锥形缸体斜盘式轴向柱塞泵腔内压力特性研究*

2021-02-25张志伟黄克康申煜玺

机电工程 2021年2期

张志伟，武兵,2*，王君,2，黄克康，申煜玺，刘洋

(1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西太原 030024)

0 引言

轴向柱塞泵产生噪声的因素比较多，而泵作为液压系统的核心部件，多数学者认为液压系统的噪声主要来源于泵的流体噪声。柱塞泵的柱塞在运动工作中，柱塞腔腔内压力的快速变化是产生流体噪声的重要因素，腔内的压力脉动和压力冲击能够造成整个柱塞泵在力和力矩方面发生相应的脉动和冲击，缸体、斜盘等柱塞泵部件也随之产生振动以及噪声。故研究柱塞泵腔内压力的变化规律对如何降低柱塞泵的噪声有着重要的参考意义。

为了探索柱塞泵腔内压力变化情况，英国University of Bath的EDGE K A教授[1]对柱塞泵腔内压力的瞬变状态进行了实测研究，并验证了用柱塞泵简单的节流孔压力流量公式建模的精确性比较低；德国Technical University of Hamburg-Harburg的IVANTYSYNOVA M教授[2]指出了轴向柱塞泵的腔内压力是柱塞副、滑靴副和配流副的动力源，各个泄漏的油膜润滑状态与柱塞腔内压力有着密切的联系；浙江大学的徐兵教授[3]通过优化配流盘降低了腔内的压力冲击，并指出了柱塞的受力和运动与柱塞腔内压力有着密切关系；胡亮[4]通过使用ADAMS和AMESim对圆柱形轴向柱塞泵进行了联合仿真，对比两者的速度位移验证了仿真模型的正确性，在此基础上仿真得出了不同负载对柱塞腔压力的动态规律及柱塞副泄漏流量的变化特性；哈尔滨工业大学的王克龙博士[5,6]建立了柱塞腔内动态压力方程，基于节流口流量公式得到了腔内动态压力曲线，研究了柱塞腔内压力与柱塞微运动的关系；太原理工大学的李会妨[7]基于Simulation X搭建了恒压柱塞泵的仿真模型，对柱塞泵的结构参数不断地优化改进，仿真得到了单个柱塞的腔内压力变化图，以及在整个柱塞泵中腔内压力的动态变化规律。

目前，针对柱塞泵腔内压力的研究，大多数的学者都是通过理论计算或者仿真技术去获取腔内的动态变化。而油液的可压缩性和油液的黏性是影响腔内压力的重要因素之一，但目前对油液的可压缩性和油液的黏度研究还不够充分。

本文通过AMESim对锥形缸体轴向柱塞泵进行仿真建模，分析斜盘倾斜角度、油液弹性模量系数和动力粘度系数对腔内压力特性的影响，为锥形缸体柱塞泵的建模提供改进方案，对腔内压力的研究以及降低噪声有着重要的参考意义。

1 锥形缸体柱塞泵的理论分析

1.1 轴向柱塞泵的运动学分析

圆锥形缸体轴向柱塞泵和圆柱形缸体轴向柱塞泵两者的工作原理相似。

锥形缸体轴向柱塞泵的工作原理如图1所示。

图1 锥形缸体轴向柱塞泵的工作原理1-斜盘；2-滑靴；3-柱塞；4-缸体；5-配流盘；6-传动轴

在图1中，传动轴上箭头为旋转方向。斜盘式轴向柱塞泵主要包括2种运动：一是传动轴在原动机的带动下，缸体、柱塞和滑靴等一起绕传动轴做旋转运动；二是柱塞在缸体内做往复运动。柱塞的往复运动造成缸体孔内密封腔容积发生着改变，容积增大时，油液从配流盘的窗口a吸入；相反，容积减小时，油液从配流盘的窗口b排出。

锥形缸体轴向柱塞泵的运动关系如图2所示。

图2 锥形缸体轴向柱塞泵的运动关系

由图2的运动关系图，SHI Z R等[8]根据立体几何计算方法，求出了锥形缸体轴向柱塞泵的位移速度方程。

锥形缸体柱塞轴向位移方程为：

(1)

锥形缸体柱塞运行速度方程为：

(2)

式中：θ—斜盘倾角；R—下死点时滑靴球心和主轴之间的距离半径；γ—锥形缸体柱塞和主轴之间的夹角；φ—缸体转角即柱塞与初始位置上死点之间的夹角；ω—缸体旋转角速度。

1.2 柱塞腔内压力理论分析

轴向柱塞泵内的9个柱塞交替吸油排油来完成柱塞泵的工作时，柱塞腔可以被看作为一个控制容积，柱塞在吸油和排油的过程中，柱塞的容积因柱塞的运动发生急剧变化，同时油液的流进流出使腔内压力发生瞬息剧烈改变。

在引起柱塞泵腔内压力的因素中，柱塞的运动占主要作用，此外存在节流效应、液体的可压缩性、黏性、泄漏以及气穴等现象。

柱塞腔内压力瞬时变化模型图如图3所示。

图3 柱塞腔内压力瞬时变化模型图HP—高压吸油区；LP—低压吸油区；A1—吸油截面积；A0—排油截面积

SEENIRAJ G K等[9]根据油液体积弹性公式推导出柱塞腔压力特性方程，即：

(3)

式中：Pz—柱塞腔腔内压力；Kτ—油液的体积弹性模量；QPL—配流副的泄漏流量；QZS—柱塞副的泄漏流量；Qhx—滑靴副的泄漏流量；Qn—第n个柱塞腔与配流盘之间的流量；V0—闭死容积；Az—柱塞截面积。

1.3 柱塞泵的泄漏效应

柱塞泵主要有3个泄漏部分：柱塞副泄漏、滑靴副泄漏和配流副泄漏[10]。

(1)柱塞副泄漏流量：

(4)

(2)滑靴副泄漏流量：

(5)

(3)配流副泄漏流量：

(6)

式中：dZ—柱塞直径；ε1，ε2，ε3—柱塞副、滑靴副和配流副的油膜间隙；LH—柱塞的含接长度；ξ—柱塞偏心率；ρ—油液动力黏度；dk—柱塞内节流孔的孔径；lk—柱塞内的节流孔长度；r1，r2—滑靴封油带的内径和外径；R1，R2—内封油带的内径和外半径；R3，R4—配流盘外封油带的内径和外径；PH—泵回油压力。

2 AMESim的仿真建模

2.1 斜盘-柱塞-缸体模块的建立

AMESim是一款基于键合图的液压机械系统建模仿真及动力学分析软件[11]。本研究首先利用AMESim中的二次开发Submodel Editor，对原有的模块SWASH_PISTON_MECH705基于C语言使用锥形运功学公式进行编译，成功保存后，在子模型模块选择锥形缸体斜盘式轴向柱塞泵所需要的模型SWASH_PISTON_MECH705_1。

设置圆柱分度圆半径与圆锥R相同时，位移对比图如图4所示。

图4 位移对比图

从图4中可以看出：圆锥模型比圆柱模型的位移大，也就是说圆锥模型中柱塞的行程比圆柱模型中柱塞的行程略大[12]，这符合实际情况。所以使用圆锥模型比使用圆柱缸体模型更加接近于实际，能够减小仿真误差。

2.2 柱塞泵模型的建立

根据前文的理论分析，柱塞泵的柱塞主要是由柱塞容积模型和泄漏模型组成，柱塞模型模拟柱塞在柱塞腔内的运动，泄漏模型模拟柱塞的柱塞副泄漏，添加配流副泄漏和滑靴副泄漏，模拟柱塞在缸体内做往复运动时的泄漏。

根据式(3)可以看出，泄漏流量与柱塞腔腔内压力有着密切的关联，所以对柱塞腔压力变化的研究不能忽略。节流孔由信号开关控制模拟配流盘的配流过程和柱塞泵出口压力的大小。

此外，本文添加原动机、配流盘和油箱等部件的仿真模型[13,14]，建立单柱塞模型如图5所示。

图5 单柱塞模型

图5中，对单柱塞模块进行封装，即对单柱塞模型图中的虚线部分进行封装，封装成箭头左侧的超级元件，这样有利于在整个柱塞泵建模中使用。

在建立单柱塞的基础上，笔者使用单柱塞的超级元件进行连接，构建锥形缸体轴向柱塞泵模型如图6所示。

图6 锥形缸体轴向柱塞泵

3 实验验证与仿真分析

柱塞泵的仿真参数如表1所示。

表1 柱塞泵的仿真参数

仿真的正确性影响着仿真结果的分析，所以验证仿真模型的正确性是有必要的。

构建压力-流量特性曲线验证图如图7所示。

图7 压力-流量特性曲线验证图

图7中，将江苏某公司所提供的实验数据和仿真数据进行拟合并进行对比。通过图7对比可以发现，仿真数据比较接近于实验数据，所以仿真的分析是有效的。

3.1 斜盘倾角与腔内压力的关系

设定轴向柱塞泵的转速n=1 500 r/min,信号k=0.3，斜盘倾角分别设定为-15°、-9°和-3°。

不同斜盘倾斜角度的腔内压力如图8所示。

图8 不同斜盘倾斜角度的腔内压力

不同斜盘倾斜角度的腔内压力值如表2所示。

表2 不同斜盘倾斜角度的腔内压力值

由表2可以明显看出：随着斜盘倾斜角度的增大，柱塞腔内的压力会增大，腔内的波动幅值以及腔内压力冲击也在增大；而且从表中可以看出，-9°和-15°以及-9°和-3°之间最大压力的差值分别约为23.5 MPa和11.4 MPa，相应的最低压力和波动幅值也存在-9°和-15°之间的差值，大于在-9°和-3°之间的差值。而脉动率随着斜盘倾斜角度的增大而减小，但减小的幅度却在增大。