張宇,鄧海順,施新泳,洪東炳
(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南 232001)
軸向柱塞泵實(shí)現(xiàn)泵變量的兩個(gè)重要方式是調(diào)節(jié)斜盤式泵的斜盤傾角或者斜軸式泵的缸體傾角[1],但存在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所需調(diào)節(jié)力較大、快速響應(yīng)較差的缺點(diǎn)。不同于以上兩種方式,閘變量式是通過(guò)改變固定在泵后端蓋上的配流盤配流窗口位置實(shí)現(xiàn)控制泵的輸出排量,是一種新型的軸向柱塞泵變量方式。閘變量式的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)泵排量所需組件少、調(diào)節(jié)力小、調(diào)節(jié)靈活,容易獲得迅速響應(yīng),具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值,但閘變量式軸向柱塞泵的流量特性研究較少。徐秀華等[2]研究旋轉(zhuǎn)配流盤型變量柱塞泵,提出一種拓寬排量調(diào)節(jié)范圍的新方法,將旋轉(zhuǎn)配流盤型變量泵與傾角調(diào)整型變量泵的瞬時(shí)流量特性進(jìn)行對(duì)比仿真研究,指出旋轉(zhuǎn)配流盤型變量泵實(shí)用化需進(jìn)一步克服的缺陷;張萍[3]進(jìn)行液壓泵閘流變量研究,介紹一種新的液壓泵變量方法,達(dá)到泵變量且不損失液壓功率的目的;叢鳳杰、仲梁維[4]進(jìn)行一種旋轉(zhuǎn)斜盤實(shí)現(xiàn)變量的軸向柱塞泵研究,得出該泵可以實(shí)現(xiàn)變量及換向,但調(diào)節(jié)流量過(guò)程會(huì)引起較大的流量脈動(dòng),需要進(jìn)一步克服該缺陷。此外,還有關(guān)于軸向柱塞泵流量脈動(dòng)以及配流盤結(jié)構(gòu)的更多研究,王海燕、魏秀業(yè)[5]對(duì)SCY-14B型斜盤軸向柱塞泵的瞬時(shí)流量及流量脈動(dòng)進(jìn)行理論研究;蔡金典等[6]基于虛擬樣機(jī)研究雙向非對(duì)稱柱塞泵的流量脈動(dòng);張曉剛等[7]分析雙排油軸向柱塞泵配流特性并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn);凌鵬等人[8]研究配流盤結(jié)構(gòu)對(duì)軸向柱塞泵壓力流量特性影響;耿付帥、魏秀業(yè)[9]通過(guò)人工蜂群優(yōu)化算法對(duì)SCY-14B型斜盤軸向柱塞泵配流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。WANG等[10]研究表面紋理參數(shù)對(duì)軸向柱塞泵配流盤潤(rùn)滑特性的影響;潘陽(yáng)等人[11]對(duì)雙聯(lián)軸向柱塞泵配流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并分析流量脈動(dòng)特性;單樂(lè)等人[12]研究柱塞泵球面配流盤阻尼槽對(duì)流量脈動(dòng)性的影響;熊文才等[13]對(duì)軸向柱塞泵降噪進(jìn)行分析與研究;YE等[14]研究軸向柱塞泵配流盤優(yōu)化降噪;張軍輝等[15]研究配流盤對(duì)軸向柱塞泵聲振特性的影響。
以上研究為本文作者提出的一種閘變量式軸向柱塞泵的流量特性研究提供了理論指導(dǎo)和依據(jù),本文作者從閘變量式軸向柱塞泵變量原理出發(fā),建立了閘變量式軸向柱塞泵機(jī)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型,在考慮柱塞數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)情況下,將閘變量式軸向柱塞泵的流量特性與斜盤式軸向柱塞泵的流量特性進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。
閘變量式軸向柱塞泵機(jī)構(gòu)模型如圖1所示,由外層面、內(nèi)層面、橡膠圈、擰緊螺釘組成,橡膠圈嵌套進(jìn)內(nèi)層面邊緣凹型槽中,內(nèi)層面安置于外層面內(nèi)部,內(nèi)層面與外層面緊密貼合后形成排油窗口和吸油窗口,配流盤的外層面固定在泵后端蓋,內(nèi)層面可以旋轉(zhuǎn),通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)層面調(diào)節(jié)內(nèi)層面與外層面的相對(duì)角度,改變兩個(gè)配流窗口的位置。
閘變量式軸向柱塞泵變量原理如圖2所示,左邊為排油區(qū),右邊為吸油區(qū)。在圖2(a)所示配流盤位置下,配流盤的排油窗口正對(duì)著排油區(qū),吸油窗口正對(duì)著吸油區(qū),在圖示瞬間,缸體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),柱塞腔1、6、7的體積不斷擴(kuò)大,形成局部真空,從配流盤的吸油窗口吸入低壓油,柱塞腔3、4、5的體積不斷縮小,向配流盤的排油窗口排出高壓油,柱塞腔2處于封油區(qū)。在這種配流盤排油窗口與排油區(qū)的相對(duì)位置下,壓力油全部排到了壓油區(qū),對(duì)應(yīng)的是泵的最大排量。在圖2(b)所示配流盤位置下,把配流盤的內(nèi)層面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)φ0,則配流盤的吸油窗口一部分處于吸油區(qū),另一部分處于排油區(qū),排油窗口一部分處于排油區(qū),另一部分處于吸油區(qū),配流情況發(fā)生了改變。此時(shí),柱塞腔2一半處于排油區(qū),另一半處于吸油區(qū),它與配流盤的吸油窗口相通;柱塞腔6處于吸油區(qū),它與配流盤的排油窗口相通;處于吸油區(qū)的柱塞腔1、7與配流盤的吸油窗口相通,處于排油區(qū)的柱塞腔3、4、5與配流盤的排油窗口相通。由此可見,柱塞腔1、3、4、5、7的配流情況沒(méi)有發(fā)生改變,但柱塞腔2在初進(jìn)排油區(qū)的φ0范圍內(nèi)都與吸油窗口相通,未從排油窗口排出壓力油,因此相當(dāng)于閘掉了一部分壓力油;另外,柱塞腔6在初進(jìn)吸油區(qū)的φ0范圍內(nèi)都與排油窗口相通,從排油窗口吸入的是壓力油,相當(dāng)于又閘掉了一部分壓力油,泵的排量減少。不同的配流盤變量角φ0對(duì)應(yīng)著不同的泵排量,隨著變量角φ0增大,泵排量減少。
圖2 閘變量式軸向柱塞泵變量原理
閘變量式軸向柱塞泵的理論流量是在理想情況下推導(dǎo)出的,在推導(dǎo)過(guò)程中不考慮三角槽、流量倒灌、油液壓縮性、泄漏量以及管道等其他外界因素的影響。
設(shè)泵的柱塞數(shù)為z,則相鄰兩個(gè)柱塞之間的夾角為
2α=2π/z
(1)
單個(gè)柱塞在排油區(qū)的瞬時(shí)排液量為
qj=π/4d2vj=π/4d2wRtanγsin[φ+2(j-1)α]
(2)
軸向柱塞泵的總瞬態(tài)理論流量q為
(3)
式(3)中:d為柱塞腔內(nèi)徑;w為缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;R為柱塞分布圓半徑;γ為泵斜盤斜角;φ為從泵的上死點(diǎn)位置且距離上死點(diǎn)最近的一個(gè)柱塞的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;j為處于排油區(qū)排油的柱塞數(shù)。
(4)
式(4)中:k為常數(shù),k=π/4d2Rwtanγ。
當(dāng)采用閘變量式軸向柱塞泵時(shí),且缸體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與配流盤轉(zhuǎn)角方向相同,配流盤的中性軸相對(duì)于死點(diǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度設(shè)為φ0,設(shè)處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和為qin。如圖3所示,配流盤旋轉(zhuǎn)φ0角度,排油窗口的一部分過(guò)渡到吸油區(qū),處于該部分的柱塞腔會(huì)從排油窗口閘掉一部分高壓油,設(shè)閘掉的高壓油瞬態(tài)理論流量和為qout。
圖3 柱塞腔與排油窗口配合
以閘變量式九柱塞泵為例,缸體某一柱塞處于上死點(diǎn)為起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置,缸體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與配流盤轉(zhuǎn)角方向均為逆時(shí)針。
當(dāng)0≤φ0<α?xí)r
(5)
(6)
當(dāng)α≤φ0<2α?xí)r
(7)
(8)
當(dāng)2α≤φ0<3α?xí)r
qin=
(9)
qout=
(10)
當(dāng)3α≤φ0<4α?xí)r
qin=
(11)
(12)
當(dāng)4α≤φ0<5α?xí)r
qin=
(13)
(14)
當(dāng)5α≤φ0<6α?xí)r
qin=
(15)
qout=
(16)
再以閘變量式八柱塞泵為例,缸體某一柱塞處于上死點(diǎn)為起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置,缸體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與配流盤轉(zhuǎn)角方向均為逆時(shí)針。
當(dāng)0≤φ0<α?xí)r
(17)
(18)
當(dāng)α≤φ0<2α?xí)r
(19)
(20)
當(dāng)2α≤φ0<3α?xí)r
qin=
(21)
(22)
當(dāng)3α≤φ0<4α?xí)r
qin=
(23)
qout=
(24)
當(dāng)4α≤φ0<5α?xí)r
qin=
(25)
qout=
(26)
當(dāng)5α≤φ0<6α?xí)r
qin=
(27)
(28)
從以上閘變量式九柱塞泵和閘變量式八柱塞泵的例舉公式可以總結(jié)得出處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和qin的一般規(guī)律公式:
當(dāng)泵柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí),令kα≤φ0<(k+1)α,k取0,1,2…
k取偶數(shù)時(shí),處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和qin為
qin=
(29)
k取奇數(shù)時(shí),處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和qin為
qin=
(30)
當(dāng)泵柱塞數(shù)為偶數(shù)時(shí),令kα≤φ0<(k+1)α,k取0,1,2…
k取偶數(shù)時(shí),處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和qin為
qin=
(31)
k取奇數(shù)時(shí),處于排油區(qū)排油的柱塞瞬態(tài)理論流量和qin為
qin=
(32)
閘掉的高壓油瞬態(tài)理論流量和qout需要在確定了泵柱塞數(shù)和配流盤轉(zhuǎn)角后具體分析。
采用閘變量式軸向柱塞泵的瞬態(tài)理論流量為
qt=qin+qout
(33)
閘變量式軸向柱塞泵的流量脈動(dòng)δ的表達(dá)式如下:
(34)
式(34)中:qtmax為泵瞬時(shí)最大流量;qtmin為泵瞬時(shí)最小流量;qtave為泵平均流量。
軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)選擇如表1所示。分別選擇泵柱塞數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù),以缸體某一柱塞處于上死點(diǎn)為起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置,且缸體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與配流盤轉(zhuǎn)角方向均為逆時(shí)針,仿真得到閘變量式軸向柱塞泵流量特性曲線。同時(shí),在基本參數(shù)相同條件下,仿真并繪制斜盤式軸向柱塞泵流量特性曲線。
表1 軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)
結(jié)合圖4可知:隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,閘變量式九柱塞泵的平均流量減小;隨著斜盤斜角的增加,斜盤式九柱塞泵的平均流量增大。閘變量式和斜盤式的調(diào)節(jié)原理不同,才導(dǎo)致了兩者的平均流量變化相反。結(jié)合圖5可知,在0°~70°區(qū)間,隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,閘變量式九柱塞泵的流量脈動(dòng)增大,且增大趨勢(shì)逐漸增加,泵的流量脈動(dòng)增大,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲,嚴(yán)重的會(huì)使泵失去穩(wěn)定工作狀態(tài),因此,閘變量式奇數(shù)柱塞泵采取穩(wěn)流措施很有必要。在配流盤轉(zhuǎn)角為56°時(shí),泵的流量脈動(dòng)達(dá)到51.63%,配流盤轉(zhuǎn)角為70°時(shí),泵的流量脈動(dòng)高達(dá)95.63%,因此,采用閘變量式奇數(shù)柱塞泵時(shí)要考慮在滿足泵實(shí)際排量變化范圍要求下盡量控制配流盤最大轉(zhuǎn)角范圍。不同于閘變量式九柱塞泵的流量脈動(dòng)變化,在0°~18°區(qū)間,斜盤式九柱塞泵的流量脈動(dòng)不隨斜盤斜角的變化而變化。
圖4 九柱塞泵平均流量曲線
圖6為閘變量式九柱塞泵周期瞬態(tài)流量曲線??梢姡洪l變量式九柱塞泵的周期瞬態(tài)流量曲線形狀發(fā)生變化,但泵的瞬態(tài)流量周期沒(méi)有發(fā)生改變,在一個(gè)周期內(nèi),隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,泵的瞬態(tài)流量總體趨于減小。
結(jié)合圖7可知,八柱塞泵平均流量變化曲線與上述的九柱塞泵平均流量變化曲線具有類似的變化規(guī)律:隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,閘變量式八柱塞泵的平均流量減?。浑S著斜盤斜角的增加,斜盤式八柱塞泵的平均流量增大。由圖8可知:在0°~60°區(qū)間,隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,閘變量式八柱塞泵的流量脈動(dòng)增大,且增大趨勢(shì)逐漸增加,因此閘變量式偶數(shù)柱塞泵同樣需采取穩(wěn)流措施。在配流盤轉(zhuǎn)角為48°時(shí),泵的流量脈動(dòng)達(dá)到87.17%,配流盤轉(zhuǎn)角為60°時(shí),泵的流量脈動(dòng)高達(dá)135.80%,因此,采用閘變量式偶數(shù)柱塞泵時(shí)同樣要考慮在滿足泵實(shí)際排量變化范圍要求下盡量控制配流盤最大轉(zhuǎn)角范圍。不同于閘變量式八柱塞泵的流量脈動(dòng)變化,在0°~18°區(qū)間,斜盤式八柱塞泵的流量脈動(dòng)不隨斜盤斜角的變化而變化。
圖7 八柱塞泵平均流量曲線
圖8 八柱塞泵流量脈動(dòng)曲線
圖9為閘變量式八柱塞泵周期瞬態(tài)流量曲線??梢姡洪l變量式八柱塞泵的周期瞬態(tài)流量曲線形狀發(fā)生變化,但泵的瞬態(tài)流量周期沒(méi)有發(fā)生改變,在一個(gè)周期內(nèi),隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,泵的瞬態(tài)流量總體趨于減小。
圖9 閘變量式八柱塞泵周期瞬態(tài)流量曲線
建立一種閘變量式軸向柱塞泵機(jī)構(gòu)模型,對(duì)其工作原理進(jìn)行了論述,并推導(dǎo)了相關(guān)公式,在考慮柱塞數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)情況下,將閘變量式軸向柱塞泵的流量特性與斜盤式軸向柱塞泵的流量特性進(jìn)行了對(duì)比仿真分析,得出如下結(jié)論:
(1)采用閘變量式軸向柱塞泵,無(wú)論泵柱塞數(shù)為奇數(shù)還是偶數(shù),泵的周期瞬態(tài)流量曲線形狀發(fā)生變化,但瞬態(tài)流量周期沒(méi)有發(fā)生改變。
(2)對(duì)比閘變量式和斜盤式,當(dāng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與配流盤轉(zhuǎn)角方向相同時(shí),隨著配流盤轉(zhuǎn)角的增加,閘變量式軸向柱塞泵的平均流量減小,流量脈動(dòng)增大,且增大趨勢(shì)逐漸增加。隨著斜盤斜角的增加,斜盤式軸向柱塞泵的平均流量增大,但流量脈動(dòng)不變。泵的流量脈動(dòng)增大,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲,嚴(yán)重的會(huì)使泵失去穩(wěn)定工作狀態(tài),因此,對(duì)閘變量式軸向柱塞泵采取穩(wěn)流措施很有必要。
(3)閘變量式軸向柱塞泵的流量脈動(dòng)隨配流盤轉(zhuǎn)角增大而增大,且增大趨勢(shì)逐漸增加,因此,采用閘變量式軸向柱塞泵時(shí)要考慮在滿足泵實(shí)際排量變化范圍要求下盡量控制配流盤最大轉(zhuǎn)角范圍。