具叶片特征的径向异形柱塞泵设计及流量研究

2021-10-26周鹏孟利民俞向明

机械工程师 2021年10期

周鹏, 孟利民, 俞向明

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

近年来，液压传动在工程机械、锻压机械、矿山机械等一系列工程实际中应用越来越广泛，常见的有叶片泵与柱塞泵[1]。但由于叶片泵受叶片厚度与内部结构的原因，常常伴随着泄漏与流量脉动的存在[2]，同时径向柱塞泵的配油轴由于存在脉动径向力，对此研究出了“平衡液压力”的设计，但仍然无法使配流轴所受的径向力完全平衡[3]。受径向不平衡液压力的影响,配流轴更加易于磨损,而且影响其寿命。针对这些问题，本文设计了一种新型的组合泵，将柱塞泵设计成双作用径向柱塞泵[4]并与双作用叶片泵相组合起来，并进行仿真模拟，观察其脉动特性。

1 新型复合泵的结构与工作原理

新型组合泵的结构如图1所示。电动机带动传动轴旋转，左配油盘与转子通过连杆随之转动，转子上叶片在离心力的作用下不断向外伸出，使得叶片与定子内表面组成的密封容腔不断增大，使油液进入，与此同时叶片底部与转子之间形成密封腔也在增大，油液从配油轴吸油通道吸入，通过衬套进入密封腔，完成整个组合泵的吸油过程。随着转子的转动，叶片不断向内收缩，叶片与定子内表面形成的密封腔不断缩小，从而排出高压油，叶片的收缩也使得叶片底部与转子之间的密封腔减小，油液通过衬套向配油轴的排油通道流出，整个装置完成排油过程。每个叶片在转动的过程里都是这样的一个循环，转子每转1转，组合泵就会进行2次吸油和排油，由于叶片泵与径向柱塞泵的出口流道路径不同，所以组合泵出口处的流量不是两泵流量的简单相加，而是错位相加，这样就可以实现相比较单独双作用叶片泵而言，不仅增加流量，也可以降低流量的脉动性。

图1 复合泵的结构示意图

2 仿真分析

2.1 双作用叶片泵的模拟仿真

组合泵中单独的双作用叶片泵平均流量计算公式为

式中：B为叶片的宽度；R为定子内曲线长轴半径；r为定子内曲线短轴半径；θ为每个叶片倾斜角度；Z为叶片数量；n为转速；ηv为容积效率；δ为叶片厚度。

在本次模拟仿真中，设置叶片宽度为10 mm，定子内曲线长轴半径为32.5 mm，定子内曲线短轴半径为28.5 mm，叶片倾角为0°，叶片数量为10片，转速为1500 r/min，叶片厚度为3 mm，假定叶片泵的容积效率为1，计算出平均流量为Q叶=0.32327 L/s。

理论瞬时流量为处在排油区的各个工作腔的瞬时流量之和，也可以理解为在忽略泄漏的情况下，转子转一圈过程中工作腔的几何空间变化率减去由叶片本身厚度影响所造成耗油瞬时流量，具体的计算公式为

式中：ω为转子的角速度；k为处于吸油工作腔的叶片数；ρ(θ)为定子某一点的矢径；j为叶片序号；所采用的定子曲线为椭圆曲线。

在Matlab上编写该函数得到双作用叶片泵的理论瞬时流量图，并与实际流量图相对比。用软件SolidWorks建立出三维模型，导入Workbench中进行流体域的提取并划分，以stl格式保存，最终导入Pumplinx进行模拟。得到双作用叶片泵出口流量图如图2所示。算得的平均流量再计入容积效率与模拟出的流量大致吻合，且模拟的实际瞬时流量图与理论瞬时流量图基本吻合，故模拟设置合理，结果正确。