鄧斌，譚紅，柯堅，劉桓龍，王國志

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 前言

三柱塞式液壓增壓器是一種新型的連續(xù)型液壓增壓器，它通過3 個增壓缸的交替進、回油完成連續(xù)增壓。增壓器中關鍵結構參數(shù)決定了其增壓性能，在滿足設計要求的情況下，較好的結構參數(shù)組合，有助于提高增壓器的增壓特性。

1 三柱塞式液壓增壓器結構及工作原理

如圖1 所示為三柱塞式液壓增壓器的系統(tǒng)原理圖。增壓器主要是由旋轉斜盤1、滑靴2、柱塞套3、擺動盤4、進油端蓋5、配流盤6、三根增壓柱塞7、柱塞缸體8 以及增壓缸高壓腔出口閥組組成。

圖1 三柱塞式液壓增壓器系統(tǒng)原理圖

給增壓器的Pin 口供液壓油，液壓油經(jīng)擺動盤中心孔流至配流盤，配流盤上有3 個配流窗口，分別給3 個增壓缸配流，通過擺動盤中心孔與配流盤上3 個配流窗口的交替接通，實現(xiàn)3 個增壓缸的交替進、回油，完成連續(xù)增壓。

2 三柱塞式液壓增壓器關鍵結構參數(shù)的確定

在增壓器的進口壓力p1和進口流量Q1一定的情況下，增壓器性能的結構參數(shù)決定了出口壓力p2、出口流量Q2以及轉速n。

2.1 增壓器出口壓力和出口流量

三柱塞式液壓增壓器是由3 個相同增壓比的柱塞式增壓缸構成，其增壓比與單個增壓缸相同。

圖2 柱塞式增壓缸原理圖

如圖2 所示，為單個柱塞式增壓缸原理圖。根據(jù)靜壓平衡有:

式中:D 為柱塞大端直徑;

d'為柱塞桿直徑;

d 為柱塞小端直徑。

由式(1)得:

式中:k 即為增壓缸增壓比。在增壓比一定的情況下有:

2.2 增壓器轉速

如圖3 所示為開始進油增壓缸的柱塞在斜盤軸線與進油端蓋中心軸線所在平面內的剖視圖。圖中γ 為斜盤軸線與中心軸線間夾角，即斜盤傾角;Df為柱塞所在分度圓直徑;d 為柱塞小端直徑。斜盤轉動一周此增壓缸高壓腔排出高壓油的體積v 為:

圖3 開始進油增壓缸柱塞剖視圖

由此增壓器排量V 為:

排量與出口流量關系式為:

轉速n 為:

根據(jù)式(2)、(3)、(7)可知:在增壓器的進口壓力p1和進口流量Q1一定的情況下，其出口壓力p2和出口流量Q2與增壓缸柱塞大小端直徑D、d 以及柱塞桿直徑d'有關，而轉速n 除了與柱塞尺寸參數(shù)D、d'有關外，還與斜盤傾角γ 以及柱塞所在分度圓直徑Df有關。

在增壓器的進口壓力p1和進口流量Q1一定的情況下，影響增壓器增壓特性的結構參數(shù)為:柱塞大小端直徑D 和d，柱塞桿直徑d'，斜盤傾角γ 以及柱塞所在分度圓直徑Df。

3 三柱塞式液壓增壓器仿真

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立如圖4 所示的三柱塞式液壓增壓器的液壓系統(tǒng)仿真模型。

圖4 三柱塞式液壓增壓器液壓系統(tǒng)模型

系統(tǒng)仿真參數(shù)的設置如表1。

表1 三柱塞式液壓增壓器液壓系統(tǒng)模型主要參數(shù)

3.2 仿真結果

對模型進行仿真，仿真時間為1 s。得到增壓器3 個增壓缸高壓腔出口的流量、壓力曲線，如圖5、6所示。

圖5 增壓缸高壓腔出口流量仿真曲線圖

圖6 增壓缸高壓腔出口壓力仿真曲線圖

圖5 中流量為正表示增壓缸高壓腔流出高壓油，流量為負表示增壓缸高壓腔從油箱吸油。

從圖5 和6 中可以看出增壓器出口流量連續(xù)，且出口壓力值穩(wěn)定在22 MPa 左右，進口壓力值為6 MPa，增壓比為3.67。從壓力仿真曲線上可以看到:在每個增壓缸開始進油和結束進油時都會出現(xiàn)一個尖峰，說明在增壓器正常工作情況下，每個增壓缸在換向時增壓器的二次壓力都會出現(xiàn)波動。減小出口壓力波動可以提高增壓器的性能。

4 三柱塞式液壓增壓器液壓關鍵結構參數(shù)的合理選擇

液壓增壓器的基本參數(shù)為進口壓力、進口流量、出口壓力、出口流量和轉速。該增壓器的進口壓力為6 MPa，進口流量為8 L/min，出口壓力為22 MPa，出口流量為1.9 L/min，轉速為160 r/min。

在改變結構參數(shù)時，保持液壓增壓器的基本參數(shù)不變。

(1)增壓缸柱塞面積

在柱塞大端原直徑D 為40 mm 的基礎上，增加35、45 和50 mm 3 種尺寸，得到相應的3 組新的關鍵結構參數(shù)的組合，如表2 所示。

表2 不同柱塞直徑時的結構參數(shù)

仿真結果如圖7 所示。

圖7 不同柱塞面積下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖7 可以看出，當柱塞大端直徑D 為50 mm時的壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

(2)斜盤傾角

在原斜盤傾角γ 為13°的基礎上，增加10°、16°和19° 3 種尺寸，得到3 組結構參數(shù)的組合，如表3所示。

表3 不同斜盤傾角時的結構參數(shù)

仿真結果如圖8 所示。

圖8 不同斜盤傾角下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖8 可以看出，當斜盤傾角γ 為19°時壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

(3)柱塞所在分度圓直徑

在柱塞所在原分度圓直徑Df為60 mm 的基礎上，增加55、65 和70 mm 3 種尺寸，得到三組新的結構參數(shù)組合，如表4 所示。

表4 不同柱塞所在分度圓直徑時的結構參數(shù)表

仿真結果如圖9 所示。

圖9 不同柱塞分度圓直徑下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖9 可以看出，當柱塞分度圓直徑Df為70 mm 時的壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

比較3 組壓力特性較好的仿真曲線如圖10 所示。

圖10 3 組壓力特性較好的增壓器出口壓力曲線圖

從圖10 可以看出，柱塞大端直徑D 為50 mm 所在的結構參數(shù)組的增壓器壓力沖擊幅值最小，壓力特性最好。

綜上，當增壓器的進口壓力p1和進口流量Q1一定時，且保證其出口壓力p2和出口流量Q2以及轉速n基本不變的情況下，對10 組不同結構參數(shù)的增壓器模型進行了仿真，得出的較為合理的結構參數(shù)為:柱塞大端直徑為50 mm，小端直徑為25 mm，柱塞桿直徑為5 mm，斜盤傾角為8°，柱塞所在分度圓直徑為63 mm。此組結構參數(shù)下的增壓器出口壓力波動幅值較小，增壓特性相對較好。

5 結論

(1)對一種新型的三柱塞式液壓增壓器進行分析，確定了影響該型增壓器增壓性能的關鍵結構參數(shù);

(2)通過多組關鍵結構參數(shù)對增壓器二次壓力特性的影響的仿真分析，獲得了增壓器比較合理的結構參數(shù)。

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