交变配流泵的流量特性

葛 正, 许全周

(浙江理工大学 信息科学与工程学院, 浙江 杭州 310018)

引言

激振系统根据其驱动动力源的不同,主要分为机械、电动、液压驱动等类型。其中液压式激振系统因其功率密度大,推力强、可控参数多而具有独特的优势,被广泛应用于车辆、建筑、海洋、航空航天、核工业等需要大推力高频率激振的领域[1-6]。

当前液压式激振系统,根据振动控制元件的不同,主要分为直动式伺服阀控激振系统和旋转阀控激振系统两大类。当振动频率较低时,伺服阀控激振系统能够通过控制阀芯运动实现各类振动波形。因此,针对伺服阀控激振系统的研究,主要集中在设计控制策略,以获得良好的跟踪性能[7-8]。在高频振动领域,旋转阀则因具有较高的频响特性,成为高频振动领域的研究热点[9]。当前, 学者们在旋转阀控激振系统的工作特性、结构优化等方面展开了长足的研究。姜志宏等[10]研究了旋转阀频率与激振系统压差和位移幅值的关系。赵国超等[11]研究了旋转阀芯开槽参数交互作用对激振控制阀输出压力的影响规律。WANG H等[12]设计了孔板形状和轴向长度,使得改进后的旋转阀更易获得高频振动。阮健等[13-14]设计并优化了一种2D活塞泵,利用活塞的旋转进行配流,省去了独立的配流元件,且避免了闭死区压缩和膨胀的问题。

尽管阀控激振系统已经取得了长足发展,然而阀控系统需要恒压液压源,效率有限。若通过泵直接产生交变液流以驱动液压缸或液压马达往复激振,可以避免阀控激振系统的不足。该方式的难点,主要在于如何动态改变泵输出液流的方向和流量。令柱塞泵轴往复运动可以生成交变液流。曹美忠等[15]研究了通过电机驱动定量泵往复旋转输出交变液流的低周试验机系统,但受限于电机响应能力,该方式难以实现高频激振。

改变配流盘角度也是调节柱塞泵输出流量的有效方式[16]。该技术已经在液压变压器领域得以运用[17]。仉志强等[18]利用组合式配流盘提高了液压变压器的变压比。LV X等[19]提出旋转斜盘式液压变压器,扩大了变压比并减少了节流损失。吴维等[20]提出了一种旋转斜盘式双缸体液压变压器,通过匹配初始位置和柱塞数目达到减少流量脉动和噪声的目的。目前相关研究聚焦于配流盘角度静态变化的状态,对配流盘连续旋转的柱塞泵流量特性的研究尚未见述。

若将配流盘连续旋转,则可以生成方向和流量连续变化的液流,即交变液流。本研究据此设计了交变配流泵新型结构,分析了交变配流泵的工作原理,建立其流量模型,研究了交变配流泵主要元件结构参数和运动状态对其输出流量的影响规律。

1 交变配流泵结构设计及工作原理

1.1 交变配流泵结构设计

如图1所示,交变配流泵基于斜盘式柱塞泵基本结构,包括斜盘变量模块、柱塞缸体模块和交变配流模块。

1.斜盘变量机构 2.柱塞缸体模块 3.交变配流模块

当主轴转动时,柱塞缸体模块中的柱塞随着缸体旋转从而沿轴线往复运动,抽取或释放油液。斜盘变量模块在电机、丝杠的驱动下,通过改变斜盘角度调节柱塞行程,从而改变泵的排量。交变配流模块是生成循环交变液流的核心。

如图2所示,交变配流模块包括固定配流盘、旋转配流盘、配流主动齿轮、配流从动齿轮、配流盘轴承、配流盘罩壳等。旋转配流盘一侧与固定配流盘接触,另一侧与柱塞缸体模块接触,其外侧连接配流从动齿轮,与配流主动齿轮相啮合;配流伺服电机的转子连接配流主动齿轮,通过驱动齿轮令旋转配流盘旋转。

1.旋转配流盘 2.固定配流盘 3.配流从动齿轮4.配流主动齿轮 5.配流伺服电机 6.柱塞缸体模块 7.轴承

固定配流盘的结构如图3所示,其与旋转配流盘的接触面上开有I、II两条不等径环槽,用于连通旋转配流盘的两条不等径腰形槽,环形槽向内延伸分别连通泵的两个油口。

图3 固定配流盘结构

旋转配流盘的结构如图4所示,配流盘同柱塞缸体模块接触面开有A和B两道油槽。两道油槽通过配流盘体沿轴向逐渐过渡到另一面形成两条不等径腰形槽口,用于连通固定配流盘的I、II两条不等径环槽。

图4 旋转配流盘结构

1.2 交变配流泵工作原理分析

如图5所示,柱塞缸体模块连续旋转,会在旋转配流盘左右两侧形成相位固定的高、低压区域。

图5 旋转配流盘旋转时两槽同高低压区连通情况

随着旋转配流盘旋转, A、B两槽同高、 低压区域的连通情况发生改变,泵的输入输出流量将发生如下变化:

0°<θ<90°:旋转配流盘A槽与泵体低压腔以及B槽与高压腔接触面积加大,固定配流盘II槽输出流量和I槽输入流量同时加大;

θ=90°:固定配流盘II槽输出流量和I槽输入流量达到最大;

90°<θ<180°:旋转配流盘A槽与泵体低压腔以及B槽与高压腔接触面积减小,固定配流盘II槽输出流量和I槽输入流量同时减小;

θ=180°:固定配流盘II槽输出流量和I槽输入流量减小到0;

180°<θ<270°:旋转配流盘B槽与泵体低压腔以及A槽与高压腔接触面积加大,固定配流盘I槽输出流量和II槽输入流量同时加大;

θ=270°:固定配流盘I槽输出流量和II槽输入流量达到最大;

270°<θ<360°旋转配流盘B槽与泵体低压腔以及A槽与高压腔接触面积减小,固定配流盘I槽输出流量和II槽输入流量同时减小;

θ=360°:固定配流盘I槽输出流量和II槽输入流量减小到0。

如此循环,泵的两油口就会形成方向交替变化的油液流动,从而产生交变液流。

2 交变配流泵流量特性模型

2.1 单柱塞流量模型

缸体旋转会带动柱塞一方面绕缸体中心回转,另一方面沿自身轴线直线运动,从而改变缸体腔容积,形成油液流动。以单柱塞为研究对象,如图6所示,记柱塞截面的中心位置与下死点重合时为运动初始位置,柱塞回转角位移记为φ,逆时针方向旋转为正。随着缸体正向旋转,柱塞从实线位置运动到虚线位置,柱塞沿轴线O-A方向的位移s为:

图6 柱塞运动简图

s=r(1-cosφ)tanβ

(1)

式中,r—— 柱塞分布半径

β—— 斜盘倾角

柱塞在平行于O-A方向上的速度为:

(2)

式中,ω—— 缸体旋转的角速度

柱塞腔瞬时流量为:

q=Av=Arωsinφtanβ

(3)

式中,A—— 柱塞横截面积

2.2 配流盘控制角度固定时的泵瞬时流量模型

假设缸体的柱塞腔个数为z。如图7所示,以具有7个柱塞腔的缸体为例。配流盘的两个腰形槽中心分别通过斜盘上、下死点为配流盘控制角度θ的初始位置。两个腰形槽末端之间的包角,设计成缸体卵形槽包角。这样当柱塞回转至两个腰形槽之间时,始终不同时连通两个腰形槽,以保证配流盘两个腰形槽不发生液流短路。

图7 柱塞腔与腰形槽连通的特殊位置关系

如图7a所示,当缸体处于柱塞腔6刚好脱离B槽,开始同A槽接触位置时,缸体旋转角度φ=π/2z。若缸体继续逆时针旋转,则如图7b所示,A槽同柱塞腔6、7、1、2相连通,B槽同柱塞腔3、4、5相连通,直至如图7c所示的,柱塞腔2脱离A槽,开始同B槽接触为止。即π/2z≤φ≤3π/2z时,A、B两槽的瞬时流量qA1、qB1满足:

qA1=-qB1

(4)

当缸体继续旋转,则如图7d所示,A槽同柱塞腔6、7、1相连通,B槽同柱塞腔2、3、4、5相连通,直至柱塞腔5刚好脱离B槽,开始同A槽接触为止。即3π/2z≤φ≤5π/2z时,A、B两槽的瞬时流量qA2、qB2满足:

2)设g≡0,c≠0，由于这时可取Φ1(z)=0，故Φ(z)=Χ(z)Φ0(z)，而Φ0(z)为D中非齐次H问题(7)的解，由定理2，当K≥0时，相应H问题有一般解

qA2=-qB2

(5)

至此,缸体已旋转2π/z,缸体继续旋转则两槽流量按上述规律重复变化,流量曲线可以认为是上述过程沿缸体角度φ的延拓。

综合式(4)和式(5)可进一步将流量表达式化简为:

qA=-qB

(6)

其中,n为整数序数,除sin(φ-nπ/z)以外,均为静态参数。当配流盘控制角度θ=0°时,A、B两个腰形槽瞬时流量方向相反,大小相同,说明两槽输入输出液流能够互补。

2.3 配流盘连续旋转时的泵瞬时流量模型

设缸体以角速度ω,旋转配流盘以角速度Ω连续旋转,则经过时间t,缸体旋转角位移φ,配流盘角位移θ满足:

(7)

将式(7)代入式(6)可得泵的瞬时流量为:

qA=-qB

(n=0,1,2,…)

(8)

3 交变配流泵理论流量特性分析

根据式(8)所示的交变配流泵理论瞬时流量模型,交变配流泵输出流量与斜盘倾角的正切值成正比,因此改变斜盘倾角可调节交变液流的幅值,不再展开分析。采用表1参数,分别分析旋转配流盘和缸体处于不同转速时的交变配流泵理论流量特性。

表1 交变配流泵的主要结构参数

设定旋转配流盘转速Ω=1200 r/min,取缸体转速ω分别为500,1200,1900 r/min,缸体与配流盘分别同向与反向旋转时,交变配流泵的瞬时流量qA随时间t的变化情况分别如图8所示。

设定缸体转速ω=1200 r/min,取旋转配流盘转速Ω分别为600,1200,1800 r/min,缸体与配流盘分别同向与反向旋转时,交变配流泵的瞬时流量qA随时间t的变化情况分别如图9所示。

图9 不同旋转配流盘转速下的交变配流泵输出流量

综合图8和图9可见,无论旋转配流盘和缸体同向转动或反向转动,交变配流泵的输出流量均呈准正弦特性。旋转配流盘回转频率与交变液流的频率相同,缸体转速与交变液流的幅值正相关。改变旋转配流盘转速和缸体转速,可以分别独立调节交变液流的频率和幅值。

此外,当旋转配流盘和缸体转速接近时,流量脉动较小。当旋转配流盘和缸体转速差别较大时,流量脉动较大。当旋转配流盘和缸体反向旋转时,流量脉动尤为严重。

4 交变配流泵流量特性仿真分析

4.1 交变配流泵仿真模型

基于AMESim软件建立如图10所示的交变配流泵输出特性仿真模型。图10右侧为交变配流泵的斜盘、配流盘驱动电机、缸体驱动主电机等输入部分,左侧为交变配流泵输出部分。其中柱塞腔模型中设置两个过流面积随角度变化模块,用以设置旋转配流盘两个槽口过流面积随旋转角度的变化;输入部分可设置斜盘角度、配流盘驱动电机转速和主电机转速等输入参数;输出部分设置最大通径为6 mm的可调节流阀模拟负载,以及流量传感器监测流量变化。

图10 交变配流泵输出特性仿真模型

4.2 理论与仿真输出流量对比分析

在节流阀维持在最大开度的情况下,缸体和旋转配流盘分别以不同转速同向和反向转动,记录泵输出的流量曲线分别如图11所示。

图11 交变配流泵理论模型流量与仿真流量的对比

分析图11可知,理论流量和仿真流量在缸体和旋转配流盘同速同向转动时吻合度很高。当缸体和旋转配流盘转速不相同时,仿真流量和理论流量曲线基本吻合,在理论流量间断点附近由于流量突变,仿真流量出现更大幅度的流量脉动。仿真分析进一步验证了交变配流泵的流量模型及流量特性分析的正确性。

5 结论

(1) 在斜盘式柱塞泵基础上加入交变配流模块,通过旋转配流盘连续旋转的方式可以将柱塞泵产生的定向液流转变为方向交变的液流,从而具备驱动激振系统的能力;

(2) 交变配流泵在旋转配流盘连续旋转时输出的流量变化接近正弦曲线。在一个正弦周期内,泵的两个油口随着时间的变化交替进行吸油和排油,可以实现液流的交变;

(3) 改变斜盘角度和缸体转速可以改变交变液流的幅值,斜盘角度越大或缸体转速越大,则交变液流的幅值越大。旋转配流盘回转频率等于交变液流的频率,旋转配流盘转速越大则交变液流的频率越大;

(4) 当旋转配流盘与缸体同步转动时,输出流量最接近正弦曲线。当旋转配流盘与缸体转速不同时,输出流量会出现不连续现象,引起流量脉动,旋转配流盘和缸体不同向转动时,不连续现象尤为突出。