|
赵广飞，宋桂珍 （太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024） 摘 要：轴向柱塞液压泵的流量脉动、振动和噪声一直是液压泵领域研究的热点问题。提出用正圆柱螺旋面替代斜面的方法，分别用左旋面和右旋面对应吸油窗口和压油窗口，在此基础上设计反向错位双联泵的结构，即两个泵的螺旋面相背或相对，封油区相差一定相位，目的是设计出一种恒流量输出的轴向柱塞泵。通过MATLAB数值仿真确定关键参数，得出采用8根柱塞为基础的轴向柱塞液压泵进行反向错位双联，错位角为22.5°，此新型恒流量轴向柱塞泵在工作时瞬时流量值不变，输出流量恒定且输出流量值显著提高。 关键词：轴向柱塞液压泵；双联；恒流量；流量脉动 1 引言轴向柱塞液压泵作为典型的一类液压泵，结构上无论是斜盘式还是连杆式的其工作原理都相同[1]，即液压泵的主要工作件柱塞作用于斜盘斜面上作圆周运动，这就决定了轴向柱塞液压泵在工作时其瞬时流量是脉动变化的[2]，瞬时流量的脉动变化会引起机械部件的振动，产生噪音且影响液压泵的使用寿命。 许多学者在优化轴向柱塞泵的流量脉动和脉动幅值方面均进行了大量的研究。文献[3]使用单斜盘错位双侧柱塞泵的结构设计方法，一定程度上改善了输出流量脉动、提高了正常工作状况下的输出压力。文献[4]基于串联式轴向柱塞泵转位角降噪方法，通过优化转位角，使其降低轴向柱塞泵噪声激振源强度达到一定效果。文献[5-6]设计了一种新型轴向柱塞液压马达，其提出将轴向液压马达中斜盘改为螺盘，从而使得单个柱塞在有效工作区瞬时流量恒定。文献[7]对新型轴向柱塞液压马达采用反向错位双联的结构，设计出一种恒转矩高效轴向柱塞液压马达。在此基础上，将螺盘式结构应用于轴向柱塞液压泵，并对螺盘式轴向柱塞液压泵瞬时流量进行分析和仿真，再用反向错位双联的结构消除新型液压泵瞬时流量脉动变化的特性，达到恒流量输出的目的。 2 新型轴向柱塞泵与传统轴向柱塞泵的理论分析2.1 传统轴向柱塞泵 传统轴向柱塞泵的工作原理为传动轴带动缸体转动，斜盘与配流盘固定，柱塞均布于缸体内，在弹簧或低压油的作用下柱塞头部作用于斜盘斜面上，柱塞随缸体的转动在柱塞腔内做往复运动，柱塞底部的容积产生变化，从而完成吸压油的动作。对于传统斜盘式轴向柱塞泵，当斜盘中心线与缸体中心线成一个倾角γ，柱塞直径为d，柱塞分布圆直径为D，液压泵机械效率为η，若给定一个缸体转速为ω，并设某通油窗口的柱塞所在位置与缸体垂直中心线夹角为α，则轴向柱塞泵的瞬时流量可表达为：  式中：Zm—压油区柱塞个数； Z—柱塞个数。 由上式可知，在除却一些定量的基础上，轴向柱塞液压泵的瞬时流量受两方面因素影响。一是柱塞所处位置与缸体垂直中心线夹角的大小相关，当夹角较小时，其瞬时流量很小；其二是夹角随时间的变化而变化，因此泵的瞬时流量也是随时间而动态变化的，且瞬时流量的变化是具有正弦函数规律的曲线。 2.2 新型轴向柱塞泵 借鉴螺盘-轴向柱塞液压马达的思想，将传统的轴向柱塞泵的主要部件斜盘结构改变为螺盘，即将斜面改为螺旋面，在此将其命名为螺盘式轴向柱塞泵。其工作原理如图1所示，螺盘式轴向柱塞液压泵主要由螺盘1、柱塞2、缸体3、配流盘4、传动轴5等部件组成，柱塞均匀分布在缸体中，工作中螺盘固定，设螺盘左旋面和右旋面的螺旋升角为β、柱塞直径为d、柱塞分布圆直径为D、液压泵的机械效率为η，当缸体带动柱塞做旋转运动，柱塞头部在弹簧或低压油的作用下紧压在螺盘表面，柱塞头部的运动轨迹为正圆柱螺旋曲线，即柱塞在缸体中横向运动速度是定值。换言之，某柱塞在压油或吸油区的瞬时流量是定值，新型轴向柱塞液压泵的瞬时流量公式为：  式中：Zn—压油区的柱塞个数，式中可以看出新型轴向柱塞泵的瞬时流量与压油区的柱塞个数相关，与柱塞所处位置无关。   图1 螺盘式轴向柱塞液压泵工作原理 3 轴向轴塞泵瞬时流量的数值仿真基于MATLAB数学公式模型的仿真[8]，分别仿真出斜盘式和螺盘式轴向柱塞泵的瞬时输出流量特性曲线。基于传统和新型轴向柱塞泵的结构特点和工作原理分析，分别对两种泵的总排量相等时和当斜盘倾角与螺盘的螺旋升角相等时两种情况进行比对，分析瞬时流量输出特性。 3.1 7柱塞轴向柱塞泵对比分析 当轴塞泵的柱塞是7根时斜盘式柱塞泵和螺盘式柱塞泵的瞬时流量输出特性对比，如图2所示。由图2可知斜盘式柱塞泵的瞬时输出流量为正弦函数特性曲线，是波动变化的；而螺盘式柱塞泵的瞬时输出流量平稳。当总排量相等时，螺盘式柱塞泵的输出流量峰值高于斜盘式柱塞泵，输出流量最低值则低于斜盘式柱塞泵；当螺旋升角与斜盘倾角相等时，同样柱塞数量的情况下螺盘式柱塞泵的瞬时流量大于斜盘式柱塞泵。  图2 7柱塞轴向柱塞液压泵瞬时流量 3.2 8柱塞轴向柱塞泵对比分析 8根柱塞时螺盘式和斜盘式柱塞泵的瞬时输出流量特性对比，如图3所示。可知当螺盘式轴向柱塞液压泵的柱塞个数为偶数时，在一个周期内的瞬时流量是规律变化的，波峰长度与波谷长度相等，即有效压油工作区内的柱塞个数为3个和4个时的工作时间是相等的。  图3 8柱塞轴向柱塞液压泵瞬时流量 3.3 9柱塞轴向柱塞泵对比分析 9根柱塞时螺盘式和斜盘式柱塞泵的瞬时输出流量特性对比，如图4所示。比较图2、图3和图4可知，当螺盘式柱塞泵柱塞数为奇数时，波谷的长度大于波峰长度，即有效工作时间内柱塞个数少时占主要部分；当柱塞个数为偶数时，则相等。斜盘式柱塞泵柱塞个数为奇数时脉动幅值比偶数时小，而螺盘式柱塞泵的脉动幅值则为定值，与柱塞个数无关，与螺旋升角相关。两种类型的泵在相同柱塞个数下的脉动率相同，受柱塞个数影响。  图4 9柱塞轴向柱塞液压泵瞬时流量 4 新型恒流量轴向柱塞泵在对传统和新型轴向柱塞泵瞬时流量进行数值仿真的基础上，发现当螺盘式轴向柱塞泵柱塞数为8根时，其瞬时流量输出曲线波峰和波谷时长度相等，表明柱塞在压油区工作时3根与4根的工作时长相等。故采用反向错位双联结构对新型轴向柱塞泵进行设计改进，使得双侧工作区域柱塞互相错位重叠，即瞬时流量曲线波峰和波谷相互叠加，达到轴向柱塞液压泵恒流量输出。由之前数值仿真的结果，计算得出双联柱塞泵的错位角为22.5°，双侧均为8柱塞，新型恒流量轴向柱塞泵工作原理，如图5所示。   图5 恒流量轴向柱塞液压泵工作原理 新型恒流量轴向柱塞泵的瞬时流量公式为：  式中：Z—单侧柱塞个数。 使用MATLAB对新型恒流量液压泵瞬时流量进行数值分析，如图6所示。在螺旋升角与斜盘倾角相等或总排量相等两种情况下，新型恒流量柱塞液压泵相比于传统柱塞液压泵瞬时流量的输出值进行了线性叠加，瞬时流量远高于传统轴向柱塞泵，且新型恒流量轴向柱塞液压泵在输出过程中平稳、恒定，不随时间的变化而变化，与柱塞的个数和缸体的转速等相关。  图6 恒流量轴向柱塞液压泵瞬时流量 5 结论在分析传统轴向柱塞泵的工作原理基础上，分析计算螺盘式轴向柱塞泵的工作原理和运动学公式，并使用MATLAB对两种泵的瞬时流量输出值进行数值仿真，并对螺盘式轴向柱塞泵进行反向错位双联，设计出一种新型恒流量轴向柱塞泵，经理论分析和实际计算，该新型泵的瞬时流量输出平稳恒定，且输出流量远大于原泵的平均输出流量。的方法和结论对轴向柱塞泵的流量脉动和降低液压系统的噪声具有参考价值。 参考文献 ［1］何存兴.液压元件［M］.北京：机械工业出版社，1982. （He Cun-xing.Hydraulic Component［M］.Beijing：China Machine Press，1982.） ［2］徐绳武柱塞式液压泵［M］.北京：机械工业出版社，1985.（Xu Sheng-wu.Plunger Type Hydraulic Pump［M］.Beijing：China Machine Press，1985.） ［3］于立娟，王小东，张学成.轴向柱塞泵流量脉动主动控制方法及仿真研究［J］.西安交通大学学报，2013，47（11）：43-47.（Yu Li-juan，Wang Xiao-dong，Zhang Xue-cheng.Control and simulation of flow pulsation in axial plunger pump［J］.Journal of Xi’an Jiaotong university，2013，47（11）：43-47.） ［4］徐兵，张军辉，杨华勇.基于串联式轴向柱塞泵转位角降噪方法仿真［J］.浙江大学学报：工学版，2013，47（1）：94-101.（Xu Bing，Zhang Jun-hui，Yang Hua-yong.Simulation on noise reduction of tandem axial piston pump［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2013，47（1）：94-101.） ［5］宋桂珍.新型轴向柱塞液压马达及其运动学分析［J］.太原理工大学学报，2003，34（5）：629-632.（Song Gui-zhen.New axial plunger hydraulic motors And Its Kinematics［J］.Journal of Taiyuan Universityof Technology，2003，34（5）：629-632.） ［6］宋桂珍.大转矩高效轴向柱塞液压马达，中国：CN99101670.X［P］，1999（9）.（Song Gui-zhen.High Torque High Efficiency Axial Plunger Hydraulic Motor，China：CN99101670.X［P］，1999（9）.） ［7］张王.恒转矩高效轴向柱塞液压马达［D］.太原：太原理工大学，2015.（Zhang Wang.Constanttorqueand efficiencyaxial piston hydraulic Motors［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2015.） ［8］田传俊.MATLAB语言在工程数学中的几种应用［J］.电器电子教学学报，2003，25（4）：65-70.（Tian Chuan-jun.Applicationof MATLABinteachingof engineeringmathematics ［J］.Journal of Journal of Electrical&Electronic Education，2003，25（4）：65-70.） Theoretical Analysis and Numerical Simulation on New Constant Flow Axial Plunger Hydraulic Pump ZHAOGuang-fei，SONGGui-zhen Abstract：The flow pulsation of axial plunger hydraulic pump vibration and noise are a hot issue in the research field of hydraulic pump.In this paper，the method of replacing the inclined plane with helical surface is presented，which use left lateral surface and right-hand surface match the oil suction window and pressure oil window.Then on the basis of this，the reverse dislocation double pump is designed，the helical surface of the two pumps face back or relative and oil seal has phase difference.The purpose is to design a constant flow output of the axial piston pump.The key parameters are determined by MATLAB numerical simulation，the axial piston hydraulic pump adopts 8 pistons based reverse double dislocation，dislocation angle is 22.5 degrees，the instantaneous flow rate of the new constant axial plunger hydraulic pump is constant，the output flow is constant，and the output flow rate increased significantly. Key Words：Axial Piston Hydraulic Pump；Double-Connection；Constant Flow；Instantaneous Flow 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）12-0162-03 来稿日期：2017-06-10 基金项目：山西省自然科学基金项目（2013011024-1） 作者简介：赵广飞，（1991-），男，山西临汾人，硕士研究生，主要从事机械设计优化方面的研究； 宋桂珍，（1964-），女，山西太原人，博士研究生，副教授，主要从事塑机、液压和机械优化设计方面工作 |
|
|
