油过程后，柱塞腔内部油液无额外压力，在与压油腔连通时，压油腔内高压油液会压入柱塞腔内，这是流量倒灌现象；柱塞腔继续转动，经过流量倒灌和柱塞压缩，柱塞腔内油液压力高于压油腔，柱塞腔内油液迅速压入压油腔，形成流量脉动。将压油腔和节流槽整体朝柱塞旋转方向旋转一定补偿角度，使柱塞腔在脱离吸油腔时吸入更多油液，随即柱塞压缩，柱塞腔内油液压力增大，与压油腔连通时能减小流量倒灌。补偿角度小时油液倒灌现象更严重；补偿角度大时柱塞腔内油液压入压油腔形成的流量脉动越大。如图 所示，不同补偿角度会产生不同流量脉动，选择合适补偿角度能有效增加输出流量稳定性。后续分析都基于吸压油腔在合适补偿角度的情况下。图 不同补偿角度时柱塞出口流量.柱塞腔与 形槽连通时，形槽过流面积小流量倒灌更小，形槽过流面积大柱塞腔油液压入压油腔流量脉动更小，如图 所示。形槽过流面积变化趋势与深度角和宽度角有关，改变深度角和宽度角可以改变 形槽过流面积。形槽流量脉动平缓，后续对 形槽和阻尼孔槽流量分析时与 形槽对照，能体现各种槽的优缺点。第 期孙泽刚 等：变流量轴向柱塞泵性能优化 图 不同 形槽尺寸时柱塞出口流量.形槽流量分析如图 所示，在柱塞腔压油过程中，柱塞腔和 形槽过流面积迅速增大到 形槽截面的过流面积，压油腔内的油液倒灌进入柱塞腔，流量倒灌比 形槽大，柱塞腔油液压入压油腔形成的流量脉动更小。图 形槽和 形槽柱塞出口流量.阻尼孔槽流量分析如图 所示：阻尼孔形节流槽有两个阻尼孔，柱塞腔压油过程中，柱塞腔连通第一阻尼孔时，过流面积迅速增加到阻尼孔面积，流量倒灌比 形槽大，柱塞腔连通第二阻尼孔时，过流面积突然增加，产生一个流量脉动。图 形槽和阻尼孔形槽柱塞出口流量.新型节流槽分析根据对 形槽、形槽和阻尼孔槽流量分析，有以下结论：流量倒灌阶段，过流面积小流量倒灌较小；柱塞腔油液压入压油腔阶段，过流面积大流量脉动较小。根据以上结论，设计一种 梯形节流槽，结构如图 所示。此节流槽前端采用 形槽结构，后端在 形槽结构上向两侧扩展。梯形节流槽过流面积在流量倒灌阶段较小，在柱塞腔油液压入压油腔阶段较大。图 梯形节流槽结构.梯形节流槽在流量倒灌时过流面积小，能有效减弱流量倒灌现象；在后续的柱塞腔压油阶段，由于倒灌的油液少，同时过流面积迅速增加，柱塞腔油液压入压油腔时流量脉动更小。图 （）所示为单柱塞腔压油过程流量变化，可以看出：梯形节流槽产生的流量脉动更小，整个压油过程压出流量更稳定。流量稳定性和压力稳定性都是变流量轴向柱塞泵的重要性能指标，图 （）和（）分别是变流量轴向柱塞泵输出流量和压力，可看出 梯形节流槽显著提高变流量轴向柱塞泵的性能，使输出流量和压力更稳定。图 不同结构节流槽流量压力对比.：（）；（）；（）机床与液压第 卷变流量轴向柱塞泵根据负载变化，自动调节斜盘倾角改变输出的流量从而稳定压力，在变化过程中压力和流量不恒定，都会影响泵输出流量和压力稳定。图 （）为变流量轴向柱塞泵负载变化时泵输出流量的变化，可看出：梯形节流槽使变流量轴向柱塞泵变量时性能有很大提升，特别是泵输出流量增大时，使用 梯形节流槽的变流量轴向柱塞泵输出流量波动更小；负载变化时，压力在稍微波动后保持稳定。图 （）所示为变流量轴向柱塞泵负载变化时泵输出压力的变化，可看出使用新型节流槽的变流量轴向柱塞泵输出压力更稳定，在波动后更快稳定。图 梯形节流槽与 形节流槽流量（）压力（）对比.（）（）结论柱塞泵流量脉动是衡量柱塞泵性能的重要指标，通过优化节流槽结构能优化柱塞泵性能。本文作者分析不同节流槽对流量脉动的影响，综合它们优势设计一种 梯形节流槽。通过仿真分析，梯形节流槽能显著减少流量脉动，尤其在变流量轴向柱塞泵负载变化时，梯形节流槽对性能的提升更显著。参考文献：孙泽刚，钟宏民，李涛配流盘三角形节流槽抗空化结构改进研究机械设计与制造，（）：，（）：那成烈三角槽节流口面积的计算甘肃工业大学学报，（）：，（）：石金艳双三角 型槽组合阀口过流面积分析科技广场，（）：，（）：王毅翔轴向柱塞泵配流盘阻尼槽特性分析及优化设计杭州：浙江大学，：，杜国庆考虑三大摩擦副泄漏的斜盘式轴向柱塞变量泵流量输出特性分析兰州：兰州理工大学，：，郝希阳，王玉林，耿超，等轴向柱塞泵配流盘阻尼槽的模拟分析农业装备与车辆工程，（）：，（）：查鹏宇，尹飞鸿，吴小峰，等槽腔结合配流的柱塞泵数字化建模与仿真机床与液压，（）：，（）：黎石，王国志基于预压缩容腔的柱塞泵脉动研究机床与液压，（）：，（）：王炳超，王玉林，郝希阳，等基于 柱塞式恒压变量泵的仿真研究农业装备与车辆工程，（）：，（）：何佩云基于 的恒压控制变量泵仿真分析机电工程技术，（）：，（）：韩建磊斜盘式轴向柱塞泵流量特性分析济南：山东大学，：，第 期孙泽刚 等：变流量轴向柱塞泵性能优化