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        恒壓變量柱塞泵斜盤偏心距的計(jì)算與仿真

        2019-06-17 11:19:18
        液壓與氣動(dòng) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:斜盤擺角柱塞

        (中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司設(shè)計(jì)研究所, 陜西西安 710000)

        引言

        恒壓變量柱塞泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位功率密度高、變量機(jī)構(gòu)布置方便等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-5]。對(duì)于恒壓變量柱塞泵而言,當(dāng)配流盤[6-9]采用閉死角和壓縮角,油泵在高壓狀態(tài)下工作時(shí),斜盤上作用有一斜盤負(fù)力矩(規(guī)定使斜盤繞斜盤轉(zhuǎn)軸擺角增大的力矩為正,減小為負(fù))。此斜盤負(fù)力矩將導(dǎo)致斜盤在大角度下出現(xiàn)擺角自動(dòng)減小的現(xiàn)象,使斜盤不能穩(wěn)定的工作。為解決此問題,斜盤轉(zhuǎn)軸軸線往下死點(diǎn)方向偏移一個(gè)距離,增加該偏心距后,可以克服斜盤負(fù)力矩,解決上述問題。因而斜盤偏心距設(shè)計(jì)合理與否是影響柱塞泵在大角度下穩(wěn)定工作的重要因素之一。

        1 斜盤偏心距的理論計(jì)算

        1.1 斜盤偏心距方向和大小確定原則

        斜盤偏心距主要目的是為了調(diào)整柱塞腔液壓力對(duì)斜盤轉(zhuǎn)軸的作用力矩。而要分析斜盤偏心距,需結(jié)合配流盤的結(jié)構(gòu)圖,見圖1。

        圖1 配流盤結(jié)構(gòu)圖

        由圖1配流盤結(jié)構(gòu)圖可以看出,以O(shè)M為排油側(cè)月牙槽的中心對(duì)稱線,存在閉死角后,在沒有偏心距時(shí),排油側(cè)柱塞腔油液作用力的合力矩的力臂將在OM線上,此時(shí)排油側(cè)柱塞腔液壓作用力矩是個(gè)負(fù)力矩,它的存在將導(dǎo)致斜盤往角度變小的方向偏轉(zhuǎn)。為了平衡斜盤的這種轉(zhuǎn)動(dòng)傾向,我們可以將斜盤的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行偏置,具體見圖2所示。

        圖2 偏心距示意圖

        由圖2可以看出斜盤的轉(zhuǎn)軸往下死點(diǎn)位置偏移一個(gè)距離a,這樣柱塞腔油液的負(fù)作用力矩將被克服,從而使斜盤保持在大角度下工作。

        在確定了偏心距的方向后,對(duì)其大小也有一定的限制,其前提是保證泵在最大壓力下工作時(shí)的斜盤力矩等于0,能夠穩(wěn)定在最大角度,只要最大壓力滿足,最小壓力亦能滿足。

        1.2 斜盤偏心距的計(jì)算

        本研究斜盤偏心距的計(jì)算主要考慮柱塞腔液壓力對(duì)斜盤力矩的影響。柱塞在配流盤旋轉(zhuǎn)360°過程中會(huì)經(jīng)過預(yù)壓縮區(qū)、高壓區(qū)、預(yù)膨脹區(qū)、低壓區(qū)4個(gè)區(qū)域。

        在預(yù)壓縮區(qū)范圍內(nèi)即α1≤θ≤α2:

        (1)

        式中,h—— 柱塞行程,mm

        D—— 轉(zhuǎn)子分布圓直徑,mm

        β—— 斜盤擺角,(°)

        θ—— 柱塞在配流盤上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,(°)

        γ—— 斜盤交錯(cuò)角,(°)

        (2)

        式中,hmax—— 柱塞最大行程,mm

        α1—— 預(yù)壓縮區(qū)起始角度,(°)

        則在預(yù)壓縮范圍內(nèi)的壓力:

        (3)

        在高壓區(qū)范圍即α2<θ≤α3

        p=ps

        (4)

        式中,ps為泵的出口壓力,MPa。

        在預(yù)膨脹范圍內(nèi)即α3≤θ≤α4

        (5)

        式中,h1—— 柱塞在α3角度下行程,mm

        α3—— 預(yù)膨脹區(qū)起始角度,(°)

        則在預(yù)膨脹范圍內(nèi)的壓力:

        (6)

        在低壓區(qū)范圍即α4<θ≤360°+α1

        p=pin

        (7)

        式中,pin為泵的進(jìn)口壓力,MPa。

        則由式(1)~式(7)可以得到單個(gè)柱塞在配流盤旋轉(zhuǎn)360°過程中每個(gè)角度下壓力,見圖3。

        由圖3可以看出單個(gè)柱塞在旋轉(zhuǎn)360°過程中,在預(yù)壓縮區(qū),壓力升高,然后與高壓區(qū)接通,壓力達(dá)到最大值,在預(yù)膨脹區(qū)壓力降低,與低壓區(qū)接通,壓力達(dá)到最小值。

        圖3 單個(gè)柱塞旋轉(zhuǎn)360°壓力圖

        通過以上分析可計(jì)算出單個(gè)柱塞在旋轉(zhuǎn)360°過程中每個(gè)角度下的力矩:

        (8)

        式中,M—— 單個(gè)柱塞力矩,N·m

        d—— 柱塞直徑,mm

        a—— 斜盤的偏心距,mm

        則Z個(gè)柱塞的平均力矩為:

        (9)

        Z—— 柱塞數(shù)

        pi—— 第i個(gè)柱塞的壓力值,MPa

        θi—— 第i個(gè)柱塞的轉(zhuǎn)角,(°)

        (10)

        通過圖4、圖5的仿真模型,設(shè)置轉(zhuǎn)子分布圓直徑D,斜盤擺角β等相關(guān)參數(shù),進(jìn)行仿真運(yùn)算可以得到斜盤偏心距a的值。

        圖4 Simulink子系統(tǒng)

        圖5 偏心距的Simulilnk仿真模型

        2 斜盤偏心距取值影響因素分析

        2.1 轉(zhuǎn)子分布圓直徑對(duì)斜盤偏心距的影響

        通過改變Simulink仿真模型中轉(zhuǎn)子分布圓直徑參數(shù)的取值,可以得到轉(zhuǎn)子分布圓直徑與斜盤偏心距的關(guān)系圖,見圖6。

        圖6 轉(zhuǎn)子分布圓直徑與斜盤偏心距的關(guān)系圖

        由圖6可以看出隨著轉(zhuǎn)子分布圓直徑的增大,斜盤偏心距的取值增大。

        2.2 斜盤擺角對(duì)斜盤偏心距的影響

        通過改變Simulink仿真模型中斜盤擺角的取值,可以得到斜盤偏心距與斜盤擺角的關(guān)系圖,見圖7。

        圖7 斜盤擺角與斜盤偏心距的關(guān)系圖

        由圖7可以看出隨著斜盤擺角的增大,斜盤偏心距的取值增大。

        3 實(shí)例驗(yàn)證

        以某型產(chǎn)品為例,相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,按照上述斜盤偏心距計(jì)算公式和仿真模型求得斜盤偏心距,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

        表1 某型產(chǎn)品計(jì)算斜盤偏心距的相關(guān)參數(shù)

        3.1 實(shí)例斜盤偏心距的計(jì)算

        通過表1可以得到單個(gè)柱塞在配流盤旋轉(zhuǎn)360°過程中每個(gè)角度下壓力值,見圖8。

        從圖8可以看出在預(yù)壓縮區(qū)(-2°~3°),油液被壓縮使壓力升高至21 MPa,然后與排油側(cè)接通,在3°~178°范圍內(nèi),保持壓力21 MPa,在預(yù)膨脹區(qū)(178°~185°),油液被膨脹使壓力從21 MPa減小至0.44 MPa,并與吸油側(cè)接通,在185°~358°范圍內(nèi),保持壓力0.44 MPa。

        圖8 某型產(chǎn)品單個(gè)柱塞旋轉(zhuǎn)360°壓力圖

        同時(shí)通過把表1的數(shù)據(jù),輸入Simulink仿真模型中,可得到斜盤偏心距隨角度變化圖,見圖9。

        圖9 某型產(chǎn)品斜盤偏心距隨轉(zhuǎn)角變化圖

        從圖9可以看出,斜盤偏心距的值不隨柱塞轉(zhuǎn)角的變化而變化,而是一個(gè)定值,該型產(chǎn)品的斜盤偏心距的值為0.8 mm。

        3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        該產(chǎn)品斜盤偏心距的值按0.8 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造,整機(jī)按照飛機(jī)變量液壓泵通用規(guī)范進(jìn)行了100 h壽命考核試驗(yàn),試驗(yàn)過程中一切正常,未出現(xiàn)斜盤擺角自動(dòng)減小的現(xiàn)象。試驗(yàn)完成后整機(jī)進(jìn)行了分解計(jì)量,斜盤工作表面磨損0.001 mm,斜盤擺臂磨損0.001 mm,均在正常磨損范圍內(nèi),見圖10。

        3.3 多型產(chǎn)品的斜盤偏心距取值

        斜盤偏心距的取值需在一個(gè)合理范圍內(nèi),應(yīng)用以上計(jì)算方法對(duì)現(xiàn)有8型產(chǎn)品進(jìn)行了斜盤偏心距的計(jì)算

        圖10 100 h壽命考核后斜盤分解照片

        復(fù)核,斜盤偏心距的設(shè)計(jì)值與計(jì)算值一致,并且該8型產(chǎn)品均進(jìn)行了壽命考核,其結(jié)果見表2。

        表2 多型產(chǎn)品的斜盤偏心距取值表

        通過表2可以看出,8型產(chǎn)品的斜盤偏心距在0.5~3 mm之間,同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),得到了斜盤偏心距的合理取值范圍,范圍為0.5~3 mm。

        4 結(jié)論

        (1) 從理論計(jì)算到仿真建模并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,為斜盤偏心距的設(shè)計(jì)提供了一種方法;

        (2) 轉(zhuǎn)子分布圓直徑和斜盤擺角對(duì)斜盤偏心距的數(shù)值均有影響,隨著轉(zhuǎn)子分布圓直徑增大,斜盤偏心距增大,隨著斜盤擺角增大,斜盤偏心距增大,但是斜盤偏心距的取值需在一個(gè)合理范圍內(nèi),其取值一般在0.5~3 mm之間。

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