数字阀配流低速大扭矩径向柱塞泵性能分析

李 双，杨 楠

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

0 引言

当前，经济发展的迅速使得环境问题愈发严峻，有限资源的开采不仅造成了能源逐渐短缺的现状，同时也对环境带来了一定污染。因此能源开发开采也逐渐转向可再生自然能源方向，风力发电和海洋能发电等成为了当下的研究重点。但这些可再生自然能源都具有一定的不确定性，导致原动力转换和发电设备的开发面临重重困难。而液压技术凭借着输出功率大、控制实效性高、体积小等优势，在风力发电等领域获得了广泛应用，但定量液压泵多根据恒定高转速驱动原理设计，面对风力发电存在的不确定性很难确保连续长时间运作。风能吸功泵是液压型风力发电的关键构成，所以基于风能吸功泵的柱塞泵或将成为一个可行的研究方向。

1 风能吸功泵结构及原理分析

1.1 风能吸功泵结构

依照风能吸功泵的运作需要，风能吸功泵的液力端选择数字阀配流的结构方式，动力端则以曲柄连杆结构为主，泵座中每排径向设计4个双作用泵缸，而且位置布设间距一致。曲轴选择两支乘三曲拐结构，三个曲柄等相位设计。从结构方面来看，风能吸功泵由连杆、十字头、活塞杆、曲轴等构成，曲轴前后端则通过轴承支承安装于泵座，连杆大头利用挡环和曲轴连接，在曲轴和连杆大头间具有轴瓦。十字头两侧和连杆小头以及活塞杆连接，十字头具有传递活塞的效果。在风能系统泵动力端及液力端之间进行密封设计，活塞利用锁紧螺母固定于活塞杆，在活塞杆运作过程中将双作用泵缸分为吸油及排油两个腔体，其中的液体流动通过配流阀来调控。

1.2 风能吸功泵运作原理

在工作瞬时曲柄连杆结构带动活塞进行运动，双作用泵缸无杆腔位置的油液会进行压缩，压缩过程中压力也会不断提高，排出阀打开且吸入阀压紧，油液经过排出阀排出，并且有杆腔位置的腔体形成吸空。活塞运动方向变化过程中，无杆腔位置的排出阀关闭，转变为吸油状态，有杆腔位置的吸入阀关闭排出阀打开，进入排油状态。这一系列过程中，数字配流阀都会在活塞频繁运作过程中反复启停，交替联通和截断活塞工作腔与进排管间的通道，实现风能吸功泵的吸进和排出[1]。

2 数字阀配流泵的原理与过程

2.1 数字阀配流泵原理分析

数字阀配流径向柱塞泵的实现主要利用多个二位三通高速电磁开关阀与1个绝对值旋转编码器，从而形成一个配流系统，与液压泵解耦股衔接。数字阀配流径向柱塞泵在运作期间，与泵轴衔接的编码器检测泵轴的运作信息，之后将信息传输到控制器，控制器根据信息中标识的转动方向、转速等确定液压泵柱塞的工作情况，进而对高速电磁开关阀进行控制。若泵轴逆时针旋转角度不足于36°，那么居中的两个二位三通高速电磁开关阀将会得电，与此同时和得电的两个二位三通高速电磁开关阀对应的液压泵柱塞腔开始排油，其他柱塞腔连通油箱，排油的两个柱塞腔在协同作用之下，液压泵开始向负载输出流量。

2.2 数字阀配流泵配流过程

泵轴在完成一周运作后，柱塞在运动期间可能会存在上下死点。由下死点到上死点的过程中，柱塞腔会进行排油，反之则为吸油。液压泵结构中临近的柱塞间角度为72°，所以柱塞转角角度便是72°以内，若泵轴转角为0°，那么对应的柱塞腔会处于死点位置[2]。

3 风能吸功泵配流阀动态响应特性

风能系统泵可以设计为容积式往复泵，配流阀作为泵的关键构成，配流阀的运作响应也会对其流量情况起到一定作用。对此需要结合风能吸功泵配流阀的具体运作情况建立仿真模型，对其影响因素进行分析。

3.1 配流阀数学模型及假设条件

在预期条件下，活塞运动期间，方向转变的同一时间排出阀会马上关闭并且开启吸入阀，相比于活塞运动来说是同步实现的。但在实践中却很难实现同步运作的目标，配流阀的运动规律可能会被活塞腔中的压力和配流阀荷载影响，使得配流阀停启存在一定的延迟，往往需要在活塞运动方向转变后一小段时间后才能发生动作。同时导致活塞腔中压力及配流阀荷载变化的因素较多，比如油液中的含气量和活塞密封度等都可能会成为主要因素。

在风能吸功泵配流阀运动过程中难以考虑到所有因素，在建立配流阀数学模型时需要确定以下几项假定条件：（1）满足流体连续性条件时，可以暂定油液含气量不足以影响开启阀和吸入阀的运作，而且活塞密封位置与泵阀关闭过程中不存在泄漏，油液也不会和活塞脱离；（2）忽略阀芯运作过程中存在的摩擦力；（3）忽略泵缸与活塞的变形情况。

因为配流阀中的排出阀及吸入阀在动态响应特性方面一致，所以不需要对无杆腔位置的排出因素进行分析。在配流阀的数学建模方面，主要方向便是将配流阀口作为分界点，将配流阀中的流场划分上下两个结构，这两个结构都具有不同的流态及静压力，若阀芯在液压作用下升起，那么液体会进入管道内部，经过阀芯的表面时，其值会跟随阀芯的运动而发生改变。

3.2 配流阀仿真模型

MATLAB/Simulink模块可以对非线性的变化进行模拟，让Simulink变为一种动态仿真的有效辅助工具，可以用其建立风能吸功泵配流阀的仿真模型。

3.2.1 仿真模型的构建

根据配流阀的数学模型，通过Matlab/Simulink平台来建立动态系统的仿真模型，仿真期间需要在Matlab的有关文件中录入风能吸功泵配流阀的动态响应参数，之后发送仿真模型的输入信号。同时还需要在仿真精度方面采取ode45算法，之后点击Run便可以实现仿真。在完成仿真模型的构建后，在示波器中提出配流阀位移及阀口流量的变量情况，制作动态曲线图，调整配流阀参数后能够得出各参数条件下的曲线图。

3.2.2 仿真结果

在曲柄转角旋转角度达到180°时，活塞运动的方向就会出现变化，这时候配流阀未能及时开启，相较于活塞运动大概滞后8°左右。而曲柄转角达到360°的情况下，活塞运动方向转变但配流阀却没有及时关闭，相较于活塞滞后大概7°左右。配流阀相较于活塞运动动作滞后的成因可能因为液体流动在压力的影响下压缩性提高，也可能因配流阀为被动压力敏感法，驱动力来源便是两侧存在的压力差，所以阀芯位置的弹簧系统滞后现象较为明显，只有阀芯两侧压力差高于开启压力且达到一定程度的情况下才会打开。开启滞后角高于关闭主要由于在阀芯开启时，活塞腔中的油液被压力影响，同时阀芯弹簧系统本身也具有滞后性，而关闭时则不受活塞腔中的油液压力因素影响。

配流阀滞后可能会对罚扣流量带来影响，所以也决定了风能吸功泵的出口流量，所以需要针对不同的影响因素以及动态响应性能进行分析，降低配流阀在运行期间存在的滞后效果，加强配流阀的流通效果[3-4]。

4 结语

数字配流径向柱塞恒流泵在风力发电中已经获得了较为普遍的应用，吸收能量后可以转变为恒定流量输出到负载，但风能吸功泵的设计需要考虑的因素较多，也涉及了多个学科和领域的专业知识，对此仍然具有较大的研究空间。但随着数字阀配流低速大扭矩径向柱塞泵的不断研究，相应的技术也将会越来越成熟，风力发电和潮汐发电也会创造出更高的经济和生态效益。