李碩勛，趙鐵栓，鄭 威，黨兵兵

(長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 前言

液壓系統(tǒng)作為工程機(jī)械中的重要組成部分，在機(jī)械領(lǐng)域占有重大存在意義。斜盤式軸向柱塞泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，工作壓力高，高壓下仍能保持較高的容積效率和總效率，容易實(shí)現(xiàn)變量的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是其對油液污染源較敏感，對材質(zhì)和加工工藝要求較高，又由于柱塞在缸體柱塞孔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動時，以閉塞容腔的容積變化來實(shí)現(xiàn)吸、排油的過程[1]，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、斜盤傾角、泵出口處容積和負(fù)荷等因素對斜盤式柱塞泵影響，造成壓力流量脈動、液壓沖擊、磨損問題。因此，建模分析各因素影響泵的規(guī)律具有重要意義。

AMESim提供的液壓仿真環(huán)境，可以模擬控制對象建立真實(shí)建模環(huán)境。其中HCD庫功能強(qiáng)大，可以自主設(shè)計液壓元件[2]。針對研究對象及其特定環(huán)境建立不同功能的控制模型，該軟件考慮液壓元件非線性特性，給柱塞泵的建模、仿真、動態(tài)分析提供方便。目前，對于斜盤式柱塞泵各個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了大量的研究以優(yōu)化泵的性能。文獻(xiàn)[3]分析了柱塞數(shù)及奇偶數(shù)對流量脈動的影響。文獻(xiàn)[4]研究了不同材質(zhì)管道對壓力脈動影響。本文主要使用仿真模型研究各個參數(shù)與壓力特性關(guān)系。

1 斜盤式軸向柱塞泵的工作原理

斜盤式軸向柱塞泵的工作原理如圖1所示。缸體周圍均勻分布奇數(shù)個柱塞孔，通過柱塞與斜盤連接，斜盤保持一定傾角，當(dāng)傳動軸帶動缸體轉(zhuǎn)動時，柱塞在柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，缸體轉(zhuǎn)動在0°～180°時，柱塞逐漸從柱塞孔伸出，在柱塞孔中形成負(fù)壓力，此時為吸油過程；180°～360°時為排油過程。這兩個過程均通過配流盤上通油孔完成吸排油。

圖1 斜盤式軸向柱塞泵的工作原理

2 仿真模型的建立

2.1 柱塞的運(yùn)動學(xué)分析

斜盤式軸向柱塞泵柱塞的運(yùn)動主要有兩種：一是缸體繞主軸的旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動取決于電機(jī)驅(qū)動；二是柱塞在缸體柱塞孔中做往復(fù)運(yùn)動。

設(shè)定斜盤傾角為γ，缸體轉(zhuǎn)動角為β，斜盤分度圓半徑為R，以柱頭為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的原始坐標(biāo)系X0Y0Z0繞主軸方向(即X0軸)經(jīng)過缸體旋轉(zhuǎn)β建立新的坐標(biāo)系X1Y1Z1，再繞Z1軸經(jīng)過斜盤傾角γ建立新的坐標(biāo)系X2Y2Z2,根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式[5]：

經(jīng)過變換后的柱頭位置坐標(biāo)

柱塞處的運(yùn)動將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為柱塞的水平方向的往復(fù)運(yùn)動，所以只考慮X2方向位移。

2.2 單個柱塞模型的建立

根據(jù)柱塞泵工作原理，傳動軸驅(qū)動缸體，在斜盤的作用下，使得柱塞在柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動。油液經(jīng)過配流盤的兩個腰型孔分別進(jìn)入和流出的，兩個腰型孔分別是高壓油和低壓油。當(dāng)斜盤傾角變化時，泵的排量也發(fā)生變化。如圖2所示為采用AMESim建立柱塞泵單個柱塞模型。在建立柱塞模型時，考慮腰形孔吸油和排油時進(jìn)入?yún)^(qū)段的三角槽過渡區(qū)域，而三角槽的過流面積與三角槽在配流盤表面的分度圓半徑、開口位置對應(yīng)的中心角以及三角槽溝底棱線與配流盤工作表面的夾角有關(guān)[3]，為了簡化該截面過流面積的變化規(guī)律，在AMESim引入樣條曲線表達(dá)其功能，如圖3所示。而且一個柱塞的吸油和排油的兩個過程是相互獨(dú)立的，且相隔180°，即考慮柱塞泵的配流過程。

圖2 單個柱塞模型

圖3 配流盤的輸入樣條曲線

3 斜盤式柱塞泵仿真整體模型的搭建

如圖4所示，建立研究各個柱塞對整體泵排量、流量、壓力影響的斜盤式軸向柱塞泵模型。將單個柱塞模型做成超級元件，簡化整體模型的復(fù)雜程度。仿真分析的主要參數(shù)見表1。

圖4 斜盤式軸向柱塞泵整體模型

表1 仿真分析的主要參數(shù)

輸入信號0～1 s,輸出信號0.1；1.0～1.2 s，輸出信號從0.1～0.02；1.2～2 s，輸出信號0.02。

4 特性仿真曲線分析

利用所建立的泵模型研究該柱塞泵的各種參數(shù)對泵的流量、壓力的影響情況，并判斷其特性。

4.1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對斜盤式柱塞泵的影響

初步設(shè)定斜盤傾角為7.5°時，分別設(shè)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min、1 000 r/min、1 300 r/min、1 600 r/min、1 900 r/min的工況下，泵的出油口的壓力變化。如圖5顯示，對上述情況的模型進(jìn)行批處理仿真，泵的出油口壓力隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，而且壓力脈動也越來越大。泵的出油口壓力在各種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下都能很快達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)，而且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越大，壓力以及流量的穩(wěn)定狀態(tài)越差，并且振蕩次數(shù)增多，柱塞的磨損加重[6]。由圖5可以看出，該泵在1 300 r/min、1 600 r/min時壓力脈動相對較小，穩(wěn)定狀態(tài)較好，本文之后的研究過程中取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 300 r/min。

圖5 不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的泵出油口壓力

4.2 斜盤傾角對斜盤式柱塞泵的影響

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時，改變斜盤傾角，斜盤式柱塞泵的出口壓力及流量與斜盤傾角的關(guān)系如圖6a表示。斜盤傾角越大，泵的出油口壓力越大，并且壓力脈動越大，穩(wěn)定狀態(tài)越差。所以在設(shè)計斜盤式柱塞泵斜盤傾角不宜過大，其產(chǎn)生的壓力脈動以及沖擊將影響柱塞泵的各部件的使用壽命，加快各部件磨損；如圖6b所示，斜盤傾角越大，出油口的流量也越大，并且流量脈動也越大，穩(wěn)定性也越差，而且流量脈動特別明顯，對泵的壽命將會產(chǎn)生直接的影響。所以選擇泵的斜盤傾角不宜過大，本例中7.5°～10°本范圍內(nèi)的泵出口壓力以及流量最佳。

圖6 不同斜盤傾角下泵出口壓力和流量曲線

4.3 泵的出口處容積對斜盤式柱塞泵的影響

泵出口處的容積越大，液壓油的壓縮性能越好，可以有效的緩沖壓力脈動，進(jìn)而減少由于壓力脈動所引起的噪聲以及磨損問題。如圖7仿真結(jié)果所示，分別為出口容積為1 cm3、10 cm3、30 cm3的出口壓力曲線。

當(dāng)泵出口處的容積增大時，響應(yīng)速度變慢，泵出口處超調(diào)量減小，壓力脈動減小，且振蕩的次數(shù)也減少。

圖7 泵出口容積不同時的輸出壓力曲線

4.4 液壓回路負(fù)載對斜盤式柱塞泵的影響(圖8)

圖8 不同斜盤傾角系統(tǒng)負(fù)載變化對出油口壓力影響曲線

在仿真中研究負(fù)載對泵的壓力影響，通過調(diào)節(jié)節(jié)流孔的直徑來增加負(fù)載，近而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力。如圖8所示，在1 s處系統(tǒng)壓力增大，對應(yīng)的壓力脈動也變大，產(chǎn)生噪聲以及震動也越大，振蕩也越大。脈動將會引起斜盤等各部件的振動引起噪聲。所以工作中必須適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)的壓力，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

綜合發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、斜盤傾角、泵出口處容積以及負(fù)荷對斜盤式柱塞泵的影響分析后，可得到以下結(jié)論：

(1)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高以及斜盤傾角增大，可增大泵平均出口壓力，但是，出口壓力不穩(wěn)定，壓力脈動明顯。

(2)泵出口處的容積會對泵系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生重大影響，出口容積越大，壓力脈動越小，對泵的出口容積設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

(3)系統(tǒng)負(fù)載的增加會增大泵的出口壓力以及壓力脈動，在設(shè)計時要同時考慮二者的影響。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)以及調(diào)整參數(shù)，建立了柱塞泵的系統(tǒng)仿真模型。分析了各種影響斜盤式柱塞泵壓力以及流量的因素，給泵的設(shè)計研發(fā)以及故障診斷提供了條件，縮短實(shí)際測試數(shù)據(jù)和進(jìn)行試驗(yàn)的周期。