黃忠華,吳文俊,霍其康,仉志強(qiáng)

(1.廣東科達(dá)液壓技術(shù)有限公司,廣東 佛山 528313;2.晉西鐵路車輛有限責(zé)任公司,太原 030024;3.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;)

比例變量泵的排量調(diào)節(jié)方式劃分為位置直接反饋式變量和位移-力反饋式變量[1]。其中位移-力反饋方式是通過變量缸活塞的位移推動(dòng)彈簧產(chǎn)生變形力,從而帶動(dòng)反饋桿驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥在力平衡條件下關(guān)閉閥口,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量活塞的精確定位[2]。

宋建安等人[3]對(duì)電液比例控制泵的變量機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。吳志明等人[4]基于AMESim和ADAMS聯(lián)合仿真分析了影響變量機(jī)構(gòu)控制以及響應(yīng)特性的主要因素。張婉茹等人[5]對(duì)恒壓變量泵控系統(tǒng)進(jìn)行研究,分析了影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素。陳緒林等人[6]基于HyPneu分析了柱塞副耦合間隙對(duì)柱塞泵容積效率的影響,并對(duì)A10V柱塞泵進(jìn)行了優(yōu)化,容積效率得到了提高。鄒姜昆等人[7]研究了介質(zhì)壓縮性對(duì)柱塞泵泄漏的影響,結(jié)果表明,壓力和密封間隙越大,容積效率越低,泄漏越大。張哲等人[8]基于ANSYS仿真分析了柱塞泵在不會(huì)造成“卡死”以及容積效率下降情況下的最佳的柱塞副間隙。

上述研究沒有直接對(duì)大規(guī)格液壓閥的閥芯和閥孔的配合間隙進(jìn)行研究,特別是閥芯桿長(zhǎng)比較大的應(yīng)用工況。本文結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),綜合得出對(duì)后續(xù)同類產(chǎn)品具有指導(dǎo)意義的配合間隙數(shù)據(jù)。

1 泵變量原理

液控式位移-力反饋比例變量泵工作原理圖如圖1所示,該泵主要由主泵、變量反饋桿、機(jī)液伺服變量先導(dǎo)閥組成,其中A、B口為液壓泵高低壓工作油口,X1和X2先導(dǎo)壓力油口,P為控制壓力油口。在機(jī)液伺服變量先導(dǎo)閥處,通過改變X1和X2的先導(dǎo)壓力差,推動(dòng)伺服閥閥芯左右運(yùn)動(dòng),改變進(jìn)入非對(duì)稱變量缸的油液總量,變量油缸向相應(yīng)的方向移動(dòng),從而推動(dòng)變量斜盤產(chǎn)生位移,完成液壓泵的變量動(dòng)作[9]。

圖1 比例變量泵原理圖Fig.1 Schematic diagram of proportional variable pump

機(jī)液伺服變量控制閥為正開口式滑閥,該閥的兩端分別由控制壓力X1和X2驅(qū)動(dòng)控制,閥芯兩端安裝有參數(shù)相同的兩個(gè)復(fù)位彈簧,閥芯兩端直徑相等且中間包含一個(gè)由閥套、兩個(gè)單向運(yùn)動(dòng)的滑塊、中心復(fù)位彈簧組成的定心機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)能夠使閥芯在左右移動(dòng)時(shí),提供對(duì)稱的彈簧力;當(dāng)先導(dǎo)控制壓力信號(hào)丟失時(shí),伺服閥通過內(nèi)置的中心復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)回?cái)[至中位。當(dāng)閥芯左右運(yùn)動(dòng)時(shí),壓力右端分別連通恒壓端P和回油壓力T;并且采用了閥芯限位裝置將閥芯運(yùn)動(dòng)范圍限制在-3 mm～3 mm內(nèi)。

2 泵變量機(jī)構(gòu)

變量機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)容積調(diào)速的核心機(jī)構(gòu)之一,其工作穩(wěn)定性對(duì)容積調(diào)速系統(tǒng)的性能影響較大,合理的變量機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變量泵穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)[4]。位移-力反饋式比例變量泵變量機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制閥及變量油缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of control valve and variable cylinder

圖3 伺服閥關(guān)鍵配合的局部放大圖Fig.3 Locally enlarged view of key fit of servo valve

圖2中,變量油缸小腔在工作中一直處于高壓狀態(tài),變量油缸的大腔與高壓油的油壓狀態(tài)取決于機(jī)液伺服閥的工作狀態(tài)。當(dāng)反饋桿反饋的彈簧力數(shù)值與控制閥的左右腔的壓力差值一致時(shí),變量油缸處于穩(wěn)定狀態(tài)。在此結(jié)構(gòu)中,變量反饋桿和機(jī)液伺服先導(dǎo)閥的配合精度是影響液壓泵變量精度的關(guān)鍵因素。由于機(jī)液伺服先導(dǎo)閥的閥芯較長(zhǎng)(閥芯全長(zhǎng)275 mm),當(dāng)配合精度要求較高時(shí),其精度不容易保證。因此,解決該伺服閥較長(zhǎng)閥芯引起的配合精度問題是變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。伺服閥閥芯過長(zhǎng)造成配合精度較差,會(huì)影響閥芯運(yùn)動(dòng)靈活性,為了解決該問題,適當(dāng)增加配合間隙。

3 泵變量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

液壓泵變量機(jī)構(gòu)的閥芯與閥套配合間隙影響液壓泵的變量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性,而液壓泵的變量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性決定了液壓泵響應(yīng)特性[10]。采用AMESIM建立液壓柱塞泵的動(dòng)態(tài)特性仿真模型[11],如圖4所示。

圖4 柱塞泵動(dòng)態(tài)特性仿真模型Fig.4 Simulation model of dynamic characteristics of piston pump

該模型主要分析閥芯運(yùn)動(dòng)的配合間隙對(duì)液壓泵變量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。該模型中Clearance模塊分析配合間隙對(duì)變量系統(tǒng)的影響規(guī)律,f(x)模塊用來模擬液壓泵變量機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間。該仿真模型中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 變量控制閥主要參數(shù)Tab.1 Variable control valve main parameters

調(diào)整模型中調(diào)整Clearance模塊的間隙參數(shù),分別設(shè)定0.015 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm.不同閥芯閥套配合間隙對(duì)應(yīng)的液壓泵變量機(jī)構(gòu)響應(yīng)位移曲線如圖5所示。由圖可見,當(dāng)橫坐標(biāo)在(0～1)s區(qū)間時(shí),變量機(jī)構(gòu)位移迅速增大,1 s后,變量機(jī)構(gòu)位移基本達(dá)到30 mm.對(duì)于不同的閥芯配合間隙,當(dāng)間隙為0.02 mm時(shí),變量機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度最快,隨著配合間隙的增大,由于配合處泄漏量較大,控制腔內(nèi)減壓較慢,因此移動(dòng)速度降低。

圖5 不同配合間隙下變量機(jī)構(gòu)位移曲線Fig.5 Displacement curve of variable mechanism under different fit clearance

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真的結(jié)果,加工不同的閥芯(即對(duì)圖3中Φ14的間隙按表1取不同的值),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,分析可知,如果配合間隙兩側(cè)同時(shí)取配合間隙0.02 mm,響應(yīng)時(shí)間并不是最優(yōu)值;相反在一側(cè)設(shè)計(jì)0.03 mm,另一側(cè)設(shè)計(jì)0.02 mm,能夠得到0.8 s的較短響應(yīng)時(shí)間,故在生產(chǎn)中,采用一側(cè)設(shè)計(jì)0.03 mm,另一側(cè)設(shè)計(jì)0.02 mm的配合間隙。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental equipment

表2 配合間隙與響應(yīng)時(shí)間Tab.2 Fit clearance and response time

5 總結(jié)

綜上所述,HD1(NG10)液控閥閥芯屬于細(xì)長(zhǎng)桿(長(zhǎng)275 mm,直徑Φ14),如果兩側(cè)配合間隙都按照常規(guī)0.01 mm左右設(shè)定,則極易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),其中工作(工作流道)一側(cè)最大可允許取0.02 mm,但是從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得如果兩側(cè)都取0.02 mm的配合間隙,液壓泵的響應(yīng)時(shí)間并沒有達(dá)到最快的速度。從理論分析,可能是閥芯兩頭的Φ14工作圓柱面的不同軸度,導(dǎo)致間隙按照正常值取定時(shí)反而出現(xiàn)間隙過小而卡頓的現(xiàn)象。依據(jù)本文的仿真和試驗(yàn)結(jié)果,可以采用犧牲較少泄漏流量的方法來提高伺服閥芯的靈活性以及變量機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。