王 遠1， 劉 娟1， 呂世君， 聞德生， 趙正鵬

(1. 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西太原 030000； 2. 燕山大學(xué)機械工程學(xué)院， 河北秦皇島 066004)

引言

根據(jù)“雙定子”思想[1-4]設(shè)計了一種雙定子多輸出葉片泵，傳統(tǒng)定量泵是1個定子對應(yīng)1個轉(zhuǎn)子，且僅輸出一種定流量。而該新型泵是1個轉(zhuǎn)子對應(yīng)2個定子，并且1個泵體里又可分為內(nèi)泵和外泵，當(dāng)改變其輸出方式時，可實現(xiàn)1個泵供給多個執(zhí)行機構(gòu)壓力和流量的要求。通過控制液壓閥可以改變雙定子多輸出葉片泵的工作方式，但是隨之卻會造成流量的突變，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的壓力沖擊現(xiàn)象，特別是當(dāng)液壓閥動作頻繁時，這種沖擊將嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的可靠性與壽命，因此雙定子多輸出葉片泵控制單執(zhí)行機構(gòu)的壓力沖擊問題急需解決

1 雙定子多輸出葉片泵工作原理

如圖1所示為多輸出葉片泵工作原理簡圖[5]。

圖1 多輸出葉片泵的工作原理簡圖

圖1中的外定子內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面、相鄰的滾柱連桿組及浮動側(cè)板在轉(zhuǎn)子外側(cè)形成周期變化的密閉容積腔；內(nèi)定子外表面、轉(zhuǎn)子內(nèi)表面、相鄰的滾柱連桿組及浮動側(cè)板在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)形成周期變化的密閉容積腔。8個吸壓油區(qū)分布于獨立的密閉容積腔，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，密封容積腔在吸油區(qū)容積腔逐漸變大進行吸油，密封容積腔在壓油區(qū)容積腔逐漸變小進行壓油，過渡區(qū)將吸油區(qū)和壓油區(qū)分離，再結(jié)合獨立的配油結(jié)構(gòu)，即形成4個獨立的液壓泵。為了便于論述，定義轉(zhuǎn)子外側(cè)的泵為外泵，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的泵為內(nèi)泵，此多輸出葉片泵由2個內(nèi)泵和2個外泵組成，其相關(guān)的符號定義查閱參考文獻[6]，該多輸出葉片泵在不同工作方式下的流量輸出值如表1所示。

由表1可知，多輸出葉片泵在不同組合方式下可以形成8種流量輸出。針對節(jié)流調(diào)速回路，多輸出泵可以根據(jù)液壓缸的不同速度和負載要求切換相應(yīng)的流量層級，使泵輸出的流量和液壓缸所需的流量匹配最佳，從而提高系統(tǒng)效率。

2 系統(tǒng)壓力沖擊仿真分析

如圖2所示為增設(shè)阻尼孔抑制壓力沖擊的原理圖。該系統(tǒng)主要由多輸出泵、溢流閥、防沖擊裝置、換向閥以及液壓缸等組成，其中防沖擊裝置包括1個二位三通換向閥和1個節(jié)流閥。

表1 多輸出泵多級分層流量計算表

圖2 增設(shè)阻尼孔抑制壓力沖擊系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)仿真模型及主要參數(shù)設(shè)置

使用AMESim提供的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫和創(chuàng)建的超級元件搭建液壓控制系統(tǒng)模型[7-9]，如圖3所示。

如表2所示為仿真系統(tǒng)主要參數(shù)。

2.2 液壓管路的壓力沖擊仿真分析

圖3 多輸出泵位置伺服系統(tǒng)仿真模型

表2 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)給定設(shè)置

圖4 不同管路內(nèi)徑對閥口壓力的壓力沖擊

表3 不同管路內(nèi)徑壓力沖擊峰值對比

數(shù)據(jù)分析可知：隨著液壓管路內(nèi)徑的增大，壓力沖擊的峰值會適當(dāng)?shù)臏p小。6 mm的管路阻尼大、流量波動大，其沖擊壓力最大值為17.5 MPa，超出系統(tǒng)壓力7.5 MPa，系統(tǒng)的安全沖擊壓力不允許超過5 MPa，故6 mm 內(nèi)徑是不安全的；對于8 mm和10 mm內(nèi)徑的管路，其沖擊壓力峰值分別為11.3 MPa和11 MPa，穩(wěn)定時間也僅僅差0.01 s，由此可以看出，管路的內(nèi)徑增加可以減少壓力沖擊，但是并不能完全消除，綜合管路的安全性和實用性，選擇10 mm內(nèi)徑管路在系統(tǒng)中進行接下來的分析。

多輸出泵系統(tǒng)不同數(shù)量的內(nèi)外泵接入油路輸出流量時，10 MPa的系統(tǒng)壓力下，選取10 mm內(nèi)徑管路，將防沖擊裝置處于右位，四種流量的壓力沖擊仿真結(jié)果如圖5所示。

2.3 多輸出泵位置仿真分析

系統(tǒng)壓力10 MPa，切換四種泵輸出工況分別為：1個內(nèi)泵、1個外泵、2個內(nèi)泵、1個內(nèi)泵和1個外泵。位置信號為連續(xù)的階梯信號：0.1, 0.2, 0.3, 0.4 m，每個信號持續(xù)5 s；電磁換向閥的最大通流量為63 L/min，固有頻率150 Hz，液壓缸缸筒直徑63 mm，活塞桿直徑35 mm，行程500 mm。整個過程仿真時間為20 s，多輸出葉片泵電液位置系統(tǒng)信號響應(yīng)如圖6所示。

圖5 四種流量在10 mm管路中的壓力沖擊

1.給定信號 2.單內(nèi)泵輸出 3.單外泵輸出 4. 2個內(nèi)泵同時輸出 5. 1個內(nèi)泵和1個外泵輸出圖6 多輸出葉片泵多級電液位置系統(tǒng)信號響應(yīng)

在圖6中，可以看出在4種流量的切換過程中，沒有出現(xiàn)較大的震蕩及超調(diào)現(xiàn)象。在追隨階梯信號的過程中，流量增大，使活塞移動速度加快，如圖7所示，即系統(tǒng)的響應(yīng)時間縮短，基本實現(xiàn)了位置跟隨。

1.單內(nèi)泵輸出 2.單外泵輸出 3. 2個內(nèi)泵同時輸出 4. 1個內(nèi)泵和1個外泵輸出圖7 多輸出泵系統(tǒng)階梯信號速度響應(yīng)

多輸出泵流量多級分層輸出是為了克服定量泵輸出流量單一、在系統(tǒng)平衡位置溫升快和能量浪費的問題。在此位置系統(tǒng)中，模擬一個額定流量為45 L/min的定量泵，與多輸出泵進行平衡位置溢流量對比如圖8所示。

1.定量泵 2.單內(nèi)泵輸出 3.單外泵輸出 4. 2個內(nèi)泵同時輸出 5. 1個內(nèi)泵和1個外泵輸出圖8 定量泵與多輸出泵溢流對比曲線

圖8中，在系統(tǒng)需要的流量相比于定量泵額定值略小時，在平衡位置處多輸出泵和定量泵的溢流相似；當(dāng)系統(tǒng)所需流量相比于定量泵的額定流量小很多時，定量泵有明顯的溢流損失。在實際的工況中面對多級平衡調(diào)節(jié)問題，往往會溢流大量油液來保障系統(tǒng)的整體性能，而多輸出泵多級分層流量既能保障系統(tǒng)的各種工況條件，又能節(jié)約溢流損失，達到節(jié)能的要求。在仿真時，抑制壓力沖擊裝置都處在右位，系統(tǒng)有阻尼孔時電液閥口壓力波動和無阻尼孔時的壓力波動效果對比如圖9所示。

圖9局部放大圖9b～圖9e中可以清楚的看到，阻尼孔對壓力沖擊的響應(yīng)效果：多輸出葉片泵流量多級輸出導(dǎo)致流量驟然變化時，在圖9b中無阻尼孔的瞬間壓力變化為10 MPa，雖然在系統(tǒng)的安全范圍內(nèi)，但超過了壓力沖擊5 MPa的安全線；阻尼口的滯后性使系統(tǒng)的響應(yīng)速度減緩但不超過0.05 s，已經(jīng)達到了要求。在此多輸出泵電液位置伺服系統(tǒng)中，通過模擬仿真選擇了管路內(nèi)徑和阻尼孔，只是初步在仿真階段解決了多輸出泵切換工作方式帶有的壓力沖擊問題，而在實驗中仍然需要重點觀察和考慮。

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3 實驗

為了檢驗多輸出葉片泵切換工作方式時壓力沖擊的抑制效果，搭建多輸出葉片泵電液位置控制系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖和實驗現(xiàn)場圖分別如圖10和圖11所示。

1.有阻尼孔壓力沖擊 2.無阻尼孔壓力沖擊圖9 抑制壓力沖擊裝置效果圖

1.電機 2.多輸出葉片泵 3～6、8.二位三通電磁換向閥 7.溢流閥 9.節(jié)流閥 10.單向閥 11.電液伺服換向閥 12.負載 13.位移傳感器 14.液壓缸 15.工控機 16.過濾器 17.流量計圖10 實驗原理圖

圖11 實驗現(xiàn)場

多輸出葉片泵電液位置系統(tǒng)階梯信號響應(yīng)如圖12所示。

1.給定信號 2.仿真響應(yīng) 3.實驗響應(yīng)圖12 多輸出葉片泵電液位置系統(tǒng)信號響應(yīng)

與仿真響應(yīng)相比，可以看出在四種流量切換過程中，沒有出現(xiàn)較大的震蕩，管路內(nèi)徑和抑制壓力沖擊裝置是有效的；在位置誤差方面，總有0.001～0.002 mm的差距，在響應(yīng)速度方面也有0.2～0.3 s的延遲，誤差率不超過2%，雖有所差距也算正常的情況，初步實現(xiàn)了多輸出葉片泵在電液伺服系統(tǒng)實驗中的精確度要求。其誤差分析有以下幾個方面[11-12]：

(1) 位移傳感器和一些實驗所用的儀器儀表自身精度問題及人為誤差等影響；

(2) 液壓油缸實際工作中存在泄漏；

(3) 油液在管路和元件中的沿程壓力損失；

(4) 控制策略和控制方法較為簡單，精度不足。

多輸出葉片泵流量多級輸出最大的特點就是依據(jù)不同的工況切換流量輸出，與定量泵相比大大減小了溢流損失。實驗研究的多輸出泵電液位置伺服系統(tǒng)中，多輸出泵切換不同的工作方式克服伺服閥口的壓力沖擊實現(xiàn)位置響應(yīng)，各個流量分層階段與定量泵系統(tǒng)相比，平衡狀態(tài)下的溢流量如表4所示。

表4 多輸出泵和定量泵平衡位置溢流對比

從表4中可知，定量泵在系統(tǒng)平衡位置處有大量的溢流損失，造成系統(tǒng)溫升過快，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖13所示，多輸出泵可根據(jù)系統(tǒng)工況提供多級輸出。多輸出泵控系統(tǒng)在每個流量層級響應(yīng)3 s系統(tǒng)穩(wěn)定，切換多輸出泵的工作方式以最小流量層級進行輸出，這樣不僅能夠滿足系統(tǒng)工況的快速性和穩(wěn)定性，還可以將系統(tǒng)的溢流損失降到最低值。

1.定量泵溢流 2.多輸出泵溢流圖13 多輸出泵與定量泵溢流對比

4 結(jié)論

(1) 管路內(nèi)徑尺寸對壓力沖擊的峰值和響應(yīng)時間均有影響，尤其對峰值的影響較大；同一內(nèi)徑的管路能夠適應(yīng)的壓力沖擊是有限的，故在需要考慮流量變化的系統(tǒng)中，要合理匹配管路內(nèi)徑；

(2) 多輸出泵的流量突變引起的壓力沖擊是不可避免的，但可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)管路長度，選擇合理的管路內(nèi)徑，增加常用的輔助元件抑制沖擊，并設(shè)置參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，降低壓力沖擊峰值；

(3) 由于雙定子多輸出泵可以滿足一個定量泵體同時提供多個執(zhí)行機構(gòu)流量和壓力的要求，故該泵對多個執(zhí)行機構(gòu)的壓力沖擊問題尚待研究分析。