雙聯(lián)軸向柱塞泵配流盤優(yōu)化與流量脈動(dòng)特性的分析

張棟棟

摘要：當(dāng)前，隨著我國(guó)機(jī)電工程技術(shù)水平的不斷提高，為了更好地降低新機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)成本，應(yīng)進(jìn)一步解決雙聯(lián)軸向柱塞泵存在的流量突變問(wèn)題?；诖?，本文就雙聯(lián)軸向柱塞泵配流盤的優(yōu)化方案進(jìn)行分析，并探討其流量脈動(dòng)特性，同時(shí)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，以供參考。

關(guān)鍵詞：雙聯(lián)軸向柱塞泵;配流盤;流量脈動(dòng)

引言：流量脈動(dòng)在負(fù)載阻抗的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為壓力脈動(dòng)并引起液壓元件的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，國(guó)內(nèi)外研究人員和學(xué)者對(duì)柱塞泵配流盤進(jìn)行了海量的研究，雖然顯著降低了流量脈動(dòng)壓力，但降噪效果仍有待提升，應(yīng)進(jìn)一步以應(yīng)用型挖掘機(jī)械地串聯(lián)雙泵為研究對(duì)象，改進(jìn)配流盤結(jié)構(gòu)。

1雙聯(lián)軸向柱塞泵配流盤優(yōu)化方案

為了有效優(yōu)化配流盤，本方案以選擇配流盤過(guò)渡區(qū)增設(shè)配錯(cuò)角，使其縱軸與死點(diǎn)軸處于不重合狀態(tài)，并在排油過(guò)渡區(qū)設(shè)置三角阻尼槽，以實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓，并在吸油過(guò)濾去設(shè)置U型阻尼槽進(jìn)行預(yù)卸壓。在操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱塞腔脫離吸油槽時(shí)，柱塞腔的閉死壓縮階段會(huì)引起壓力正超調(diào);當(dāng)柱塞脫離排油槽時(shí)，在柱塞腔內(nèi)的閉死膨脹階段會(huì)引起壓力負(fù)超調(diào)，并產(chǎn)生氣穴?？紤]到這一因素，在配流盤優(yōu)化中需要針對(duì)性解決這一難題?；诖藨?yīng)從數(shù)學(xué)模型和物理仿真模型入手，進(jìn)一步優(yōu)化雙聯(lián)軸向柱塞泵配流盤[1]。

1.1柱塞泵流體脈動(dòng)數(shù)學(xué)模型

考慮到軸向柱塞泵是通過(guò)主軸來(lái)帶動(dòng)2個(gè)缸體的旋轉(zhuǎn)，并構(gòu)成串聯(lián)雙泵，且每個(gè)泵中都有9個(gè)柱塞。因此，柱塞在柱塞口孔內(nèi)會(huì)受到柱塞腔油液壓力、缸體等元件作用和影響，進(jìn)而改變流體狀態(tài)、流量及壓力。因而，需將柱塞外死點(diǎn)設(shè)置為初始位置，并進(jìn)一步獲得柱塞軸向位移及速度的方程、柱塞腔容積變化率表達(dá)式。通過(guò)方程和表達(dá)式可知，配流盤的過(guò)流面積時(shí)期因柱塞腔壓力變化的主要因素，因此需要在合理設(shè)計(jì)配流盤的基礎(chǔ)上降低流體脈動(dòng)。

1.2配流盤特性仿真物理模型

考慮到新配流盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有三角槽、阻尼孔以及腰型流通槽組成過(guò)流面積會(huì)隨著柱塞腔以及配流盤接觸面積的變化而變化，需要以外死點(diǎn)為起點(diǎn)，對(duì)不同階段的柱塞腔和優(yōu)化后的配流盤基礎(chǔ)面積進(jìn)行重新計(jì)算。同時(shí)還要掌握不同階段的配流口流通面積變化特點(diǎn)。在第一階段，由于柱塞腔未與阻尼孔發(fā)生接觸，且柱塞腔未離開吸油槽;第二階段，柱塞腔脫離吸油槽，柱塞腔與三角減振操接觸;第三階段，柱塞腔進(jìn)入排油腰型槽，并變?yōu)榻孛鎱^(qū)域;第四階段，柱塞腔退出三角槽區(qū)域，配流口流通面積應(yīng)減去部分三角減振槽的流通面積。

2流量脈動(dòng)特性分析

2.1配流盤改進(jìn)前后的綜合對(duì)比分析

在對(duì)比改進(jìn)前后流量壓力脈動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)觀察單個(gè)柱塞腔內(nèi)的壓力變化可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的配流盤明顯在排油過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)的壓力沖擊現(xiàn)象得到了緩解，且在吸油過(guò)渡區(qū)雖然仍存在壓力沖擊現(xiàn)象，但對(duì)比原版配流盤沖擊壓力得到了顯著檢定，由此可以證明性配流盤能夠有效降低過(guò)渡區(qū)的壓力沖擊。在分析改進(jìn)前泵出口流量時(shí)，截取2個(gè)周期，與改進(jìn)后的泵出口流量進(jìn)行對(duì)比，可以看出改進(jìn)后的泵出口流量在過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生的流量倒灌現(xiàn)象被明顯減弱，且流量脈動(dòng)也更低于原配流盤由此可以表明新配流盤具有顯著降低流量脈動(dòng)的功能特性。

2.2三角阻尼槽對(duì)流量脈動(dòng)的影響分析

為了更好地對(duì)改進(jìn)前后的配流盤流量和壓力進(jìn)行真實(shí)的對(duì)比分析，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證新配流盤具備降低流體噪聲的特性，考慮到過(guò)渡區(qū)主要是通過(guò)設(shè)置三角阻尼槽來(lái)降低壓力沖擊，還需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)三角阻尼槽的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化配比，以確保能夠獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

開口角與截面頂角是三角阻尼槽的重要參數(shù)，結(jié)合配流盤改進(jìn)需要將三角阻尼槽開口角控制在14°-18°，將截面頂角控制在了80°-100°，選取不同指數(shù)的開口角與截面頂角進(jìn)行流量脈動(dòng)的仿真處理，可以發(fā)現(xiàn)在不同取值范圍下，隨著角度指數(shù)的增加，柱塞泵的流量變化有趨同的態(tài)勢(shì)，且當(dāng)三角阻尼槽的開口角與截面頂角分別處于15°和85°時(shí)，柱塞泵流量的脈動(dòng)幅值和脈動(dòng)率最低?；谶@組數(shù)據(jù)下的流量脈動(dòng)特性，在新配流盤的三角阻尼槽設(shè)置中，為了確保流量脈動(dòng)處于最小值，開口角應(yīng)選擇15°，截面頂角為85°。

3仿真實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

為了更精確地驗(yàn)證新配流盤對(duì)流量動(dòng)脈的影響，還需要借助液壓仿真軟件進(jìn)一步建立恒功率變量雙泵模型，通過(guò)將原配流盤和新配流盤帶入到仿真模型中，更深層次地對(duì)比和分析二者對(duì)泵出口流量、壓力及動(dòng)態(tài)特征[2]。

3.1仿真實(shí)驗(yàn)

在仿真實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)以相同類型挖掘機(jī)的雙聯(lián)柱塞泵為研究對(duì)象，考慮到該挖掘機(jī)有2個(gè)主泵和1個(gè)先導(dǎo)泵，且每個(gè)主泵都有獨(dú)立的變量調(diào)節(jié)機(jī)制，包括變量調(diào)節(jié)缸、變量調(diào)節(jié)閥、恒功率調(diào)節(jié)器及2個(gè)測(cè)量彈簧等主要構(gòu)成。其中，2個(gè)測(cè)量彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)雙曲線恒功率特性曲線。結(jié)合雙聯(lián)柱塞泵的物理結(jié)構(gòu)和工作原理，以液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)中的元件分別構(gòu)建單柱塞模型、主泵模型以及恒功率調(diào)節(jié)器等構(gòu)件組成整泵模型，該模型共有9個(gè)柱塞，通過(guò)建第三部分的配流盤面積導(dǎo)入單個(gè)柱塞模型中，保證起始位置的設(shè)置合理性，并封裝成超級(jí)元件。將模擬負(fù)載壓力控制在0-30MPa的過(guò)程中，可以得到泵出口流量的壓力變化情況，由此證明雙聯(lián)柱塞泵能夠?qū)崿F(xiàn)變量泵恒功率調(diào)節(jié)功能，且符合泵控制原理。

3.2驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

為了確保上述仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，還要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比。其中，在主油路的基礎(chǔ)上還加設(shè)了輔助油路，通過(guò)主油路完成對(duì)泵性能的整體測(cè)試，再由輔助油路對(duì)先導(dǎo)油路、冷卻過(guò)濾油路和輔助回油油路進(jìn)行測(cè)試。該測(cè)試實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速控制在1500r/min，工作壓力20Mp，采樣頻率1000Hz，以此來(lái)分別測(cè)試泵出口流量和壓力情況。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)泵出口壓力大于工作設(shè)置壓力，且形成這一情況的主要原因，與泵出口與壓力系統(tǒng)中的閥和彈簧有關(guān)。在數(shù)據(jù)整合分析中可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的吻合性較好，可以說(shuō)明柱塞泵模型具有較高的精度水平。此外，驗(yàn)證結(jié)果和對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算出的流量普遍比仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果較大，產(chǎn)生這一情況的主要原因與泵地泄露有關(guān)，在這三者流量變化規(guī)律相同的前提下，可以確定仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果吻合較好。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，應(yīng)通過(guò)柱塞泵流體脈動(dòng)數(shù)學(xué)模型和仿真物理模型的建立，進(jìn)一步研究有效降低流體脈動(dòng)壓力的配流盤優(yōu)化方案，以確保有效避免配流過(guò)程中存在的閉死壓縮和膨脹階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌，程國(guó)贊，洪昊岑，等.基于SVR的軸向柱塞泵配流盤三角槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51（04）：1213-1221.

[2]宋宇寧，徐曉辰.雙卸荷槽式柱塞泵配流盤流場(chǎng)優(yōu)化研究[J].機(jī)床與液壓，2020，48（03）：159-163.