(1.海裝駐武漢地區(qū)第一軍事代表室，湖北 武漢 430060；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036)

引言

近年來，隨著全球工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染、能源危機(jī)、氣候變暖等問題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排已成為全球發(fā)展共同的關(guān)注點(diǎn)。液壓傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。但常規(guī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)往往效率低下，以工程機(jī)械挖掘機(jī)為例，其效率僅約為20%[1]，其中液壓傳動(dòng)系統(tǒng)效率僅為35%。

液壓節(jié)能技術(shù)研究一直是國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。目前，液壓元件被認(rèn)為已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)比較成熟的階段，效率的進(jìn)一步提高有限。而常規(guī)的液壓節(jié)能技術(shù)的研究主要從節(jié)流式節(jié)能技術(shù)、容積式節(jié)能技術(shù)以及能量再生技術(shù)[2-5]等三方面展開。

1) 節(jié)流式節(jié)能技術(shù)

液壓節(jié)流式節(jié)能技術(shù)主要包括負(fù)流量、正流量[2]、負(fù)載敏感[3]、新型流量匹配控制[4-6]、負(fù)載口獨(dú)立調(diào)節(jié)[7-8]、高速開關(guān)閥液壓系統(tǒng)[9-11]、矩陣液壓系統(tǒng)[12-14]等。

2) 容積式節(jié)能技術(shù)

容積式節(jié)能技術(shù)主要包括泵控液壓系統(tǒng)[15-16]、基于液壓變壓器的液壓系統(tǒng)[17]等。容積式節(jié)能技術(shù)采用變排量、變轉(zhuǎn)速以及變排量和變轉(zhuǎn)速復(fù)合控制等方法，較節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)取消了閥控所造成的節(jié)流損失，被認(rèn)為是最有前景的節(jié)能技術(shù)之一。

目前國內(nèi)外針對(duì)液壓系統(tǒng)，尤其是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究主要從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，而目前基于常規(guī)的閥控或泵控等系統(tǒng)盡管在一定程度上提高了系統(tǒng)的節(jié)能性，但節(jié)能空間有限。

液壓泵作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)液能轉(zhuǎn)化單元，是液壓系統(tǒng)的核心部件。柱塞泵因具有功率密度大和壓力等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種液壓傳動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的柱塞泵一般采用1個(gè)缸體同時(shí)集成多個(gè)柱塞，多個(gè)柱塞通過缸體耦合在一起，不能獨(dú)立控制，多個(gè)柱塞只能按某特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，共同完成吸油和排油。在工作過程中，存在高效區(qū)域無法隨負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整和單液壓泵不能同時(shí)輸出多級(jí)壓力匹配不同負(fù)載需求的缺點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)液壓泵的不足，提出一種矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，將傳統(tǒng)集成在一個(gè)缸體內(nèi)的多個(gè)柱塞解耦成獨(dú)立的單柱塞泵，并按m×n階的矩陣進(jìn)行布置。每行由m個(gè)單柱塞泵并聯(lián)進(jìn)行流量疊加，每列由n個(gè)單柱塞泵串聯(lián)進(jìn)行壓力疊加。其中每個(gè)單柱塞泵為獨(dú)立控制。該新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 矩陣式布置的多單柱塞泵液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)載流量和壓力需求，對(duì)每行的單柱塞泵進(jìn)行并聯(lián)組合及分布式控制以滿足不同負(fù)載的流量需求，對(duì)每列單柱塞泵進(jìn)行串聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)壓力等級(jí)和負(fù)載壓力的匹配。同時(shí)可根據(jù)負(fù)載實(shí)際工作點(diǎn)，通過對(duì)各單柱塞泵的不同拓?fù)浣M合動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)矩陣式布置多單柱塞泵的高效區(qū)域，進(jìn)而保證實(shí)際工作點(diǎn)始終處于高效區(qū)；

(2) 對(duì)單柱塞泵進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。實(shí)際工作中，若有單柱塞泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍可通過單柱塞泵的重組繼續(xù)工作，且該單柱塞泵可直接進(jìn)行替換，具有很強(qiáng)的可替換性。

針對(duì)新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展的前期探索研究，分析單柱塞泵中機(jī)械-流量-壓力耦合特性和流量壓力輸出特性，為新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

圖1 新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1 單柱塞泵結(jié)構(gòu)組成與工作原理

如圖2所示，單柱塞泵主要包括動(dòng)力單元、傳動(dòng)單元、單柱塞泵以及配油單元。工作過程中，動(dòng)力單元通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)單柱塞泵活塞桿往返運(yùn)動(dòng)，結(jié)合吸油配油單元實(shí)現(xiàn)柱塞泵一側(cè)被動(dòng)吸油，另一側(cè)主動(dòng)排油，如此往復(fù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為分析單柱塞泵的流量特性，首先建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。

圖2 單柱塞泵

動(dòng)力單元的轉(zhuǎn)速響應(yīng)可用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行表示：

(1)

式中，na—— 動(dòng)力單元實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速

ni—— 動(dòng)力單元目標(biāo)轉(zhuǎn)速

τ—— 動(dòng)力單元的時(shí)間常數(shù)

傳動(dòng)單元的傳遞函數(shù)可表達(dá)為為：

vc=f(s)na

(2)

式中，vc—— 傳動(dòng)單元直線輸出速率

f(s) —— 傳動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)變化關(guān)系

吸油腔側(cè)的流量壓力方程可以表達(dá)為：

(3)

式中，A—— 單柱塞泵有效面積

Qc—— 吸油流量

Vc—— 吸油腔容積

β—— 彈性模量

C1—— 泄漏系數(shù)

p1—— 吸油腔側(cè)壓力

吸油排油采用單向閥進(jìn)行控制，假定單向閥閥芯預(yù)壓緊量為0，因此，其閥芯位移流量方程可簡單的表示為：

Qc=Kxx+Kpp1

(4)

式中，x—— 閥芯位移

Kx—— 流量系數(shù)

Kp—— 壓力系數(shù)

而閥芯的的力平衡方程可表示為：

p1At=kxx

(5)

式中，At—— 閥芯有效作用面積

kx—— 彈簧剛度

通過以上傳遞函數(shù)，可以推導(dǎo)出單柱塞泵吸油過程，吸油流量和動(dòng)力單元輸入轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

KxAt+Kpkx

(6)

由于動(dòng)力單元采用電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很小。因此，單柱塞泵吸油流量和動(dòng)力單元輸入轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系可簡化為:

(7)

從上述公式可以發(fā)現(xiàn)，單柱塞泵吸油過程，其吸油流量與動(dòng)力單元輸入轉(zhuǎn)速關(guān)系可等效一階慣性環(huán)節(jié)，在吸油過程中其時(shí)間常數(shù)主要受傳動(dòng)單元、單向閥的彈簧剛度、閥開口面積影響。當(dāng)單向閥的彈簧剛度或通流面積較小時(shí)，被動(dòng)吸油過程的時(shí)間常數(shù)較大，單柱塞泵在高速運(yùn)行過程中很難保證充分的吸油。因此，為保證單柱塞泵的高速運(yùn)行時(shí)的有效吸油，應(yīng)盡可能降低單向閥的彈簧剛度或增加單向閥的通流面積。

排油過程中的排油流量和動(dòng)力單元輸入轉(zhuǎn)速關(guān)系與吸油過程類似。但與吸油過程不同的是，排油過程為活塞腔主動(dòng)壓縮排油，因此，系統(tǒng)的排油流量主要取決于吸油過程從油箱所吸收液壓油、動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)載。

因此，對(duì)于單柱塞泵吸油排油過程影響其流量輸出的主要因素是動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和吸油過程的單向閥彈簧剛度以及通流能力。此外，上述理論分析，假定單向閥預(yù)壓緊量為0，忽略了單向閥開啟壓力的影響，在實(shí)際工作過程中，單柱塞泵的吸油還受單向閥開啟壓力的影響。

2 單柱塞泵的仿真研究

為分析單柱塞泵在進(jìn)行吸油排油過程的機(jī)械壓力流量耦合特性，在AMESim建立系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

圖3 單柱塞泵仿真模型

其中，動(dòng)力單元采用仿真軟件工具箱中的電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)單元采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，單柱塞泵和配油補(bǔ)油單向閥均采用原件級(jí)進(jìn)行建模搭建仿真系統(tǒng)。泵出口采用溢流閥進(jìn)行負(fù)載模擬加載。

首先研究單向閥彈簧剛度對(duì)單柱塞泵流量的影響，設(shè)定吸油排油過程，2個(gè)單向閥的彈簧系數(shù)一致。動(dòng)力單元速度按階躍信號(hào)給定，呈方波形式輸入。如圖4所示為不同彈簧剛度情況下，單柱塞泵的排油情況。

圖4 不同單向閥彈簧剛度單柱塞泵流量

從圖4可看出，由于單柱塞泵中活塞桿為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，在活塞桿換向過程，單柱塞泵流量出現(xiàn)較大的波動(dòng)。而當(dāng)活塞桿在勻速運(yùn)動(dòng)過程中，單柱塞泵輸出流量較為平穩(wěn)。同時(shí)，不同的彈簧剛度對(duì)單柱塞的流量輸出影響較大。當(dāng)彈簧剛度設(shè)定較小時(shí)，單柱塞泵的流量波動(dòng)小。當(dāng)單向閥彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵輸出流量會(huì)出現(xiàn)較長時(shí)間的斷流現(xiàn)象。通過分析，造成斷流的主要原因是由于吸油過程單向閥彈簧剛度設(shè)定過大，單向閥開啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間延長，單柱塞泵活塞在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸油腔無法實(shí)現(xiàn)充足的吸油，進(jìn)而導(dǎo)致該腔在排油階段初始階段無流量流出。

為進(jìn)一步提高單柱塞泵的吸油能力，并穩(wěn)定單柱塞泵的流量輸出波動(dòng)，在單柱塞泵的進(jìn)油口和出油口配置高低壓蓄能器，對(duì)單柱塞泵的流量輸出特性進(jìn)行仿真研究，仿真系統(tǒng)如圖5所示。

仿真曲線如圖6所示，為當(dāng)單向閥彈簧剛度較大時(shí)，為單柱塞泵進(jìn)出口處分別配置低壓和高壓蓄能器情況下，單柱塞泵的流量壓力輸出曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在為系統(tǒng)配置蓄能器后，即使單向閥彈簧剛度較大，單柱塞泵的吸油仍可充分完成。單柱塞泵的流量輸出較為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

3 單柱塞泵的實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證單柱塞泵的流量壓力特性，搭建了單柱塞泵流量壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖7所示，系統(tǒng)中動(dòng)力單元采用伺服電機(jī)，傳動(dòng)單元采用滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)系統(tǒng)配置相應(yīng)的壓力傳感器測(cè)試單柱塞泵進(jìn)油和出油口壓力，配置流量傳感器測(cè)試單柱塞泵出口流量。

圖5 帶高低壓蓄能器的單柱塞泵仿真系統(tǒng)

圖6 壓力流量輸出曲線

圖7 單柱塞泵流量測(cè)試單元

圖8所示為單柱塞泵不配置進(jìn)出口蓄能器情況，且單向閥的彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵的輸入輸出曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)未采用蓄能器，且單向閥彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵的流量出現(xiàn)長時(shí)間斷流現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。

圖8 單柱塞泵輸入輸出曲線(無蓄能器+單向閥大彈簧剛度)

圖9所示為單柱塞泵不配置進(jìn)出口蓄能器情況，且取消單向閥的彈簧時(shí)，單柱塞泵的輸入輸出曲線。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未采用蓄能器，且單向閥取消彈簧時(shí)，單柱塞泵的流量不會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間斷流現(xiàn)象。但在活塞桿換向時(shí)，存在流量波動(dòng)。

圖9 單柱塞泵輸入輸出曲線(無蓄能器+單向閥取消彈簧)

圖10所示為單柱塞泵配置進(jìn)口蓄能器情況，且單向閥彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵的輸入輸出曲線。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用進(jìn)口蓄能器，且單向閥彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵的流量不會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間斷流現(xiàn)象。但在活塞桿換向時(shí)，仍出現(xiàn)流量波動(dòng)。

通過上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，單柱塞泵的輸出流量由于活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)在活塞桿換向過程出現(xiàn)流量波動(dòng)，而流量波動(dòng)的大小主要受吸油過程影響。當(dāng)柱塞泵吸油充足時(shí)輸出流量波動(dòng)較小，當(dāng)無法充分吸油時(shí)輸出流量會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。而影響單柱塞泵吸油的主要因素是補(bǔ)油單元中的單向閥，當(dāng)單向閥的彈簧剛度較小時(shí)，單柱塞泵可較好完成吸油。

圖10 單柱塞泵輸入輸出曲線(進(jìn)油蓄能器+單向閥大彈簧剛度)

圖11所示為單柱塞泵配置進(jìn)出口蓄能器情況，且單向閥彈簧剛度較大時(shí)，單柱塞泵的輸入輸出曲線。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用出口蓄能器時(shí)，單柱塞泵的流量可以有效平穩(wěn)地輸出，與仿真結(jié)果所得結(jié)論一致。

圖11 單柱塞泵輸入輸出曲線(出油蓄能器+進(jìn)油蓄能器+單向閥大開啟壓力)

通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單柱塞泵在工作過程中，通過配置出口蓄能器，可較好穩(wěn)定單柱塞泵流量輸出波動(dòng)。

4 結(jié)論

針對(duì)單柱塞泵的流量壓力輸出特性進(jìn)行研究，是對(duì)矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的前期探索性研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，單柱塞泵在單獨(dú)工作時(shí)，通過合理設(shè)置配油單元或采用蓄能器提高進(jìn)油口壓力均可以較好的保證單柱塞泵流量輸出對(duì)活塞桿運(yùn)動(dòng)的跟隨特性。但在活塞桿換向時(shí)存在流量波動(dòng)，單柱塞泵在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)，可通過配置蓄能器作為恒壓源驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。而應(yīng)用于矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可通過每行單柱塞泵的協(xié)同控制，降低甚至消除流量輸出波動(dòng)。通過多列單柱塞泵協(xié)同控制，可產(chǎn)生多級(jí)壓力輸出，匹配負(fù)載需求。針對(duì)矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究將在后續(xù)工作中開展。