双定子力平衡轴向柱塞泵及其流量波动性分析

刘巧燕 闻德生 高俊峰

燕山大学机械工程学院,秦皇岛，066004

双定子力平衡轴向柱塞泵及其流量波动性分析

刘巧燕 闻德生 高俊峰

燕山大学机械工程学院,秦皇岛，066004

为实现一泵多级流量输出且不用减压阀实现一泵多压，设计了双定子力平衡轴向柱塞泵。介绍了其结构特点与工作原理，推导出该泵在不同工况下的理论排量、理论瞬时流量及合流量不均系数，分析了不同柱塞数对泵输出特性的影响以及滞后角对输出合流量的影响。结果表明：该泵能实现两种不同流量的输出；随柱塞的增多，其瞬时流量脉动性递减；当两单泵的柱塞数相同且均为奇数时，输出流量品质最高；合理控制滞后角可有效改善泵的波动性。

力平衡轴向柱塞泵；双定子；流量脉动；滞后角

0 引言

轴向柱塞泵是液压系统中重要的动力元件，其性能直接影响整个系统运行的稳定性[1]。轴向柱塞泵中转子轴向的受力不平衡显著影响泵的使用寿命。国外学者对柱塞泵的研究主要集中在柱塞结构、变量机构、柱塞副、压力脉动、减振降噪等方面[2-3]。荷兰Innas公司的Float Cup 结构轴向柱塞元件采用双层柱塞结构，可平衡一部分轴向力，减小轴承负荷[4]，在一定程度上提高了液压元件的性能。国内研究人员大多数都是以现有柱塞泵工作原理为基础，通过改善各部件的材料、密封盒润滑来提高柱塞泵的性能[5-6]。闻德生等[7-12]研制出一种新型的双定子力平衡型轴向柱塞泵，该泵既可以不用减压阀而工作在不同压力下，又能输出多种不同的流量以满足系统需求。这样就可以在液压系统中减少泵和阀的使用，同时减少了能量消耗。

液压泵工作时输出流量的品质是衡量液压泵性能的重要指标，流量的脉动会引起压力脉动，不但使系统不稳定，而且产生谐振，直接影响到液压系统的工作性能[13]。因此对这种新型双定子液压泵不同工况下输出流量的性能进行分析是非常有意义的。

1 结构特点与工作原理

1.左斜盘 2.左端盖 3.通轴 4.壳体 5.配流壳筒 6.右端盖 7.卸油孔 8.右斜盘 9，11.压油口 10，12.吸油口图1 双定子力平衡轴向柱塞泵结构简图Fig.1 Structure of balance type double-stator axial piston pump

双定子力平衡轴向柱塞泵的结构如图1所示。该新型双定子轴向柱塞泵的结构特点如下：

(1)该泵有2个对称分布于通轴两侧的斜盘，我们将其称作双定子。两斜盘固定在泵的壳体内，并通过轴承和通轴相连接。

(2)为提高缸体转动的可靠性，将通轴和缸体设计为一体的结构，称为转子，且柱塞孔沿缸体径向方向平均分布。

(3)与传统柱塞泵不同的是，该泵并无配流盘，而是在壳体内开设2个腰形配流槽，形成一个独立的配流壳筒。此外，壳体表面上还开有2个进油口、2个出油口。

双定子力平衡轴向柱塞泵的工作原理为：当转子3带动柱塞旋转时，10对柱塞在柱塞孔内做直线往复运动，油液由吸油口10、12，经配流壳筒5的腰形配流槽，进入吸油区的柱塞容腔。处于压油区柱塞腔中的油液，经腰形配流槽，被排出到压油口9、11。压油口9、11外接同一负载或外接2个不同负载时，10对柱塞同时工作，即2个单泵同时工作，此时腰形配流槽内充满高压油。仅由压油口9或压油口11外接负载时，由图1可以看出，只有相间隔的5对柱塞工作，即只有一个单泵工作。

2 排量与瞬时流量的推导

2.1 理论排量

双定子泵可看作是在同一壳体内有2个单泵，我们将其称为泵a和泵b。如图2所示，当一个压油口外接负载时，只有一个单泵工作，处于压液状态下的柱塞腔的密闭容积缩小，输出压力油。此时同侧内的其他柱塞处于卸荷状态，单泵一侧的排量为

图2 柱塞运动简图Fig.2 Diagram of piston motion

(1)

式中，za、zb分别为泵a与泵b一侧的柱塞数；A为柱塞截面积；γ为斜盘倾角:R为柱塞分布圆半径。

当2个压油口同时外接同一负载时，2个单泵同时工作，同侧内对应泵a的za个柱塞和对应泵b的zb个柱塞处于并联工作状态。此时泵一侧的排量为

V=2AR(za+zb)tanγ

(2)

由式(1)、式(2)可知，双定子轴向柱塞泵各个工况下的排量与两单泵的柱塞数等参数相关。当两单泵取相同柱塞数时，双定子轴向柱塞泵可实现两种成比例的流量输出；当两单泵取不同柱塞数时，双定子轴向柱塞泵可实现3种不同比例的流量输出。

2.2 瞬时流量

由文献[1]可知一侧单泵的瞬时流量为

(3)

式中，φi为通轴内第i个处于压液状态的柱塞相对于通轴上死点的转角;ω为缸体旋转的角速度;z0为同时处于压液状态的柱塞数。

则2个单泵同时向同一个负载供油时，一侧泵的合瞬时体积流量为

(4)

式中，φ为滞后角；φa、φb分别为泵a、b的通轴转角。

3 瞬时流量特性分析

图3 单侧柱塞数的一半为偶数时的图解分析Fig.3 Graphic analysis of half number of unilateral piston which is odd

此时同时参加压液的柱塞数为z/4。当转子转过一定角度时，对应转角φ的OO′在x轴上的投影即为式(3)所要求的正弦函数的和：

(5)

3.1 单泵一侧的柱塞数为偶数

3.1.1z/2取偶数

将式(5)代入式(3)，可得泵a一侧的瞬时流量：

(6)

同理可知，同侧泵b一侧的瞬时流量为

(7)

当2个单泵同时对同一负载供油时，将式(6)、式(7)代入式(4)可得z/2为偶数时，双定子轴向柱塞泵的一侧的泵的合瞬时流量为

∑(Qsh)V=

(8)

S=ARtanγ

泵a的输出口到两泵汇合处之间管路结构与泵b的输出口到两泵汇合处之间的管路结构相同时，滞后角φ=β。由于两泵的瞬时流量变化周期与频率完全相同，因此极值点位置相差半个周期。此时，一侧泵的流量波动性与两单泵一侧的流量波动性如图4所示，图中，(Qsh)D为两个单泵同时工作时的瞬时流量，(Qsh)S为一个单泵工作时的瞬时流量。

图4 z /2为偶数时的一侧泵瞬时体积流量脉动曲线Fig.4 Curve of one side instantaneous pulsation volume flowrate of pump when z/2 is even

当通轴转角φ=(n-1)β时(n=1，2，…)，泵的瞬时流量最小；φ=(2n-1)β/2时，泵的瞬时流量最大。

3.1.2z/2取奇数

当泵a的通轴转角φa∈[0,β]时，泵a有z0=(z+2)/4个柱塞参加压油。此时，泵b的通轴转角φb∈[β,2β]，并且有z0=(z-2)/4个柱塞参加压油。通轴转过角度φ后，可得到泵a和泵b一侧的瞬时流量：

(9)

当泵a对应的通轴转角φa∈[β,2β]时，泵a有z0=(z-2)/4个柱塞参加压油，此时，泵b对应的通轴转角取值范围为φb∈[0,β]，并且有z0=(z+2)/4个柱塞参加压油。泵a与泵b一侧的瞬时流量分别为

(10)

由式(4)可得双定子轴向柱塞泵的合瞬时流量：

∑(Qsh)V=

(11)

此时，双定子泵的脉动周期减小为原来的一半。两泵滞后角φ=2(n-1)β时，输出流量的波动性最大;泵滞后角φ=2(n-1)β/2时，输出流量波动性最小。此时，一侧泵的流量波动性与两单泵一侧的流量波动性如图5所示。通轴转角φ=(n-1)β/2时，泵的瞬时体积流量最小；通轴转角φ=(2n-1)β/4时，泵的瞬时流量最大。

3.2 单泵一侧的柱塞数为奇数

当单泵一侧的柱塞数为奇数时，则泵a一侧的柱塞数za=2m(3+2n)，m=1，2，…；泵b一侧的柱塞数zb=3+2n。为使两泵柱塞数相差不太大，m取1。可得泵a一侧的瞬时流量：

(12)

式中，βa为泵a柱塞夹角的一半。

同理，泵b一侧的瞬时流量为

(Qsh)Vb=

(13)

式中，βb为泵b柱塞夹角的一半。

根据式(5)得泵的合瞬时流量：

∑(Qsh)V=

(14)

4 不同柱塞数下的流量脉动系数

由上述双定子泵的瞬时体积流量可得泵的流量脉动系数：

δQ=((Qsh)max-(Qsh)min)/Q

(15)

当单泵一侧的柱塞数为偶数且z/2取偶数时，双定子轴向柱塞泵的合瞬时流量脉动系数为

δQ1=

(16)

当单泵一侧的柱塞数为偶数且z/2取奇数时，双定子轴向柱塞泵的合瞬时流量脉动系数为

δQ2=

(17)

当单泵一侧的柱塞数为奇数且φ=βb时，一侧泵输出的合瞬时流量脉动系数为

(18)

由式(16)～式(18)可得双定子力平衡轴向柱塞泵的流量不均匀系数与柱塞数的关系，如表1所示。由表1可知，对双定子轴向柱塞泵来说，柱塞数不论是奇数还是偶数，泵的瞬时流量脉动总

是随着柱塞数量的增多而降低，且其下降趋势趋于缓和；当一侧两单泵的柱塞数目取相同的奇数时，该双定子轴向柱塞泵输出流量品质最好。

表1 z取不同值时的流量不均匀系数Tab.1 Coefficient of flow non-uniformity in different z

5 结论

(1)当一侧两单泵的柱塞数相同且均为奇数时，该双定子轴向柱塞泵的输出流量品质要好于一侧两单泵取相同偶数柱塞和单泵一侧取奇数柱塞。

(2)当泵一侧的柱塞数为奇数时，泵的流量脉动周期是偶数时的一半；无论柱塞数是奇数还是偶数，柱塞越多，流量波动性越小。

(3)双定子柱塞泵的两单泵同时工作时，滞后角对其输出的合流量有重要影响，应避免液压泵在其流量脉动最大时工作。

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(编辑 张 洋)

Analysis on Balance Type Double-stator Axial Piston Pump and Its Flow Fluctuation

LIU Qiaoyan WEN Desheng GAO Junfeng

School of Mechanical Engineering, Yanshan University,Qinhuangdao, Hebei, 066004

A new type of axial piston pump with double stator was designed to make multi-level flow output and work in different pressures without a reducing valve in one shall. After demonstrating its operating principles and structure features, the expressions of theoretic displacement, the theoretic instantaneous flow, and total discharge coefficient of inequality were launched, which were under different conditions of the pump. The influences of different piston numbers on output characteristics, the influences of lag angel on output flow were analyzed. The results show that the pump may achieve two different pressures, and the pulsation of the pump decreases with the growing of pistons, and the flow pulsation of even pistons with odd pistons of the two signal pump is smaller than the others. At last, reasonable control the lag angle may improve the volatility of the pump effectively.

balance type axial piston pump; double-stator; flow pulsation; lag angle

2015-12-23

国家自然科学基金资助项目(50975246)

TH32

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.02.016

刘巧燕，女，1989年生。燕山大学机械工程学院博士研究生。主要研究方向为新型液压元件与新型液压传动。获河北省科学技术进步二等奖1项。发表论文14篇。闻德生(通信作者)，男，1954年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。E-mail:wendesheng@ysu.edu.cn。高俊峰，男，1987年生。燕山大学机械工程学院博士研究生。