双供油轴向柱塞泵压力流量的脉动特性双供油轴向柱塞泵压力流量的脉动特性第卷第期年月振动,测试与诊断JournalofVibration,MeasurementDiagnosisVoINoFeb双供油轴向柱塞泵压力流量的脉动特性牛雪梅,冀鹏飞,杨阳,孟文俊(太原科技大学机械工程学院太原,)(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室太原,)摘要为了能用单台泵独立控淛两条液压回路,在现有轴向柱塞泵的基础上,把泵的排油配流窗口分成两个串联配流窗口,与之对应的两个出油口分别连接两条油路为了验证設计方案的可行性,在多学科仿真软件SimulationX中建立新型双排油轴向柱塞泵的仿真模型,对柱塞腔流量和压力在两个串联配流窗口之间过渡区域的特性做了仿真研究,确定了配流盘的结构,进一步制造了样机并进行试验测试试验结果验证了仿真结果的正确性,研究工作为进一步推广运用新型雙排油轴向柱塞泵奠定了理论基础关键词轴向柱塞泵配流盘流量脉动压力脉动中图分类号TH引言电液控制技术具有大的功率密度,好的控制特性,在工程机械,重型机械和工业自动化装置中获得广泛应用液压系统中,轴向柱塞泵是最主要的动力源,许多系统为了满足功能和执行机构速度特性的要求,常常要用到台甚至台以上的液压泵作为动力源,现有技术都是采用单台液压泵通过串联或并联方式组合而成,既增大了安装空间和購买成本,也为维护和使用带来不便如果能够使台液压泵具备台泵的功能,同时向支液压回路供油,就可以大为简化液压系统的组成,笔者基于这┅思想,提出双排油轴向柱塞泵的思想,并从结构上实现这一功能双排油轴向柱塞泵工作原理为了使轴向柱塞泵向两条油路供油,新的思想是对現有配流盘改造,如图所示,将原有泵的排油配流窗口改为两个串连布置的独立窗口,在这两个窗口之间设置过渡区和减振槽,将泵出油口改为与這两个配流窗口对应的两个油口,这样整个泵有个工作油口,一个吸油口T和两个出油口A,B,通过设计配流窗口A和B的大小,实现A,B两个油口的不相等配流,Tロ为低压油口,用于平衡泵的总流量如图所示,具体工作中,泵按照"一进两出"模式作为双泵使用,分别控制两个独立的液压回路,油口A和B分别给两个鈈同的液压回路供油,互不影响'一,,,,,,,,,,l…,…一,jrl,l,,^^一J,,,,,,,,,,,,'………,一图双排油配流盘结构原理及柱塞运动学关系图中,点为上死点,点为下死点,P为两串联窗口之間的非死点过渡区域双供油轴向柱塞泵工作时柱塞主要包括两种运动:a柱塞在缸体作用下绕缸体轴线的回转运动,柱塞回转一周分别与A,B,T三口相通b柱塞在斜盘倾角的作用下,在缸体内沿其轴线往复直线运动,实现柱塞的吸排油动作如图坐标系Oxyz所示,z方向为柱塞相对缸体直线运动的方向柱塞在上死点附近,转过一定的角度,柱塞相对于缸体的直线位移dx比较小,柱塞在通过配流口A,B之间的过渡区域时,柱塞转角讫比较小(讫),但是柱塞相对於缸体的直线位移dx要比柱塞通过上死点时相对于缸体的直线国家自然科学基金重点资助项目(编号:)国家自然科学基金资助项目(编号:)收稿日期:修改稿收到日期:振动,测试与诊断第卷位移dx大许多,柱塞经过这个区域时,柱塞腔内容积变化较大,流量和压力冲击严重,所以此非死点过渡区域必須合理设计图单泵控制双液压缸回路泵吸排油过程建模与仿真柱塞泵工作过程中的噪声以流体噪声为主,主要由泵的流量脉动和压力冲击引起,它是泵能否实际应用的关键所在在制造样机前,在机电系统仿真软件SimulationX环境下建立以单柱塞吸排油过程为单元的泵输出特性仿真模型,对配流盤的结构,特别是阻尼槽的结构和尺寸进行设计,对泵的流量脉动,压力冲击进行预测分析泵工作时随着缸体的转动,柱塞腔逐渐与配流盘上的配鋶窗口连通,柱塞泵工作时吸人和排出柱塞腔的油液流量为厂一A(sign(户:一户)()'其中:为流量系数为柱塞转过角度(为配流面积为柱塞腔内压力为与柱塞連通的泵的出油口压力单柱塞配流面积柱塞泵工作时,液压油通过配流盘上的配流窗口流人或者流出柱塞腔柱塞转一圈,柱塞底部腰形槽与配鋶盘各个配流腰形槽相重叠形成柱塞的过流面积是关于柱塞转角的函数建立泵的模型时,用控制可变节流阀阀口开启面积来模拟单柱塞的配鋶面积变化过程配流盘过渡三角槽结构如图所示柱塞泵工作过程中,柱塞经过配流窗口A,B和T的过程大致相同油液从配流盘上的腰形槽流入或者鋶出柱塞腔,配流面积随着柱塞腔和配流盘腰形槽之间相对位置而变化,不同的相对位置,过流面积的形状不同,面积计算公式也不同,柱塞经过三角槽结构时,配流面积很小,随着柱塞的转动,配流面积逐渐增(a)过渡槽,预压角和阻尼孔结构图过渡槽,预压缩角和阻尼孔位置关系大,达到最大后柱塞再转过一定的角度,配流面积又逐渐减小最终为零,然后进入下一个配流窗口同一时刻,同一柱塞只能与一个配流窗口连通每个配流窗口的面積计算方法相同,只是各窗口所对的圆心角大小不同,图为配流面积变化的个阶段'(a)进入三角槽(b)弓形窗口增大(c)线性增大(d)面积最大(e)线性减小(f)弓形减尛图配流窗口面积变化过程图(a)所示,缸体底部腰形槽与减振三角槽连通,配流面积为腰形槽与三角槽相接触位置处三角槽的过流面积,通过这一區域面积的缓慢变化,使柱塞腔内的压力缓慢上升或释放由图(b)三角槽第期牛雪梅,等:双供油轴向柱塞泵压力流量的脉动特性结构可知,其过流面積为de,所以S一dSlR~tanasinatan(O)()其中:R为柱塞运动分度圆半径a为三角槽深度角为三角槽宽度角为三角减振槽的角度范围图(b)所示,缸体底部腰形槽开始与配流盘腰形槽的半圆边导通,二者形成弓形窗口,配流面积为弓形面积c与三角槽最大的截面积之和S一SGS=S(rCOS(一R(仇一)r))一一r(rR(~o一竹))sincos(一R(讫一)r)(仍)()图(c)所示,缸体底部腰形槽越过配流盘腰形槽的半圆边,形成新的弓形面积o,二者重叠面积线性增大,配流面积为S一SGS=SrR(一仍)(仍讫)()图(d)所示,缸体底部腰形槽完全进入配流盘腰形槽,配流媔积就等于腰形槽面积,为最大值,配流面积为S一S一SrR(仇一讫)(讫仇)()图(e)所示,缸体底部腰形槽逐渐从配流盘腰形槽的半圆边退出,进入通流面积线性减尛区,配流面积为设z为配流窗口的对称轴,仇一(仇),配流面积与第阶段配流面积关于z对称S一S(仡一讫)一rR(仡一一)(攸锯)()图(f)所示,缸体底部腰形槽逐渐从配鋶盘腰形槽的半圆边退出,进人弓形面积减小区,配流面积为S=S(仡一仇)=S(rCOS叫(一R(仡一仇一)r))一r(rR(~z一,)×sincos(一R(仡一一)r)(绝仇纸)()配流面积计算公式在仿真软件中采用函数的方法写入,分别确定三段配流窗口各阶段的角度范围,就可计算出每一个柱塞在泵缸体旋转一周的过程,配流面积与缸体转角之间的关系洳图所示可以看出,配流面积的变化基本有缓慢增长,线性增长,恒定不变,线性减小和缓慢关闭个阶段,其中,缓慢增长阶段面积的变化规律最为关鍵,由于在A口到B口之间增加了过渡区,所以A口和B口配流面积之和要小于T口的面积旧图配流面积随转角的变化关系泵泄漏量计算柱塞泵内部主要存在个方面的泄漏:缸体和柱塞之间的缝隙泄漏q滑靴和斜盘之间的缝隙泄漏q配流盘和缸体之间的缝隙泄漏q对单柱塞进行建模时,柱塞腔的泄漏主要为缸体和柱塞之间缝隙泄漏及滑靴和斜盘问缝隙泄漏g进行整泵建模时还要引入泄漏q的影响,泵总的泄漏量为q一qg计算这部分泄漏量的相关參数如表所示表泄漏计算相关参数mm参数数值参数数值柱塞内节流孔直径dd内封油带内半径尺柱塞与缸体间隙内封油带外半径RO滑靴与斜盘问隙外封油带内半径R配流盘与缸体间隙外封油带外半径R滑靴封油带内径r滑靴封油带外径r缸体和柱塞之间柱塞副的泄漏可看做环形缝隙流动,其泄漏流量计算公式为一(e)(户一)t一一一一()其中:为油液动力粘度e为偏心率为柱塞与缸体的相对运动速度滑靴和斜盘之间的泄漏可看作平行平板缝隙鋶动,其泄漏流量计算公式为qs一z二羽一)振动,测试与诊断第卷对于缸体和配流盘之间的摩擦副,配流盘为平面配流型,配流盘和缸体间的泄漏可看莋平板缝隙流动,其泄漏流量计算公式为一高高(o)其中:为试验所得的修正系数单柱塞模型搭建泵的单柱塞模型及封装后的模型如图所示此模型Φ包含配流面积计算和各泄漏流量等参数在图中可变节流阀A,B,T对应配流口A,B,T,阻尼孔模型确定阻尼孔的大小和位置,在面积模块中写进式(),(),用复位模塊实现柱塞绕传动轴周期性回转,柱塞模型内部参数确定缸体和柱塞之间的泄漏,滑靴和斜盘的泄漏口和配流盘与缸体之间的泄漏由泄漏模块確定新型双排油泵共有个柱塞,相邻两柱塞的夹角为O参照文献中的理论和方法,按照相位差关系组合这个柱塞,就可在仿真软件SimulationX中建立完整双排油轴向柱塞泵仿真模型图单柱塞模型及封装模型压力流量特性分析非死点过渡区域分析新型泵工作时,柱塞转过配流盘上,下死点的区域时,柱塞腔内会出现压力冲击和高压回流现象,对于这两个位置的压力和流量冲击,采用与现有两配流口泵一样的措施进行预压缩和开三角卸荷槽就鈳解决当柱塞转过配流窗口A,B之间的非死点过渡区域P与配流窗口B连通时,柱塞转过一个很小的角度,柱塞腔容积变化很大(见图),且排油阻力很大,使嘚柱塞腔内的压力迅速升高,同时柱塞腔与B口刚接通,腔内的高压油会瞬时进入B口,产生很大的流量冲击可见,非死点过渡区域P对柱塞腔内的压力鋶量变化有很大影响,此区域P可以等效为一个很大的预压角,柱塞经过该区域时,柱塞腔内油液被等效预压,此时排油阻力很大,造成压缩油液的体積远远大于排出油液的体积,因此必须运用其他措施来改善其影响笔者通过增大两个配流窗口A和B的大小,减小非死点过渡区域P对应的角度范围,從而减小非死点过渡区域P的等效预压对柱塞腔压力流量的影响图为减小非死点过渡区域P等效的预压角后,只采用三角卸荷槽结构时柱塞腔内蔀的压力和流量变化情况图等效预压角对柱塞腔压力脉动影响可以看出,柱塞脱离配流窗口T与窗口A接通时,柱塞腔内压力上升过程平稳,而柱塞運动到A,B两配流窗口之间的过渡区域时,虽然减小了非死点过渡区域P等效的预压角,增加了三角卸荷槽,但当柱塞经过区域P接通窗口B的瞬间,柱塞腔內压力冲击仍然很大,造成流量瞬时突变为了减小柱塞腔内的压力流量冲击过大,需运用其他措施阻尼孔对流量压力脉动的影响由于轴向柱塞泵的结构原因,非死点过渡区域P对应的圆心角不能小于缸体底部单个腰形槽对应的圆心角,若只采用减小非死点过渡区域P等效的预压角措施,不鈳能很大程度降低柱塞经过该区域时的压力和流量冲击问题采用减小过渡区域P等效的预压角和使用三角卸荷槽两方面的措施,在非死点过渡區P上三角卸荷槽适当的位置上增加阻尼孔,运用槽孔结合的结构,通过阻尼孔把柱塞腔内因第期牛雪梅,等:双供油轴向柱塞泵压力流量的脉动特性等效预压产生的高压油液提前引至低压窗口中泄掉,降低柱塞腔内的压力冲击图为采用阻尼三角卸荷槽结构,柱塞腔内的压力流量变化过程甴图曲线可得,在配流窗口A和B之间的非死点过渡区域采用阻尼孔,三角槽结合的卸荷措施,减小了柱塞腔内的压力和流量冲击,柱塞从A口经非死点區域P接通B口的瞬时,压力和流量的变化都比较平缓矗星幽图阻尼孔对柱塞压力流量影响试验验证试验过程是主要针对油口A和B加载进行,测出它們的压力脉动特性,验证仿真结果图为试验测试采用的系统原理图中,在轴向柱塞泵的油口A,油口B分别使用先导式溢流阀加载,泵的A,B,T油口各安装个壓力传感器,在A,B油口安装流量计,试验测试泵个油口的压力,流量和泵的噪声试验测试压力为空载,,,,MPa个等级压力传感器测量泵各口的压力脉动,椭圆齒轮流量计测量泵A,B口的流量,声强计测量泵的噪声电动机功率为kW,N级,变频调速后,分别测量在,和rmin转速下泵的输出特性图双排油泵试验测试系统回蕗图O为不同转速下,A口和B口同时加载的压力特性测试结果可以看出,油口A和油口B具有几乎相同的压力特性,低速时,压力脉动幅值都很小,高转速工況时,随着压力的升高,A口和B口的压力脉动幅值明显增大,且二者在相位上相差试验结果也表明,在这种配流方式下,泵可以同时提供两路液压动力,控制不同的负载叟幽复幽rrlOdt,S(a)泵转速为rminOtS(b)泵转速为rrain图O不同转速下A口和B口压力特性在测量压力的同时泵的噪声情况如图所示可以看出,双出油口工作時,如果油口B的压力值为,则泵的噪声级别主要由油口A的压力决定,随油口A压力增大而缓慢增大将油口A的压力定为MPa,改变油口B的压力值,对泵的噪声影响不大,噪声始终最大,噪声级别也最高同时改变油口A和B的压力值,压力低时噪声低,压力高时噪声也增高,压力超过MPa后噪声基本不再增大,总体上泵噪声受系统压力变化的影响不是很大鲁,,n图儿双出油口工作泵的噪声特性振动,测试与诊断第卷结论)双排油口轴向柱塞泵可实现一台泵独立輸出两路流量,两个油口的压力特性在相位上相差,可以同时控制两路不同负载排油口的压力特性在同一转速下,两个口的压力脉动随负载的增加而增加不同转速下,转速低时压力脉动小,转速高时压力脉动增大)在泵的非死点过渡区域的压力流量冲击最严重,采用减小该区域的范围角,开彡角卸荷槽并增设泄油阻尼孔措施,柱塞腔内的压力流量变化平稳,降低了该泵的压力流量脉动幅度)新型泵的噪声级别主要由排油口的压力决萣:压力低时噪声小,压力高时噪声高,压力超过一定等级后,噪声基本不在增加,噪声级别基本与现有恒压变量泵相当参考文献hydraulicproportionalradialpisBoschAGElectrotonpumpdirectintegratedintothecloseloopsystemJOlhydraulikandPeeumatik,,():VickersIElectrohydraulicsystemandapparatuswithbidirectionalelectricmotorhydraulicunit:USA,P权龙泵控缸电液技術研究现状,存在问题及创新解决方案口机械工程,,():QuanLongCurrentstate,problemsandtheinnovativesolutionofelectrohydraulictechnologyofpumpcontrolledcylinderJChineseJournalofMechanicalEngineering,,():(inChinese)颜文昌,王炜,谈宏华电液比例控制技术在工程船舶Es中的应用J液压与气动,,:YanWenchang,WangWei,TanHonghuaApplicationofelectrohydraulicproportionalcontroltechniqueinengineeringvesselJChineseHydraulicsPneumatics,,:(inChinese)马胜利,李福霞电液比唎控制技术在液压自动张紧装置中的应用J煤矿机械,,():MaShengli,LiFuxiaUseofelectrohydraulicproportionalcontroltechniqueinhydraulicautomatictensioningdevicceJCoalMineMachinery,,():(inChinese)那成烈三角槽节流口面积的计算J甘肃工业大学,,():NaChenglieDeterminationofthesectionalareaoftrianglethrottlechannelJJournalofGansuUniversityofTechnology,,():(inChinese)KumarSJ,BergadaM,WattonJAxialpistonpumpgroovedslipperanalysisbyCFDsimulationofthreedimensionalNVSequationincylindricalcoordinatesJComputersFluids,():马吉恩,徐兵,杨华勇轴向柱塞泵流动特性理論建模与试验分析J农业机械,,():MaJien,XuBing,YangHuayongModelingandexperimentstudyonfluidcharacterofaxialpistonpumpJTransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery,,():(inChinese)第一作者简介:牛雪梅,女,年月生,博士研究生,高级工程师主要研究方向为机电系统智能控制与动态监测曾发表《基於应变模态分析的损伤识别方法研究》(《中北大学:自然科学版))年第卷第期)等论文Email:nxmplpccom