韓建磊，崔凱，楊國(guó)璽，楊斌，董梁，楊森，白書(shū)戰(zhàn)

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2.林德液壓(中國(guó))有限公司，山東濰坊 261000)

0 引言

斜盤(pán)式軸向液壓柱塞泵具有工作壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊，在復(fù)雜環(huán)境中也可以保持較高容積效率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低速大扭矩行走機(jī)械、礦山機(jī)械、機(jī)床機(jī)械等的液壓系統(tǒng)中。柱塞泵在吸、壓油過(guò)程中存在周期性的流量脈動(dòng)，是造成震蕩噪聲和泄漏的重要因素之一，流量脈動(dòng)對(duì)泵的性能產(chǎn)生直接影響。因此，有必要對(duì)軸向柱塞泵的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，確定流量脈動(dòng)的影響因素，從而達(dá)到控制流量脈動(dòng)的目的[1]。

a)軸向柱塞泵 b)配流盤(pán) 1—斜盤(pán)；2—柱塞；3—缸體；4—配流盤(pán)；5—傳動(dòng)軸；6—吸油口；7—壓油口圖1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理圖

AMESim液壓仿真軟件可根據(jù)需要方便地建立、分析軸向柱塞泵的模型，可降低試驗(yàn)成本,縮短設(shè)計(jì)周期，對(duì)斜盤(pán)式軸向柱塞泵的設(shè)計(jì)與故障診斷提供技術(shù)支持[2-4]。

1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理

斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理如圖1所示。工作時(shí)，在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下，斜盤(pán)式軸向柱塞泵柱塞在缸體內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞腔內(nèi)的容積不斷變化，從而使柱塞腔內(nèi)的壓力不斷變化，通過(guò)配流盤(pán)的配流完成柱塞泵的吸、排油過(guò)程。改變斜盤(pán)的傾角可改變柱塞泵的排量，改變斜盤(pán)的傾斜方向可改變柱塞泵的吸、排油方向[5-8]。

2 柱塞泵建模

1—電動(dòng)機(jī)；2—負(fù)載；3—角度傳感器；4—角速轉(zhuǎn)換器； 5—活塞位移傳感器；6—活塞腔；7—流量出口；8—流量進(jìn)口； 9—缸體轉(zhuǎn)角模型；10—斜盤(pán)傾角；11—飽和元件；12—信號(hào)源。 圖2 單柱塞泵模型

2.1 單柱塞

圖3 缸體轉(zhuǎn)角模型一維插值表

利用AMESim中多種庫(kù)的組合建立單柱塞泵模型，如圖2所示。主要由4部分組成：配流盤(pán)模型、柱塞模型、將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)模型和控制柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型[9-13]。配流盤(pán)模型包括吸油配流和排油配流模型；柱塞模型包括活塞位移傳感器和帶固定容積的活塞腔；將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)模型由角速轉(zhuǎn)換器控制；控制柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式模型的角度范圍由信號(hào)源和飽和元件控制[14]。

為了模擬斜盤(pán)式軸向柱塞泵配流過(guò)程，根據(jù)三角槽過(guò)流面積公式總結(jié)出不同缸體轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的配流截面過(guò)流面積變化規(guī)律，將其繪制成曲線，如圖3所示，將曲線導(dǎo)入圖2中元件9即可模擬配流盤(pán)吸排油的變化趨勢(shì)。兩個(gè)節(jié)流閥的輸入信號(hào)曲線相位相差180°。

圖4 柱塞泵整體模型

2.2 整體模型

將單柱塞泵模型封裝為超級(jí)元件SC_1，把多個(gè)超級(jí)元件連接在一起組成9個(gè)柱塞的柱塞泵整體模型，如圖4所示[15]。通過(guò)調(diào)試參數(shù)可以得到柱塞數(shù)、斜盤(pán)傾角和轉(zhuǎn)速與流量脈動(dòng)的曲線關(guān)系圖。

3 柱塞泵的仿真分析

對(duì)柱塞泵進(jìn)行仿真分析的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

3.1 不同柱塞數(shù)的流量脈動(dòng)

改變多柱塞泵的柱塞數(shù)目，也就是改變超級(jí)元件的數(shù)目，從而得到柱塞數(shù)目和出口流量脈動(dòng)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)模型的反復(fù)調(diào)試，得到柱塞數(shù)為5～10的柱塞泵的流量脈動(dòng)曲線如圖5、6所示。

表1 柱塞泵主要參數(shù)

圖5 奇數(shù)柱塞的柱塞泵的流量脈動(dòng)幅度曲線

圖6 偶數(shù)柱塞的柱塞泵的流量脈動(dòng)幅度曲線

根據(jù)圖5、6經(jīng)計(jì)算可知，柱塞數(shù)為奇數(shù)5、7、9的流量脈動(dòng)系數(shù)[3]115分別為4.11%、2.76%、1.41%；柱塞數(shù)為偶數(shù)6、8、10的流量脈動(dòng)系數(shù)分別為15.65%、9.72%、2.05%。奇數(shù)柱塞數(shù)的流量脈動(dòng)系數(shù)小于偶數(shù)柱塞數(shù)，和理論計(jì)算所得結(jié)論相符。柱塞數(shù)增多，柱塞泵流量脈動(dòng)系數(shù)均逐漸減小，所以應(yīng)該把柱塞數(shù)控制在9左右，可以使得流量脈動(dòng)系數(shù)最小。

3.2 不同轉(zhuǎn)速的流量脈動(dòng)系數(shù)

改變多柱塞泵模型的參數(shù)，經(jīng)過(guò)調(diào)試得到轉(zhuǎn)速分別為500、1000、2000 r/min的流量脈動(dòng)幅度曲線，如圖7所示。不同阻尼孔直徑和不同轉(zhuǎn)速下的流量脈動(dòng)系數(shù)如表2所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下的流量脈動(dòng)

表2 不同阻尼孔直徑和不同轉(zhuǎn)速下的流量脈動(dòng)系數(shù)

由圖7可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增加柱塞出口的流量逐漸變大，而流量的脈動(dòng)幅度逐漸減小，500 r/min時(shí)流量脈動(dòng)系數(shù)為26.42%；1000 r/min時(shí)為8.27%；2000 r/min時(shí)為3.0%。所以，可以適當(dāng)?shù)卦黾愚D(zhuǎn)速以減小流量脈動(dòng)系數(shù)。

圖8 不同阻尼孔直徑和 不同轉(zhuǎn)速下的流量脈動(dòng)系數(shù)曲線

圖8是流量脈動(dòng)系數(shù)隨阻尼孔直徑和轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)曲線，同樣可看出流量的脈動(dòng)幅度隨轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。在同一轉(zhuǎn)速下，流量脈動(dòng)系數(shù)也隨出口阻尼孔直徑的增大而逐漸變大。因此，若將流量脈動(dòng)幅度控制在一定范圍內(nèi)，需要合理控制出口阻尼孔直徑。

3.3 不同斜盤(pán)傾角下的流量脈動(dòng)

分別取斜盤(pán)傾角為15°、20°、25°、35°和45°進(jìn)行調(diào)試，得出斜盤(pán)傾角與流量脈動(dòng)的關(guān)系如圖9所示。

圖9 斜盤(pán)傾角和流量脈動(dòng)的關(guān)系曲線圖

由圖9可以得出斜盤(pán)傾角為15°、20°、25°、35°和45°時(shí)的流量脈動(dòng)系數(shù)分別為2.6%、2.63%、2.68%、3.4%、5.65%，隨著斜盤(pán)傾角的增大，柱塞泵輸出流量增加，流量脈動(dòng)系數(shù)也相應(yīng)增加。這是因?yàn)樵谥霉ぷ髦?，柱塞泵的壓力和振蕩次?shù)隨著斜盤(pán)傾角的增加而變大，響應(yīng)速度減慢。通過(guò)分析可知，可以適當(dāng)減小斜盤(pán)傾角來(lái)減小流量脈動(dòng)系數(shù)，一般取柱塞泵斜盤(pán)傾角為20°左右。

4 結(jié)論

1)斜盤(pán)式軸向液壓柱塞泵的柱塞數(shù)為偶數(shù)時(shí)流量脈動(dòng)比奇數(shù)時(shí)大，且隨柱塞數(shù)的增加而有所減小，應(yīng)控制柱塞數(shù)為9個(gè)左右。

2)柱塞泵的流量脈動(dòng)在一定范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)速的增加而減?。晦D(zhuǎn)速不變時(shí)，流量脈動(dòng)隨阻尼孔直徑的增大而變大，因此控制轉(zhuǎn)速、阻尼孔直徑的大小均可以減小流量脈動(dòng)。

3)柱塞泵的流量脈動(dòng)隨斜盤(pán)傾角的增大而增大，原因是柱塞泵的壓力和振蕩次數(shù)隨斜盤(pán)傾角的增加而變大。若要減小流量脈動(dòng)系數(shù)，應(yīng)適當(dāng)減小斜盤(pán)傾角，一般取柱塞泵斜盤(pán)傾角為20°左右。