周鵬, 孟利民, 俞向明

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來，液壓傳動在工程機械、鍛壓機械、礦山機械等一系列工程實際中應用越來越廣泛，常見的有葉片泵與柱塞泵[1]。但由于葉片泵受葉片厚度與內部結構的原因，常常伴隨著泄漏與流量脈動的存在[2]，同時徑向柱塞泵的配油軸由于存在脈動徑向力，對此研究出了“平衡液壓力”的設計，但仍然無法使配流軸所受的徑向力完全平衡[3]。受徑向不平衡液壓力的影響,配流軸更加易于磨損,而且影響其壽命。針對這些問題，本文設計了一種新型的組合泵，將柱塞泵設計成雙作用徑向柱塞泵[4]并與雙作用葉片泵相組合起來，并進行仿真模擬，觀察其脈動特性。

1 新型復合泵的結構與工作原理

新型組合泵的結構如圖1所示。電動機帶動傳動軸旋轉，左配油盤與轉子通過連桿隨之轉動，轉子上葉片在離心力的作用下不斷向外伸出，使得葉片與定子內表面組成的密封容腔不斷增大，使油液進入，與此同時葉片底部與轉子之間形成密封腔也在增大，油液從配油軸吸油通道吸入，通過襯套進入密封腔，完成整個組合泵的吸油過程。隨著轉子的轉動，葉片不斷向內收縮，葉片與定子內表面形成的密封腔不斷縮小，從而排出高壓油，葉片的收縮也使得葉片底部與轉子之間的密封腔減小，油液通過襯套向配油軸的排油通道流出，整個裝置完成排油過程。每個葉片在轉動的過程里都是這樣的一個循環(huán)，轉子每轉1轉，組合泵就會進行2次吸油和排油，由于葉片泵與徑向柱塞泵的出口流道路徑不同，所以組合泵出口處的流量不是兩泵流量的簡單相加，而是錯位相加，這樣就可以實現(xiàn)相比較單獨雙作用葉片泵而言，不僅增加流量，也可以降低流量的脈動性。

圖1 復合泵的結構示意圖

2 仿真分析

2.1 雙作用葉片泵的模擬仿真

組合泵中單獨的雙作用葉片泵平均流量計算公式為

式中：B為葉片的寬度；R為定子內曲線長軸半徑；r為定子內曲線短軸半徑；θ為每個葉片傾斜角度；Z為葉片數(shù)量；n為轉速；ηv為容積效率；δ為葉片厚度。

在本次模擬仿真中，設置葉片寬度為10 mm，定子內曲線長軸半徑為32.5 mm，定子內曲線短軸半徑為28.5 mm，葉片傾角為0°，葉片數(shù)量為10片，轉速為1500 r/min，葉片厚度為3 mm，假定葉片泵的容積效率為1，計算出平均流量為Q葉=0.32327 L/s。

理論瞬時流量為處在排油區(qū)的各個工作腔的瞬時流量之和，也可以理解為在忽略泄漏的情況下，轉子轉一圈過程中工作腔的幾何空間變化率減去由葉片本身厚度影響所造成耗油瞬時流量，具體的計算公式為

式中：ω為轉子的角速度；k為處于吸油工作腔的葉片數(shù)；ρ(θ)為定子某一點的矢徑；j為葉片序號；所采用的定子曲線為橢圓曲線。

在Matlab上編寫該函數(shù)得到雙作用葉片泵的理論瞬時流量圖，并與實際流量圖相對比。用軟件SolidWorks建立出三維模型，導入Workbench中進行流體域的提取并劃分，以stl格式保存，最終導入Pumplinx進行模擬。得到雙作用葉片泵出口流量圖如圖2所示。算得的平均流量再計入容積效率與模擬出的流量大致吻合，且模擬的實際瞬時流量圖與理論瞬時流量圖基本吻合，故模擬設置合理，結果正確。

圖2 雙作用葉片泵流量圖

2.2 徑向柱塞泵的模擬仿真

組合泵中單獨的雙作用徑向柱塞泵柱塞一次往復運動，密封腔容積變化量為

式中：S為柱塞面積；l為柱塞行程，一般為R-r。

排量計算公式為

平均流量計算公式為

本次設計中徑向柱塞泵的柱塞為葉片泵的葉片，代入相關數(shù)據(jù)算得當容積效率為1時的平均流量為Q柱=0.06 L/s。

瞬時理論流量為吸油工作腔的每個柱塞的瞬時流量之和，可以用每個柱塞的瞬時速度之和乘以柱塞的面積算出，計算公式為

將計算公式同樣代入Matlab中，模擬出徑向柱塞泵的理論瞬時流量并與實際的瞬時流量相對比。單獨柱塞泵在Pumplinx 中模擬的實際流量結果如圖3所示。算得的平均流量再計入容積效率與模擬流量圖大致吻合，且計算出的理論瞬時流量圖與實際模擬出的流量圖基本吻合，故模擬準確。

圖3 雙作用徑向柱塞泵流量圖

2.3 復合泵的模擬分析

將復合泵的流體域抽取出來，如圖4所示，葉片泵與柱塞泵共用同一個入口與出口，轉子在旋轉時同時帶動2個泵一起工作，轉速都為1500 r/min，設置相同的邊界條件，模擬得到復合泵流量如圖5所示。

圖4 組合泵流體域的建立與模擬

圖5 組合泵模擬流量圖

2.4 模擬仿真結果分析

因為復合泵的主要流量是以雙作用葉片泵的流量為主，故將雙作用葉片泵模擬出的流量圖與復合泵的出口流量圖取出一部分做對比，如圖6所示。由圖6流量曲線圖可得出，與單獨的雙作用葉片泵相比，復合泵的出口處不僅流量增加了，脈動性也相應地變小。

圖6 兩泵流量對比圖

3 結論

本文介紹一種具有葉片特征的徑向異形柱塞泵設計并對其流量進行理論分析與仿真分析。復合泵的流量由雙作用葉片泵與徑向柱塞泵兩部分流量匯集耦合形成。模擬仿真的結果表明復合泵在流量提高的同時，其脈動性能得到有效改善。但泵結構參數(shù)還有待優(yōu)化從而進一步提升復合泵的性能。