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      一種新型恒功率柱塞泵斜盤角度自調(diào)節(jié)機構(gòu)受力模型研究

      2015-04-16 09:09:08煙臺艾迪液壓科技有限公司山東煙臺265503煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院山東煙臺264005煙臺大學(xué)山東省高校先進制造及控制技術(shù)重點實驗室山東煙臺264005
      液壓與氣動 2015年9期
      關(guān)鍵詞:斜盤柱塞泵柱塞

      , ,  ,  (. 煙臺艾迪液壓科技有限公司, 山東 煙臺 265503; 2.煙臺大學(xué) 機電汽車工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005;3.煙臺大學(xué) 山東省高校先進制造及控制技術(shù)重點實驗室, 山東 煙臺 264005)

      引言

      斜盤式軸向柱塞泵己廣泛作為注塑機、壓力機、機床、航空、工程機械和建筑機械的液壓系統(tǒng)動力源[1-3]。在變量柱塞泵中均設(shè)有專門的變量機構(gòu),用來改變斜盤傾角的大小以調(diào)節(jié)泵的排量[4-6]。目前,變量機構(gòu)通常有手動變量、壓力補償變量、恒流變量、電液比例變量、伺服變量等多種變量形式,其中,用伺服閥來調(diào)節(jié)斜盤角度的泵使用量很大,但成本較高[7,8]。給出了一種新型斜盤角度調(diào)節(jié)機構(gòu),該泵不需要伺服閥即可根據(jù)負載大小實時調(diào)節(jié)斜盤角度以控制流量,近似恒功率泵。通過對該柱塞泵流量調(diào)節(jié)機理的分析,建立了斜盤角度自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型,并進行了仿真分析和實驗驗證,為該柱塞泵的推廣使用奠定了理論基礎(chǔ)。

      1 柱塞泵流量自適應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)

      該新型柱塞泵流量自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)由斜盤2、雙彈簧3、阻尼器1等組成,斜盤調(diào)節(jié)角度范圍為γmax~γmin,如圖1所示。當(dāng)負載較小時,彈簧力推動斜盤至最大角度位置,此時泵排量最大,執(zhí)行機構(gòu)運動速度最快;當(dāng)負載逐漸增大,處于壓油區(qū)柱塞實時對斜盤產(chǎn)生一合力矩與彈簧力矩相抗衡,直至達到力矩平衡點,斜盤趨于平穩(wěn),由于工程機械大多負載頻繁變化,斜盤角度在調(diào)節(jié)過程中會引起振蕩,因此,設(shè)置阻尼器1以使系統(tǒng)盡快趨于穩(wěn)定;負載繼續(xù)增大,直至斜盤角度達到最小值,此時負載最大,而泵排量最小。

      1.阻尼器 2.斜盤 3.雙彈簧 4.球鉸支點 5.吸油區(qū) 6.柱塞 7.壓油區(qū)

      2 實時調(diào)節(jié)機構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立

      為了推導(dǎo)斜盤角度動態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)受力模型,建立了如圖2所示簡化物理模型。

      圖2 柱塞泵斜盤角度調(diào)節(jié)機構(gòu)簡化物理模型

      設(shè)柱塞泵缸體旋轉(zhuǎn)中心軸線與斜盤旋轉(zhuǎn)球鉸支點之間偏移量為δ,斜盤傾斜角度為γ,柱塞中心分布圓半徑為r,柱塞直徑為d,彈簧彈性系數(shù)分別為K1、K2,Ⅰ為吸油區(qū),Ⅱ為壓油區(qū)。如圖2所示,柱塞7~10處在吸油區(qū),其壓力低于0.1 MPa,而柱塞6介于吸油區(qū)和壓油區(qū)之間,處于缸體底部其壓力也較小,為了計算方便,這5個柱塞作用在斜盤上的作用力忽略不計。由于斜盤有傾角且缸體不斷旋轉(zhuǎn),柱塞1~5逐漸把液壓油壓入壓油區(qū),其壓力可近似為系統(tǒng)工作壓力(壓油區(qū)壓力),在缸體旋轉(zhuǎn)過程中柱塞2、3與柱塞4、5基本保持對稱,力矩T2、T3與T4、T5相互抵消,其作用在斜盤上合力矩僅與柱塞泵缸體旋轉(zhuǎn)中心軸線與斜盤旋轉(zhuǎn)球鉸支點之間偏移量δ有關(guān)。因此,柱塞1~5所產(chǎn)生的合力矩(與系統(tǒng)工作壓力p,即負載有關(guān))與彈簧力Fk所產(chǎn)生的力矩Tk共同作用來實時調(diào)整斜盤角度,進而實現(xiàn)了柱塞泵排量的調(diào)節(jié)。

      2.1 柱塞作用在斜盤上的力矩分析

      柱塞作用在斜盤上的力Fp為:

      (1)

      其中:

      F1=pA

      (2)

      式中,p—— 泵輸出壓力或工作壓力,MPa

      F1—— 柱塞1作用在斜盤上的力,N

      A—— 柱塞橫截面積,mm2,其值為:

      式中,d—— 柱塞直徑,mm

      故柱塞作用在斜盤上的力矩Tp為:

      Tp=F1r+F2(r+δ)+F3(r+δ)-

      F4(r-δ)-F5(r-δ)

      (3)

      式中,δ—— 柱塞泵缸體旋轉(zhuǎn)中心軸線與斜盤旋轉(zhuǎn)球鉸支點之間偏移量,mm

      F1~F5—— 分別為1~5號柱塞所產(chǎn)生的作用于斜盤的力,與F1近似相等,N

      2.2 彈簧作用在斜盤上的力矩分析

      如圖2所示,為了近似逼近恒功率柱塞泵理論壓力-流量特性曲線,當(dāng)斜盤角度從最大值γmax變化至臨界值γcr時,僅有彈簧K1起作用;當(dāng)斜盤角度從臨界值γcr變化至最小值γmin時,彈簧K1和彈簧K2同時起作用。

      當(dāng)斜盤傾角γ=γmax~γcr時,彈簧K1作用在斜盤上的力矩Tk1為:

      (4)

      其中,

      (5)

      式中,Fk1—— 彈簧K1作用在斜盤上的力,N

      K1—— 彈簧K1彈性系數(shù),N/mm

      ΔL—— 彈簧K1初始壓縮量,mm

      γmax—— 斜盤最大傾斜角,°

      γ—— 斜盤傾角,°

      R—— 彈簧與斜盤連接點至斜盤球鉸支點間距離,mm

      當(dāng)斜盤傾角γ=γcr~γmin時,彈簧K1和彈簧K2共同作用在斜盤上的力矩Tk12為:

      (6)

      其中,

      (7)

      式中,Fk12—— 彈簧K1和彈簧K2共同作用在斜盤上的力,N

      K2—— 彈簧K2彈性系數(shù),N/mm

      γcr—— 當(dāng)彈簧K2作用時斜盤傾角,°

      γmin—— 斜盤最小傾斜角度,°

      2.3 斜盤角度實時調(diào)節(jié)機構(gòu)數(shù)學(xué)模型

      當(dāng)斜盤傾角γ=γmax~γcr,柱塞泵斜盤受力平衡時,聯(lián)立公式(1)~ (5),可得壓力p與斜盤傾角γ之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式為:

      (8)

      當(dāng)斜盤傾角γ=γcr~γmin,柱塞泵斜盤受力平衡時,聯(lián)立公式(1)~ (3)、(6)、(7),可得壓力p與斜盤傾角γ之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式為:

      (9)

      2.4 柱塞泵流量與斜盤傾角間關(guān)系式的推導(dǎo)

      如圖2所示,缸體轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時,泵的排量V為:

      (10)

      柱塞泵理論輸出流量q與斜盤傾角γ之間關(guān)系式為:

      (11)

      式中,q—— 柱塞泵理論輸出流量,L/min

      Z—— 柱塞數(shù)

      n—— 泵轉(zhuǎn)速,r/min

      r—— 柱塞中心分布圓半徑,dm

      3 仿真和實驗分析

      為驗證所建立模型,針對某型號柱塞泵斜盤傾角變化范圍為4°~14°,最大壓力為25 MPa。由式(11)可得,柱塞泵流量隨斜盤傾角變化曲線,如圖3所示。隨著斜盤傾角的不斷增大,柱塞泵流量也逐漸增加,流量基本與斜盤傾角成正比,流量特性較好。

      圖3 流量隨斜盤傾角變化曲線

      聯(lián)立公式(8)~(11)可得,柱塞泵壓力-流量特性曲線,如圖4所示,粗實線Ⅳ為實驗曲線,細實線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為仿真曲線。仿真曲線為分段曲線:當(dāng)壓力p較低時,不足以克服彈簧作用力時,為第Ⅰ段曲線,其流量為最大值qmax,且不隨壓力改變而改變,僅有少許泄漏量;當(dāng)壓力p逐漸升高,達到足以克服彈簧K1(如圖2所示)作用力Fk1時,彈簧K1被壓縮,斜盤傾角γ逐漸減小,泵流量亦逐漸減小,為第Ⅱ段曲線;隨著負載進一步增加,柱塞泵輸出壓力也增加,此時,彈簧K2和彈簧K1同時起作用,斜盤傾角進一步減小,泵流量亦逐漸降低,當(dāng)斜盤傾角達到最小時,泵輸出流量也達到最小值qmin,此時為第Ⅲ段曲線。

      綜上,該泵壓力-流量特性曲線符合恒功率柱塞泵的相關(guān)特性,實驗曲線和仿真曲線基本吻合,說明所建立的數(shù)學(xué)模型是合理的。

      4 結(jié)論

      通過對該柱塞泵輸出流量及輸出壓力調(diào)節(jié)機理的分析,建立了斜盤角度自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型,并進行了仿真分析和實驗驗證,分析結(jié)果表明,建立的大功率柱塞泵斜盤傾角動態(tài)調(diào)節(jié)模型是正確的,為該柱塞泵的進一步推廣使用奠定了理論基礎(chǔ)。

      參考文獻:

      [1]高珊,郭勇,等.恒功率軸向柱塞泵建模及動態(tài)性能優(yōu)化[J].機械設(shè)計與研究,2013,(1):83-86.

      [2]陳煥明,劉衛(wèi)國,等.高壓大流量柱塞泵建模與仿真研究[J].機床與液壓,2012,(7):139-143.

      [3]劉桓龍,張燃,等.斜盤式柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈動特性的影響研究[J].機械制造與自動化,2012,(4):21-23.

      [4]楊逢瑜,胡敏,等.斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵柱塞的運動學(xué)及動力學(xué)特性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2013,37(2):52-56.

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      [8]劉健.軸向柱塞泵實際流量及脈動系數(shù)的理論研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2008.

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