李志鵬，李一茹，王君，夏連鵬，權(quán)龍

(太原理工大學(xué)，新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024)

0 前言

泵控系統(tǒng)通過直接控制液壓泵的排量和轉(zhuǎn)速來控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量效率高，被廣泛應(yīng)用于工程自動(dòng)化設(shè)備。根據(jù)直線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)不同，泵控系統(tǒng)可分泵控對(duì)稱液壓缸和泵控非對(duì)稱液壓缸。經(jīng)過近些年的發(fā)展，泵控對(duì)稱缸技術(shù)已經(jīng)十分成熟。然而，泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)因其安裝空間小、輸出力大，在機(jī)械裝備中應(yīng)用前景廣泛，但如何平衡非對(duì)稱液壓缸兩腔流量一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)軸向柱塞泵吸油窗口流量與排油窗口流量相等，需要附加液壓閥、液壓泵等元件來平衡兩窗口的流量差，液壓系統(tǒng)復(fù)雜，能量損失較大。權(quán)龍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將對(duì)稱軸向柱塞泵其中一個(gè)配流窗口改為串聯(lián)布置的兩部分，形成非對(duì)稱軸向柱塞泵，解決了非對(duì)稱液壓缸兩腔面積差造成流量不匹配的問題。文獻(xiàn)[9-10]將非對(duì)稱軸向柱塞泵應(yīng)用到挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)中，具有良好的勢(shì)能回收效果。但非對(duì)稱軸向柱塞泵在兩個(gè)新配流窗口之間會(huì)形成非死點(diǎn)過渡區(qū)域，柱塞通過這一區(qū)域時(shí)，閉死容積較大，困油現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生很大的流量脈動(dòng)和壓力沖擊，對(duì)柱塞泵壽命和系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行造成不利影響，制約了它在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

隨著軸向柱塞泵不斷朝著高壓化、高速化、數(shù)字化方向發(fā)展，解決因流量脈動(dòng)和壓力沖擊引起的振動(dòng)噪聲成為研究熱點(diǎn)。凌鵬等人研究了配流盤偏轉(zhuǎn)角、進(jìn)出三角槽深度角和寬度角等參數(shù)對(duì)泵的壓力流量特性的影響，得出各參數(shù)的最優(yōu)取值。張軍輝等分析了阻尼孔結(jié)構(gòu)和三角槽結(jié)構(gòu)配流盤的振動(dòng)特性，給出了各自的適用范圍和優(yōu)勢(shì)。YE等在過渡區(qū)設(shè)計(jì)兩個(gè)阻尼孔，將兩個(gè)阻尼孔與排油窗口連通，以此來降低軸向柱塞泵的噪聲。FROSINA等在過渡區(qū)設(shè)置一個(gè)油孔，將油孔與外置預(yù)壓縮容器相通以減小流量脈動(dòng)。楊陽(yáng)等人在非對(duì)稱軸向柱塞泵非死點(diǎn)過渡區(qū)綜合應(yīng)用減震三角槽、阻尼孔和等效預(yù)壓縮角3種措施，改善了該位置的配流特性，但油液外泄，造成了不必要的能量損失。

以上研究的研究對(duì)象大多數(shù)為對(duì)稱型軸向柱塞泵，針對(duì)非對(duì)稱軸向柱塞泵減震降噪特性的研究較少。為此，本文作者提出在非對(duì)稱泵配流盤中采用額外油道將非死點(diǎn)過渡區(qū)高壓油預(yù)泄到之上死點(diǎn)過渡區(qū)。并對(duì)所提方案進(jìn)行理論分析，在AMESim軟件中搭建物理仿真模型，對(duì)采用新型配流盤結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱軸向柱塞泵與采用原配流盤的非對(duì)稱軸向柱塞泵的配流特性進(jìn)行比較分析，選出最優(yōu)參數(shù)，以達(dá)到減小泵的流量脈動(dòng)和壓力沖擊的目的。

1 非對(duì)稱軸向柱塞泵配流盤優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 非對(duì)稱配流原理分析

將傳統(tǒng)配流盤其中一個(gè)配流窗口改為串聯(lián)布置的兩部分，得到三配流窗口配流盤。圖1所示為非對(duì)稱軸向柱塞泵配流盤結(jié)構(gòu)及柱塞運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，M區(qū)域?yàn)樯纤傈c(diǎn)過渡區(qū)，N區(qū)域?yàn)橄滤傈c(diǎn)過渡區(qū)，P區(qū)域?yàn)榉撬傈c(diǎn)過渡區(qū)；非對(duì)稱液壓缸無桿腔與非對(duì)稱軸向柱塞泵A配流窗口相連；非對(duì)稱液壓缸有桿腔與非對(duì)稱軸向柱塞泵B配流窗口相連；C配流窗口與低壓蓄能器相連，用來平衡流量。A配流窗口與B配流窗口的柱塞腔排出油液體積之比與非對(duì)稱液壓缸兩腔面積比相同。

圖1 配流盤結(jié)構(gòu)及柱塞運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

建立配流盤平面坐標(biāo)系和柱塞軸向拋面坐標(biāo)系，其中方向?yàn)橹诟左w內(nèi)做周期性直線運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)柱塞通過上死點(diǎn)過渡區(qū)M時(shí)，柱塞轉(zhuǎn)過角度，柱塞在缸體內(nèi)(方向)運(yùn)動(dòng)的直線位移d；當(dāng)柱塞通過非死點(diǎn)過渡區(qū)域P時(shí)，柱塞轉(zhuǎn)過角度，柱塞在缸體內(nèi)(方向)運(yùn)動(dòng)的直線位移d。顯然經(jīng)過非死點(diǎn)過渡區(qū)閉死容積更大，柱塞通過時(shí)造成的流量脈動(dòng)和壓力沖擊更加劇烈，會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和噪聲。與此同時(shí)，當(dāng)柱塞與C窗口連接，腔內(nèi)的高壓油液會(huì)瞬間涌出，油液閉死壓縮后又低壓釋放回蓄能器，能量損失巨大。因此，必須運(yùn)用預(yù)泄措施來減小此影響，優(yōu)化非死點(diǎn)過渡區(qū)結(jié)構(gòu)成為非對(duì)稱軸向柱塞泵性能優(yōu)化的關(guān)鍵。

1.2 三配流窗口配流盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在原配流盤基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到如圖2所示新配流盤結(jié)構(gòu)。與原配流盤相比，分別在上死點(diǎn)過渡區(qū)和非死點(diǎn)過渡區(qū)增設(shè)直徑相同的油孔a、b，在配流盤兩種材料復(fù)合界面開設(shè)與油孔直徑相同的L油道，將油孔a、b連通?？紤]配流盤和柱塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，油孔和油道的半徑范圍設(shè)為0.4～0.8 mm。優(yōu)化后的新配流盤結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒎撬傈c(diǎn)過渡區(qū)P的閉死高壓油排到低壓上死點(diǎn)過渡區(qū)M內(nèi)，不僅僅為柱塞進(jìn)入高壓排油區(qū)B提前預(yù)升壓，為柱塞進(jìn)入低壓排油區(qū)C提前預(yù)降壓，減小了壓力沖擊，而且將非死點(diǎn)過渡區(qū)閉死高壓油液重新用于高壓排油區(qū)B，減小內(nèi)部泄漏和流量脈動(dòng)。

圖2 新配流盤結(jié)構(gòu) 圖3 柱塞分布

本文作者研究的軸向柱塞泵的柱塞數(shù)為9個(gè)(相鄰柱塞間隔40°)，柱塞分布如圖3所示，藍(lán)色部分代表處于低壓的柱塞，則位于吸油窗口A的柱塞有4或5個(gè)；紅色部分代表處于超高壓的柱塞，則位于排油窗口B的柱塞有2或3個(gè)；黃色部分代表處于較高壓的柱塞，則處于排油窗口C的柱塞有2或3個(gè)。根據(jù)上死點(diǎn)過渡區(qū)域和非死點(diǎn)過渡區(qū)域的位置關(guān)系，油孔a應(yīng)該位于配流盤的-10°～20°內(nèi)；油孔b應(yīng)該位于配流盤的80°～110°內(nèi)。當(dāng)非死點(diǎn)過渡區(qū)b油孔與上死點(diǎn)過渡區(qū)a油孔分布角度為80°時(shí)，離開高壓排油口B的柱塞3進(jìn)入非死點(diǎn)過渡區(qū)與油孔b連通，同時(shí)離開低壓吸油口A的柱塞1進(jìn)入上死點(diǎn)過渡區(qū)與油孔a連通，兩個(gè)柱塞通過該油道相通，油液壓力損失和能量消耗最少。

2 基于新型配流盤的柱塞泵仿真模型

在缸體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和斜盤約束的共同作用下，柱塞在缸體內(nèi)做周期性直線運(yùn)動(dòng)，單個(gè)柱塞吸入和排出的流量為

(1)

式中：為節(jié)流流量；為流量系數(shù)；為柱塞轉(zhuǎn)過角度；()為配流面積；為油液密度；為柱塞腔內(nèi)油液壓力；為與柱塞腔相連通的泵出口壓力。

2.1 單柱塞與油孔配流面積

如圖4所示柱塞腔與油孔連通的過程可分為6個(gè)階段，柱塞轉(zhuǎn)到位置處，柱塞腔與油孔接觸；柱塞轉(zhuǎn)到位置處，柱塞腔與油孔開始完全接通；柱塞轉(zhuǎn)到位置處，柱塞腔與油孔完全接通恰好結(jié)束；柱塞轉(zhuǎn)到位置處，柱塞腔與油孔脫離。

當(dāng)柱塞與油孔連通但未完全連通，如圖4(b)、(e)所示，將連通區(qū)域放大，得到圖5。

圖4 柱塞與油孔配流過程

圖5 柱塞與油孔連通放大圖

此時(shí)柱塞與油孔的配流面積公式為

=+

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：為柱塞腔前端弧形半徑;為油孔的半徑;為柱塞腔在配流盤上的分布半徑;Δ表示這一時(shí)刻相對(duì)于圖4(a)(恰好接觸時(shí))轉(zhuǎn)過的角度。

則柱塞與油孔的配流面積為

(5)

2.2 新配流盤結(jié)構(gòu)三配流軸向柱塞泵仿真模型

在AMESim軟件中，建立基于新型配流盤結(jié)構(gòu)的軸向柱塞泵模型，圖6和圖7所示分別為單柱塞仿真模型與泄油通道仿真模型；圖8所示為具有新配流盤的柱塞泵模型，該仿真模型包括電動(dòng)機(jī)模型、斜盤模型、單柱塞模型、配流盤模型等。

圖6 單柱塞仿真模型

圖7 泄油通道仿真模型

圖8 新配流盤結(jié)構(gòu)的柱塞泵整體模型

圖6所示為單柱塞模型，將A、B、C配流面積計(jì)算公式導(dǎo)入MATLAB中計(jì)算，得到不同角度下柱塞腔與配流窗口連通面積數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)化開閉大小的信號(hào)，控制節(jié)流口5、6、7開度，模擬柱塞與配流盤的配流過程。

圖7所示為泄油通道仿真模型，將不同直徑、不同位置的油孔數(shù)據(jù)代入公式(5)中，得到相應(yīng)的泄油通道配流面積公式，再代入MATLAB中求得準(zhǔn)確的配流面積數(shù)據(jù)，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為油孔開度大小的信號(hào)代入AMESim模型中。

3 仿真分析與參數(shù)優(yōu)化

3.1 基本特性分析

圖9為新型配流盤柱塞泵基本特性對(duì)比曲線，=0.232～0.234 s時(shí)柱塞位于上死點(diǎn)過渡區(qū)；=0.246～0.248 s時(shí)柱塞位于非死點(diǎn)過渡區(qū)。新配流盤結(jié)構(gòu)相較于原配流盤結(jié)構(gòu)，非死點(diǎn)過渡區(qū)油液通過油道L流入上死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞內(nèi)，上死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞壓力上升快，柱塞腔內(nèi)油液得以預(yù)升壓；非死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞腔內(nèi)油液得以預(yù)泄壓，流量脈動(dòng)和壓力沖擊大大減??；高壓排油口B的流量脈動(dòng)明顯減小、平均流量上升。

圖9 新型配流盤柱塞泵基本特性對(duì)比曲線

因此，新配流盤結(jié)構(gòu)能夠有效地對(duì)非死點(diǎn)過渡區(qū)域產(chǎn)生的流量脈動(dòng)和壓力沖擊起到減緩的作用，軸向柱塞泵性能會(huì)有很大提升，有利于整個(gè)液壓系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 配流盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

油孔半徑、油孔分布位置和油道長(zhǎng)度是新配流盤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將直接影響新配流盤結(jié)構(gòu)能否以優(yōu)良的特性達(dá)到預(yù)期。但由于上死點(diǎn)過渡區(qū)油孔a與非死點(diǎn)過渡區(qū)油孔b分布角度為80°，油道長(zhǎng)度是定值，將主要研究油孔半徑、油孔分布位置對(duì)柱塞泵性能的影響。

(1)油孔半徑

油孔半徑將直接影響油道流量、流經(jīng)油道壓力損失等。將油孔a、b的位置分別設(shè)置于8°和88°，油孔a、b半徑分別為0.4、0.65、0.8 mm進(jìn)行仿真分析，得到圖10所示油孔半徑影響對(duì)比曲線。

圖10 油孔半徑影響曲線

當(dāng)油孔半徑為0.4 mm時(shí)，油道流量很小，非死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞流量脈動(dòng)和排油口B流量波動(dòng)較大，造成柱塞泵振動(dòng)，不能達(dá)到預(yù)期效果。

當(dāng)油孔半徑為0.8 mm時(shí)，油道流量較大，非死點(diǎn)過渡區(qū)流量脈動(dòng)最小，但排油口B油液沖擊大，會(huì)造成非對(duì)稱液壓缸速度波動(dòng)，不利于液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)油孔半徑為0.65 mm時(shí)，非死點(diǎn)過渡區(qū)的流量脈動(dòng)較小，排油口B的輸出流量平穩(wěn)，達(dá)到了新型配流盤結(jié)構(gòu)預(yù)期的效果。

(2)油孔分布位置

油孔分布位置直接影響柱塞通過油道時(shí)的速度、油道流量等因素。將油孔半徑設(shè)置為0.65 mm，油孔a、b的位置分別在0°和80°、8°和88°、20°和100°時(shí)進(jìn)行仿真分析，得到圖11所示油孔位置影響對(duì)比曲線。

圖11 油孔位置影響曲線

當(dāng)油孔a設(shè)置在0°、油孔b位置在80°時(shí)，此時(shí)油道內(nèi)流量最大，非死點(diǎn)過渡區(qū)流量脈動(dòng)最??；但排油口B部分高壓油液通過柱塞腔與油道相通，使得排油口B流量較低，柱塞泵整體效率降低。

當(dāng)油孔a設(shè)置在20°、油孔b位置在100°時(shí)，柱塞腔內(nèi)流量脈動(dòng)依然很大；在柱塞與油孔相通之后瞬時(shí)，柱塞又與三角槽相連接，三角槽泄壓作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油道預(yù)泄作用，使得油道內(nèi)流量較低，不能有效地將油液重新利用于系統(tǒng)中。

當(dāng)油孔a設(shè)置在8°、油孔b位置在88°時(shí)，非死點(diǎn)過渡區(qū)流量脈動(dòng)較小，上死點(diǎn)過渡區(qū)流量增大，排油口B流量脈動(dòng)也大大減小，平均流量升高。柱塞通過新增油孔時(shí)間與柱塞通過非死點(diǎn)過渡區(qū)時(shí)間相吻合，泄油通道排出的高壓油液重新利用于系統(tǒng)中。

綜上可得，油孔a、b半徑大小為0.65 mm，油孔a設(shè)置在8°、油孔b位置在88°時(shí)，裝配有新型配流盤結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱軸向柱塞泵性能最優(yōu)。

3.3 負(fù)載特性分析

為了驗(yàn)證新配流盤結(jié)構(gòu)的有效性和可行性，對(duì)不同負(fù)載情況下的非對(duì)稱軸向柱塞泵輸出特性進(jìn)行分析。對(duì)排油口B分別加載5、10、15、21 MPa，得到圖12所示不同負(fù)載下柱塞腔內(nèi)流量、壓力特性曲線。

圖12 不同負(fù)載下柱塞腔內(nèi)壓力、流量特性曲線

當(dāng)排油口B負(fù)載較小時(shí)，非死點(diǎn)過渡區(qū)閉死高壓油排到上死點(diǎn)過渡區(qū)，會(huì)造成上死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞腔壓力高于排油口B壓力，當(dāng)柱塞與排油口B完全接通后，造成微小壓力沖擊，但柱塞泵整體特性平穩(wěn)。

當(dāng)排油口B負(fù)載較大時(shí)，非死點(diǎn)過渡區(qū)高壓油排到上死點(diǎn)過渡區(qū)，對(duì)上死點(diǎn)過渡區(qū)油液起到預(yù)升壓作用，柱塞與排油口B完全接通后，壓力無明顯波動(dòng)；對(duì)非死點(diǎn)過渡區(qū)起到預(yù)降壓作用，壓力沖擊大大減小，柱塞泵運(yùn)行平穩(wěn)。

由以上仿真可知，軸向柱塞泵排油口B在不同負(fù)載下，柱塞腔內(nèi)流量轉(zhuǎn)換過程較為平穩(wěn)，柱塞腔內(nèi)壓力波動(dòng)較?。恍屡淞鞅P結(jié)構(gòu)的上死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞腔壓力和非死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞腔的壓力相平衡，對(duì)非死點(diǎn)過渡區(qū)的壓力沖擊起到緩沖的作用，所確定的新型配流盤結(jié)構(gòu)合理。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)非對(duì)稱軸向柱塞泵非死點(diǎn)過渡區(qū)流量脈動(dòng)和壓力沖擊引起的振動(dòng)噪聲問題，提出一種利用油道將非死點(diǎn)過渡區(qū)高壓油預(yù)泄到上死點(diǎn)過渡區(qū)的新型配流盤結(jié)構(gòu)，該方案能對(duì)非死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞起到預(yù)降壓作用，對(duì)上死點(diǎn)過渡區(qū)柱塞起到預(yù)升壓作用，大大減小了柱塞泵的流量脈動(dòng)和壓力沖擊。

(2)對(duì)不同油道參數(shù)進(jìn)行研究，當(dāng)油孔半徑為0.65 mm，位置分布為8°和88°，柱塞通過非死點(diǎn)過渡區(qū)時(shí)，軸向柱塞泵流量脈動(dòng)相對(duì)小，整體的性能較優(yōu)。

(3)對(duì)不同工作負(fù)載下軸向柱塞泵特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明柱塞腔內(nèi)的流量、壓力變化情況較為平穩(wěn)，新配流盤結(jié)構(gòu)能夠保證柱塞泵的平穩(wěn)運(yùn)行。