摘 要：軸向柱塞液壓泵的流量脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲不斷是液壓泵范疇研討的熱點(diǎn)問題。提出用正圓柱螺旋面替代斜面的辦法，分別用左旋面和右旋面對(duì)應(yīng)吸油窗口和壓油窗口，在此根底上設(shè)計(jì)反向錯(cuò)位雙聯(lián)泵的構(gòu)造，即兩個(gè)泵的螺旋面相背或相對(duì)，封油區(qū)相差一定相位，目的是設(shè)計(jì)出一種恒流量輸出的軸向柱塞泵。經(jīng)過MATLAB數(shù)值仿真肯定關(guān)鍵參數(shù)，得出采用8根柱塞為根底的軸向柱塞液壓泵停止反向錯(cuò)位雙聯(lián)，錯(cuò)位角為22.5°，此新型恒流量軸向柱塞泵在工作時(shí)瞬時(shí)流量值不變，輸出流量恒定且輸出流量值顯著進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：軸向柱塞液壓泵；雙聯(lián)；恒流量；流量脈動(dòng)

1 引言

軸向柱塞液壓泵作為典型的一類液壓泵，構(gòu)造上無(wú)論是斜盤式還是連桿式的其工作原理都相同[1]，即液壓泵的主要工作件柱塞作用于斜盤斜面上作圓周運(yùn)動(dòng)，這就決議了軸向柱塞液壓泵在工作時(shí)其瞬時(shí)流量是脈動(dòng)變化的[2]，瞬時(shí)流量的脈動(dòng)變化會(huì)惹起機(jī)械部件的振動(dòng)，產(chǎn)生噪音且影響液壓泵的運(yùn)用壽命。

許多學(xué)者在優(yōu)化軸向柱塞泵的流量脈動(dòng)和脈動(dòng)幅值方面均停止了大量的研討。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用單斜盤錯(cuò)位雙側(cè)柱塞泵的構(gòu)造設(shè)計(jì)辦法，一定水平上改善了輸出流量脈動(dòng)、進(jìn)步了正常工作情況下的輸出壓力。文獻(xiàn)[4]基于串聯(lián)式軸向柱塞泵轉(zhuǎn)位角降噪辦法，經(jīng)過優(yōu)化轉(zhuǎn)位角，使其降低軸向柱塞泵噪聲激振源強(qiáng)度到達(dá)一定效果。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)了一種新型軸向柱塞液壓馬達(dá)，其提出將軸向液壓馬達(dá)中斜盤改為螺盤，從而使得單個(gè)柱塞在有效工作區(qū)瞬時(shí)流量恒定。文獻(xiàn)[7]對(duì)新型軸向柱塞液壓馬達(dá)采用反向錯(cuò)位雙聯(lián)的構(gòu)造，設(shè)計(jì)出一種恒轉(zhuǎn)矩高效軸向柱塞液壓馬達(dá)。在此根底上，將螺盤式構(gòu)造應(yīng)用于軸向柱塞液壓泵，并對(duì)螺盤式軸向柱塞液壓泵瞬時(shí)流量停止剖析和仿真，再用反向錯(cuò)位雙聯(lián)的構(gòu)造消弭新型液壓泵瞬時(shí)流量脈動(dòng)變化的特性，到達(dá)恒流量輸出的目的。

2 新型軸向柱塞泵與傳統(tǒng)軸向柱塞泵的理論剖析

2.1 傳統(tǒng)軸向柱塞泵

傳統(tǒng)軸向柱塞泵的工作原理為傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，斜盤與配流盤固定，柱塞均布于缸體內(nèi)，在彈簧或低壓油的作用下柱塞頭部作用于斜盤斜面上，柱塞隨缸體的轉(zhuǎn)動(dòng)在柱塞腔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞底部的容積產(chǎn)生變化，從而完成吸壓油的動(dòng)作。關(guān)于傳統(tǒng)斜盤式軸向柱塞泵，當(dāng)斜盤中心線與缸體中心線成一個(gè)傾角γ，柱塞直徑為d，柱塞散布圓直徑為D，液壓泵機(jī)械效率為η，若給定一個(gè)缸體轉(zhuǎn)速為ω，并設(shè)某通油窗口的柱塞所在位置與缸體垂直中心線夾角為α，則軸向柱塞泵的瞬時(shí)流量可表達(dá)為：

式中：Zm—壓油區(qū)柱塞個(gè)數(shù)；

Z—柱塞個(gè)數(shù)。

由上式可知，在除卻一些定量的根底上，軸向柱塞液壓泵的瞬時(shí)流量受兩方面要素影響。一是柱塞所處位置與缸體垂直中心線夾角的大小相關(guān)，當(dāng)夾角較小時(shí)，其瞬時(shí)流量很?。黄涠菉A角隨時(shí)間的變化而變化，因而泵的瞬時(shí)流量也是隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化的，且瞬時(shí)流量的變化是具有正弦函數(shù)規(guī)律的曲線。

2.2 新型軸向柱塞泵

自創(chuàng)螺盤-軸向柱塞液壓馬達(dá)的思想，將傳統(tǒng)的軸向柱塞泵的主要部件斜盤構(gòu)造改動(dòng)為螺盤，行將斜面改為螺旋面，在此將其命名為螺盤式軸向柱塞泵。其工作原理如圖1所示，螺盤式軸向柱塞液壓泵主要由螺盤1、柱塞2、缸體3、配流盤4、傳動(dòng)軸5等部件組成，柱塞平均散布在缸體中，工作中螺盤固定，設(shè)螺盤左旋面和右旋面的螺旋升角為β、柱塞直徑為d、柱塞散布圓直徑為D、液壓泵的機(jī)械效率為η，當(dāng)缸體帶動(dòng)柱塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞頭部在彈簧或低壓油的作用下緊壓在螺盤外表，柱塞頭部的運(yùn)動(dòng)軌跡為正圓柱螺旋曲線，即柱塞在缸體中橫向運(yùn)動(dòng)速度是定值。換言之，某柱塞在壓油或吸油區(qū)的瞬時(shí)流量是定值，新型軸向柱塞液壓泵的瞬時(shí)流量公式為：

式中：Zn—壓油區(qū)的柱塞個(gè)數(shù)，式中能夠看出新型軸向柱塞泵的瞬時(shí)流量與壓油區(qū)的柱塞個(gè)數(shù)相關(guān)，與柱塞所處位置無(wú)關(guān)。

圖1 螺盤式軸向柱塞液壓泵工作原理
Fig.1 Working Principle of Helical Axial Piston Pump

3 軸向軸塞泵瞬時(shí)流量的數(shù)值仿真

基于MATLAB數(shù)學(xué)公式模型的仿真[8]，分別仿真出斜盤式和螺盤式軸向柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量特性曲線?；趥鹘y(tǒng)和新型軸向柱塞泵的構(gòu)造特性和工作原理剖析，分別對(duì)兩種泵的總排量相等時(shí)和當(dāng)斜盤傾角與螺盤的螺旋升角相等時(shí)兩種狀況停止比對(duì)，剖析瞬時(shí)流量輸出特性。

3.1 7柱塞軸向柱塞泵比照剖析

當(dāng)軸塞泵的柱塞是7根時(shí)斜盤式柱塞泵和螺盤式柱塞泵的瞬時(shí)流量輸出特性比照，如圖2所示。由圖2可知斜盤式柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量為正弦函數(shù)特性曲線，是動(dòng)搖變化的；而螺盤式柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量平穩(wěn)。當(dāng)總排量相等時(shí)，螺盤式柱塞泵的輸出流量峰值高于斜盤式柱塞泵，輸出流量最低值則低于斜盤式柱塞泵；當(dāng)螺旋升角與斜盤傾角相等時(shí)，同樣柱塞數(shù)量的狀況下螺盤式柱塞泵的瞬時(shí)流量大于斜盤式柱塞泵。

圖2 7柱塞軸向柱塞液壓泵瞬時(shí)流量
Fig.2 Instantaneous Flow of Seven Pistons Axial Pump

3.2 8柱塞軸向柱塞泵比照剖析

8根柱塞時(shí)螺盤式和斜盤式柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量特性比照，如圖3所示?？芍?dāng)螺盤式軸向柱塞液壓泵的柱塞個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)流量是規(guī)律變化的，波峰長(zhǎng)度與波谷長(zhǎng)度相等，即有效壓油工作區(qū)內(nèi)的柱塞個(gè)數(shù)為3個(gè)和4個(gè)時(shí)的工作時(shí)間是相等的。

圖3 8柱塞軸向柱塞液壓泵瞬時(shí)流量
Fig.3 Instantaneous Flow of Eight Pistons Axial Pump

3.3 9柱塞軸向柱塞泵比照剖析

9根柱塞時(shí)螺盤式和斜盤式柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量特性比照，如圖4所示。比擬圖2、圖3和圖4可知，當(dāng)螺盤式柱塞泵柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí)，波谷的長(zhǎng)度大于波峰長(zhǎng)度，即有效工作時(shí)間內(nèi)柱塞個(gè)數(shù)少時(shí)占主要局部；當(dāng)柱塞個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，則相等。斜盤式柱塞泵柱塞個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)脈動(dòng)幅值比偶數(shù)時(shí)小，而螺盤式柱塞泵的脈動(dòng)幅值則為定值，與柱塞個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，與螺旋升角相關(guān)。兩品種型的泵在相同柱塞個(gè)數(shù)下的脈動(dòng)率相同，受柱塞個(gè)數(shù)影響。

圖4 9柱塞軸向柱塞液壓泵瞬時(shí)流量
Fig.4 Instantaneous Flow of Nine Pistons Axial Pump

4 新型恒流量軸向柱塞泵

在對(duì)傳統(tǒng)和新型軸向柱塞泵瞬時(shí)流量停止數(shù)值仿真的根底上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺盤式軸向柱塞泵柱塞數(shù)為8根時(shí)，其瞬時(shí)流量輸出曲線波峰和波谷時(shí)長(zhǎng)度相等，標(biāo)明柱塞在壓油區(qū)工作時(shí)3根與4根的工作時(shí)長(zhǎng)相等。故采用反向錯(cuò)位雙聯(lián)合構(gòu)對(duì)新型軸向柱塞泵停止設(shè)計(jì)改良，使得雙側(cè)工作區(qū)域柱塞相互錯(cuò)位堆疊，即瞬時(shí)流量曲線波峰和波谷互相疊加，到達(dá)軸向柱塞液壓泵恒流量輸出。由之前數(shù)值仿真的結(jié)果，計(jì)算得出雙聯(lián)柱塞泵的錯(cuò)位角為22.5°，雙側(cè)均為8柱塞，新型恒流量軸向柱塞泵工作原理，如圖5所示。

圖5 恒流量軸向柱塞液壓泵工作原理
Fig.5 Working Principle of Constant Flow Axial Piston Pump

新型恒流量軸向柱塞泵的瞬時(shí)流量公式為：

式中：Z—單側(cè)柱塞個(gè)數(shù)。

運(yùn)用MATLAB對(duì)新型恒流量液壓泵瞬時(shí)流量停止數(shù)值剖析，如圖6所示。在螺旋升角與斜盤傾角相等或總排量相等兩種狀況下，新型恒流量柱塞液壓泵相比于傳統(tǒng)柱塞液壓泵瞬時(shí)流量的輸出值停止了線性疊加，瞬時(shí)流量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)軸向柱塞泵，且新型恒流量軸向柱塞液壓泵在輸出過程中平穩(wěn)、恒定，不隨時(shí)間的變化而變化，與柱塞的個(gè)數(shù)和缸體的轉(zhuǎn)速等相關(guān)。

圖6 恒流量軸向柱塞液壓泵瞬時(shí)流量
Fig.6 Instantaneous Flow of Constant Flow Piston Pump

5 結(jié)論

在剖析傳統(tǒng)軸向柱塞泵的工作原理根底上，剖析計(jì)算螺盤式軸向柱塞泵的工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，并運(yùn)用MATLAB對(duì)兩種泵的瞬時(shí)流量輸出值停止數(shù)值仿真，并對(duì)螺盤式軸向柱塞泵停止反向錯(cuò)位雙聯(lián)，設(shè)計(jì)出一種新型恒流量軸向柱塞泵，經(jīng)理論剖析和實(shí)踐計(jì)算，該新型泵的瞬時(shí)流量輸出平穩(wěn)恒定，且輸出流量遠(yuǎn)大于原泵的均勻輸出流量。的辦法和結(jié)論對(duì)軸向柱塞泵的流量脈動(dòng)和降低液壓系統(tǒng)的噪聲具有參考價(jià)值。