陳緒林 陳 康 向宏宇 王 康

（1.重慶文理學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，重慶 402160；2.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 402160）

液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和控制的一種傳動(dòng)方式，現(xiàn)已成為工農(nóng)業(yè)及國(guó)防科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化進(jìn)程中不可替代的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)[1]。柱塞式液壓泵是靠柱塞在缸孔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變柱塞缸體內(nèi)的容積來(lái)實(shí)現(xiàn)吸液和排液的液壓泵。它憑借其較高的工作壓力、寬廣的排量覆蓋范圍、較高的容積效率以及多樣的變量方式等優(yōu)勢(shì)，常被用作液壓系統(tǒng)中的核心動(dòng)力和執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)液壓設(shè)備和工程機(jī)械領(lǐng)域。隨著工業(yè)設(shè)備對(duì)液壓元件性能要求的不斷提高，柱塞泵成為液壓泵發(fā)展的主要方向[2]。斜軸式定量柱塞泵具有自吸轉(zhuǎn)速高、工作壓力高、內(nèi)泄漏少、效率高、可靠性高和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于貨船起重機(jī)、掛臂式垃圾車(chē)、翻斗式垃圾車(chē)、木材起重機(jī)、混凝土攪拌機(jī)和相似車(chē)輛等相關(guān)領(lǐng)域。斜軸式柱塞泵的轉(zhuǎn)速輸入軸與缸體呈一定夾角，缸體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)迫柱塞做往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)，從而使柱塞腔容積發(fā)生變化，同時(shí)依靠配流盤(pán)與缸體導(dǎo)流孔的連通與切斷實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的吸入與壓出，完成介質(zhì)的升壓。

1 工作原理

本文的斜軸式定量柱塞泵通過(guò)一對(duì)錐齒輪驅(qū)動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)，特點(diǎn)是傾斜角可以達(dá)到45°，重功率比比有鉸式和無(wú)鉸式大很多。柱塞與柱塞孔密封采用3個(gè)重疊放置的活塞環(huán)密封，減少了柱塞泵的泄露，提高了柱塞泵的容積效率。柱塞與輸入軸通過(guò)球頭與球窩配合，當(dāng)柱塞與輸入軸夾角小于某一特定值時(shí)，柱塞可以裝入或脫離球窩；當(dāng)柱塞與輸入軸夾角大于某一特定值時(shí)，柱塞球頭被輸入軸的球窩鎖緊而連接為一體。柱塞采用球頭連接方式，可以提高泵的轉(zhuǎn)速。泵的殼體采用鋁合金鑄件，具有強(qiáng)度好、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。配流盤(pán)與端蓋做成一體，使整個(gè)泵的結(jié)構(gòu)更緊湊，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

斜軸式定量柱塞泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)柱塞9下行時(shí)，通過(guò)端蓋6上的進(jìn)油腔吸油，實(shí)現(xiàn)本泵吸油過(guò)程；當(dāng)柱塞9上行時(shí)，通過(guò)端蓋6上的出油腔實(shí)現(xiàn)排油過(guò)程。輸入軸旋轉(zhuǎn)一周，每根柱塞都完成一次吸油和排油動(dòng)作。當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，只要將端蓋旋轉(zhuǎn)180°安裝，即可實(shí)現(xiàn)上述吸油和排油過(guò)程。因此，本泵可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。

圖1 斜軸式定量柱塞泵結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓柱塞泵的關(guān)鍵零部件有很多，如柱塞、缸體、斜盤(pán)、配流盤(pán)和滑靴等。因?yàn)槎嗣媾淞魇钱?dāng)前液壓柱塞泵最主要的高效可靠設(shè)計(jì)手段[3]，所以本文僅討論配流盤(pán)上節(jié)流槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)。合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和節(jié)流槽閥口面積，進(jìn)一步研究進(jìn)油口和排油口的通流面積，可以有效指導(dǎo)分析變量泵系統(tǒng)特性，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

2.1 節(jié)流槽尺寸設(shè)計(jì)

漸擴(kuò)形節(jié)流槽的主要特征為截面隨閥口開(kāi)度的變化逐漸變化。V形節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)及閥腔內(nèi)壓力分布分別如圖2和圖3所示，以其閥口面積為例進(jìn)行確定和計(jì)算[4]。

圖2 V形槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 V形槽閥腔內(nèi)壓力分布

V形節(jié)流槽閥口面積AV為：

式中：β為投影角；A2為垂直于配流盤(pán)的閥開(kāi)口處截面積。

2.2 節(jié)流槽面積計(jì)算

工作過(guò)程中，柱塞泵的油液介質(zhì)經(jīng)端蓋上的腰形槽流入或流出柱塞腔。當(dāng)柱塞腔與配流盤(pán)腰形槽上的節(jié)流槽接通時(shí)，由于面積變化極其劇烈，流動(dòng)過(guò)程受到節(jié)流作用的影響十分明顯。

該流動(dòng)過(guò)程滿(mǎn)足：

式中：pi為配流盤(pán)腰形槽內(nèi)油液壓力；Cr為流量系數(shù)；Ar為過(guò)流面積。

在缸體受驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，柱塞腔與端蓋上的腰型槽重疊區(qū)域的面積為過(guò)流面積。缸體旋轉(zhuǎn)一周單個(gè)柱塞腔過(guò)流面積的變化規(guī)律，如圖4所示。隨著柱塞腔和端蓋上的腰型槽接觸面積逐漸增大，過(guò)流面積從逐漸增大的過(guò)渡區(qū)變?yōu)槊娣e恒定的穩(wěn)定區(qū)。由于柱塞周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，高低壓過(guò)渡區(qū)與穩(wěn)定區(qū)呈對(duì)稱(chēng)分布，需要把面積變化曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到仿真模型中，模擬配流面積變化過(guò)程。

圖4 配流盤(pán)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)過(guò)流面積變化情況

3 仿真建模

第一，對(duì)輸入軸施加恒轉(zhuǎn)速模擬電機(jī)對(duì)柱塞泵的作用，利用錐齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)楦左w的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第二，將柱塞腔與端蓋的過(guò)流面積變化規(guī)律曲線(xiàn)無(wú)量綱化后作為面積變化系數(shù)，采用可變節(jié)流孔模擬缸體與端蓋上腰型槽的連通與切斷。第三，將柱塞腔作為可變?nèi)莘e腔連接壓油模塊，實(shí)現(xiàn)模擬缸體與端蓋的配流過(guò)程。第四，通過(guò)連接多個(gè)柱塞腔模型管路，將柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)橹粔毫Φ淖兓?guī)律，進(jìn)而得到整個(gè)系統(tǒng)的壓力變化規(guī)律。由于縫隙泄漏對(duì)系統(tǒng)性能特別是對(duì)容積效率的影響，需要在柱塞腔模型中加入縫隙泄漏模型，在系統(tǒng)模型中加入缸體與端蓋之間的泄漏模型。第五，利用節(jié)流孔模擬柱塞泵負(fù)載。

工程實(shí)踐中常用抗磨液壓油來(lái)保證微縫隙內(nèi)對(duì)介質(zhì)潤(rùn)滑與密封的性能要求。該泵額定壓強(qiáng)為35 MPa，介質(zhì)為L(zhǎng)-HM46號(hào)抗磨液壓油，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 整泵模型仿真參數(shù)表

4 仿真結(jié)果

液壓柱塞泵工作時(shí)，柱塞周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞經(jīng)過(guò)進(jìn)出油過(guò)渡區(qū)時(shí)，柱塞位置和壓力狀態(tài)由與吸油的腰形槽接通改變至與排油的腰形槽連通。此時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力的急劇變化將導(dǎo)致油液介質(zhì)從排油位置倒流到柱塞腔，進(jìn)一步引起液壓柱塞泵出口壓力劇烈脈動(dòng)產(chǎn)生柱塞泵沖擊和噪聲，也會(huì)造成泵的流量脈動(dòng)品質(zhì)下降，減少使用壽命。

對(duì)斜軸式定量柱塞泵的液壓模型進(jìn)行仿真，研究分析柱塞泵的內(nèi)外特性，特別是不同轉(zhuǎn)速和不同軸交角與輸出流量的關(guān)系研究，對(duì)柱塞泵系統(tǒng)性能確定及改進(jìn)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)流體特性的影響

通過(guò)仿真探討定量泵的輸出流量特性和壓力特性與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系，可以獲得液壓柱塞泵在不同轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)性能及變化，為進(jìn)一步分析及優(yōu)化液壓柱塞泵系統(tǒng)性能和匹配不同應(yīng)用場(chǎng)景做出了指導(dǎo)。

為清晰觀察和分析該型液壓柱塞泵轉(zhuǎn)速流量特性，采用保持最大軸交角不變的方法進(jìn)行分析。該型液壓柱塞泵不同轉(zhuǎn)速下的流量輸出特性如圖5所示。

圖5 在不同轉(zhuǎn)速下泵的輸出流量特性

液壓柱塞泵在不同轉(zhuǎn)速下泵的輸出壓力特性，如圖6所示。由圖5和圖6可知，在軸交角為45°的條件下，斜軸式定量柱塞泵輸出流量與壓力實(shí)際瞬時(shí)脈動(dòng)情況與電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速有關(guān)。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，泵的輸出流量及壓力脈動(dòng)越大，達(dá)到平衡的時(shí)間越快，因此要求系統(tǒng)響應(yīng)迅速。

從圖5和圖6可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓力脈動(dòng)與流量脈動(dòng)均逐漸增大，符合柱塞泵的特征。在最高轉(zhuǎn)速下，柱塞泵的輸出流量接近110 L·min-1的理論值。此時(shí)，柱塞泵在35 MPa的平均壓強(qiáng)下壓力波動(dòng)比較小，而流量波動(dòng)稍顯劇烈。一方面，在該工況下柱塞泵轉(zhuǎn)速高且泵的排量大，使柱塞的運(yùn)動(dòng)速率增加；另一方面，柱塞泵的容積腔較大削弱了壓力的脈動(dòng)，造成了流量脈動(dòng)稍大。

圖6 在不同轉(zhuǎn)速下泵的輸出壓力特性

4.2 軸交角對(duì)流體特性的影響

在節(jié)流開(kāi)口一定、轉(zhuǎn)速為2 300 r·min-1的條件下，分析不同軸交角時(shí)液壓柱塞泵的軸交角與系統(tǒng)流量輸出特性、輸出壓力關(guān)系以及該型液壓柱塞泵的變流量調(diào)節(jié)執(zhí)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性。軸交角分別為10°、20°、30°、45°和50°時(shí)，泵的輸出流量特性與輸出壓力特性分別如圖7和圖8所示。

圖7 在不同軸交角下泵的輸出流量特性

圖8 在不同軸交角下泵的輸出壓力特性

由圖7和圖8可見(jiàn)，壓力波動(dòng)的基礎(chǔ)頻率與流量脈動(dòng)的基礎(chǔ)頻率一致，且隨著軸交角的增大，泵的輸出壓力和輸出流量脈動(dòng)性加劇。出口高壓腔的容積較大，使額定轉(zhuǎn)速下柱塞泵的輸出壓力脈動(dòng)較??；泵的泄漏量相比總流量非常小，壓力與流量脈動(dòng)均會(huì)隨著軸交角的增大而增大。根據(jù)不同軸交角下泵的壓力脈動(dòng)情況可知，由于轉(zhuǎn)速不變而排量變大，會(huì)導(dǎo)致柱塞泵的輸入壓力脈動(dòng)隨著軸交角的增大而增加。觀察單個(gè)柱塞腔內(nèi)壓力變化可以發(fā)現(xiàn)，柱塞腔內(nèi)壓力建立初期僅有少量脈動(dòng)，這是由于柱塞配流槽預(yù)設(shè)的三角形減振槽結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)臏p小了壓力沖擊。

圖9為在不同軸交角下泵的配流副泄露量，得知理想狀況下配流副泄露對(duì)整泵的泄露量影響較小。

圖9 在不同軸交角下泵的配流泄露量

在轉(zhuǎn)速為2 300 r·min-1、軸交角為45°時(shí)，柱塞1的位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖10所示?？梢钥闯觯?的運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)和理論計(jì)算曲線(xiàn)一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖10 柱塞1的位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文以斜軸式定量柱塞泵為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作原理。利用性能仿真軟件搭建斜軸式定量柱塞泵仿真模型，在仿真環(huán)境下得到不同轉(zhuǎn)速和不同軸交角時(shí)液壓柱塞泵輸出流量特性與輸出壓強(qiáng)特性的關(guān)系曲線(xiàn)，對(duì)液壓柱塞泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到了很好的啟示作用。因?yàn)榕淞鞅P(pán)設(shè)計(jì)有減振槽結(jié)構(gòu)，所以柱塞腔內(nèi)的壓強(qiáng)沖擊現(xiàn)象并不明顯，可以進(jìn)一步探討減振槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓強(qiáng)脈動(dòng)的影響。