非对称轴向柱塞泵的研究★

王 君， 王娇君

（1.太原理工大学， 山西 太原 030024；2.太原重机煤气设备工程公司， 山西 太原 030024）

泵控容积直驱系统利用液压泵直接提供系统所需的流量和压力，不需要液压阀的调节，具有节流损失小、噪声低、效率高、油液使用量小且连接管路短等优点，是提高液压系统效率最直接有效的方法。根据执行元件形式的不同，泵控容积直驱系统可分为泵控单出杆液压缸系统和泵控双出杆液压缸系统两种。与双出杆液压缸相比，单出杆液压缸占用空间小且输出力大，广泛应用于大型重载装备中直线往复运行的机构。但是，如何补偿单出杆液压缸两腔流量不平衡的问题长期制约了泵控单出杆液压缸系统的发展与应用[1]，减缓了液压系统向高效节能方向的发展速度，是目前液压传动领域的研究重点与难点[2]。因此，本文提出将普通轴向柱塞泵的结构进行改造，把配流盘由原来的对称双窗口结构改为非对称三窗口的结构（如图1 所示），根据单出杆液压缸两腔的面积比设计与之相匹配的配流盘结构，平衡单出杆液压缸两腔面积差引起的流量差[3]，实现仅用1 台泵直接控制单出杆液压缸的目的，有效减小了因溢流损失带来的效率降低问题。

图1 非对称轴向柱塞泵

1 非对称轴向柱塞泵工作原理

如图1 所示，将非对称轴向柱塞泵的配流窗口A 与单出杆液压缸的无杆腔相连，配流窗口B 与单出杆液压缸的有杆腔相连，另外的配流窗口C 可以与油箱或者蓄能器相连。当柱塞旋转时，完成一次吸油，两次排油（或者一次排油，两次吸油），并且A、B窗口吸排油的流量比与单出杆液压缸两腔的面积比相等。当匹配不同面积比的单出杆液压缸时，改变配流窗口B 的配流面积（如图2 所示）使配流窗口A与配流窗口B 的配流面积比与单出杆液压缸的面积相匹配，就可以实现泵控单出杆液压缸系统。同时，使用非对称轴向柱塞泵控制单出杆液压缸可以使单出杆液压缸平稳换向，而且多余油液得到有效利用，提高了系统的稳定性和效率。

图2 与不同液压缸匹配时的配流盘结构

2 数学模型的建立

根据普通轴向柱塞泵的分析方法，分析非对称轴向柱塞的排量，从而研究非对称轴向柱塞泵控制单出杆液压缸的压力流量特性。

第i个柱塞的位移和速度为：

式中：r为柱塞运动轨迹的半径；φ 为柱塞的圆心角；β 为斜盘倾角；ω为柱塞的角速度；α 为两个柱塞间的夹角，N为柱塞数量。

第i个柱塞的柱塞腔容积：

式中：V0为柱塞腔的最大容积，Ap为柱塞的柱塞面积。

则第i个柱塞旋转一周的配油量为：

所以，泵的排量为：

式中，m为位于排油窗口的柱塞数量。

3 仿真分析

利用AMESim 仿真软件对非对称轴向柱塞泵进行仿真，所建模型如图3 所示。

参数设置如表1。

图3 仿真模型

表1 主要参数

图4 仿真结果

仿真结果如图4 所示，图4-2 为普通轴向柱塞泵控制单出杆液压缸，在液压缸换向时，可见压力脉冲较大，达到7 MPa，而图4-1 所示为非对称轴向柱塞泵控制单出杆液压缸，在液压缸换向时，压力平稳转换，并无明显压力冲击。

4 结语

本文所提出的非对称轴向柱塞泵具有三个配流窗口，是一种非对称结构，利用非对称结构的泵控制非对称的液压缸。根据仿真结果可以明显看出，使用非对称轴向柱塞泵控制单出杆液压缸，可以明显减小液压缸换向时的压力冲击，提高系统的稳定性。本文所研究内容为泵控容积直驱系统的实现奠定了基础，为液压系统的节能提供了新的解决思路。