水壓柱塞泵配流閥動態特性仿真研究

黃國勤 于 今 朱玉泉

1.重慶大學,重慶,400030 2.華中科技大學,武漢,430074

0 引言

在海(淡)水液壓傳動系統中,水壓柱塞泵是最核心的元件。與常用的端面配流式水壓柱塞泵相比,閥配流式泵的優點是減少了缸體與配流盤這對摩擦副的摩擦,從而減少了磨損和泄漏環節;同時,配流閥具有良好的密封性,抗污染能力強,容易實現高壓,因而在泵送海(淡)水、污水、化學藥品等低黏度、腐蝕和污染性強的流體以及在高壓、大流量等場合,閥配流式泵具有廣闊的應用前景[1]。閥配流式水壓泵的配流閥對泵的整體性能(如吸入性能、容積效率、抗污染能力、噪聲、振動、工作可靠性和使用壽命等)均有很大影響。配流閥的余隙容積、彈簧剛度及預緊力、閥芯質量以及泵的轉速和工作壓力等參數與其配流特性之間存在著一定的匹配關系。為了實現水壓泵的優化設計以獲得最佳性能,十分有必要對配流閥進行動態仿真和試驗研究。

1 平板配流閥的數學模型

常用的配流閥結構有錐閥、球閥和平板閥,本研究中的水壓泵采用新型的無導桿的平板閥配流結構,如圖1所示。與錐閥結構相比,平板閥具有結構簡單、密封性能好、響應速度快、通流能力強及抗污染能力強等優點。

圖1 配流閥組件結構圖

配流閥的閥芯從開啟到運動到最大位移和從最大位移處運動到關閉的過程中,閥口液流的流動狀態會由層流逐漸過渡到紊流,因液流的雷諾數變化很大,閥口的流速系數和流量系數也將發生變化。因此,要用數學方法來精確描述閥口過流的變化過程將非常復雜[2]。實際上,為減小配流閥開啟的壓差,配流閥座孔半徑與閥芯外圓半徑的實際差值很小,閥口密封帶相對其過流斷面的尺寸來說也非常小。因此可以近似認為,閥口流動為薄壁小孔流動。為便于分析,將水壓泵平板配流閥簡化為圖2所示的物理模型,以此建立該泵配流閥的數學模型。

圖2 配流閥的簡化模型

單柱塞泵的動態特性可用下列方程表示：吸入閥力平衡方程

吸入閥流量方程

吸入閥和壓出閥流量連續性方程

壓出閥受力平衡方程

壓出閥流量方程

柱塞運動方程

式中,m1、m2分別為吸入閥和壓出閥的質量,kg;S為柱塞位移,m;R1、R2分別為吸入閥與壓出閥的閥芯半徑,m;R z為柱塞半徑,m;kx、ky分別為吸入閥與壓出閥的彈簧剛度,N/m;p1為吸入閥入口壓力,Pa;p2為柱塞腔壓力,Pa;p3為壓出閥出口壓力,Pa;x0、y0分別為吸入閥與壓出閥的彈簧預壓縮量,m;r1、r2分別為吸入閥與壓出閥閥座孔半徑,m;Fw1為吸入閥穩態液動力,N;Fw2為壓出閥穩態液動力,N;ρ為水的密度,kg/m3;q1、q2分別為通過吸入閥與壓出閥的流量,m3/s;x、y分別為吸入閥與壓出閥的閥芯位移,m;E為水的體積模量,Pa;V0為柱塞運行到中點時柱塞腔的容積,m3;φ為主軸轉角,(°);β為斜盤傾角,(°);cv1、cv2分別為吸入閥與壓出閥閥口的流速系數;cd1、cd2分別為吸入閥與壓出閥閥口的流量系數;a1、a2分別為吸入閥與壓出閥的開口面積,m2。

2 無導桿平板閥的配流特性仿真分析

根據式1～式6所建立的單個柱塞與配流閥的特性方程,選取配流閥的位移x、y和柱塞腔的壓力p 2作為研究對象,通過仿真來分析研究水壓泵的配流特性。以上死點位置柱塞開始壓水作為仿真的起始點(φ=0處),此時柱塞位移、速度均為零,柱塞腔壓力標準大氣壓為 p 0,利用AMESim和MATLAB軟件進行聯合仿真分析,有關參數的基本取值見表1。

表1 基本參數取值表

2.1 配流特性分析

圖3所示為水壓泵的配流特性曲線圖,包括配流閥閥芯位移x與y、配流閥閥口流量q1與q2以及柱塞腔的壓力p 2等隨主軸轉角 φ的變化規律曲線。從圖3中可以非常直觀地看到水壓泵配流的四個過程：柱塞腔升壓、排水、降壓、吸水。顯然,配流閥的開啟與閉合較柱塞的運動有一定的滯后。按表1變量基本取值得到壓出閥的開啟滯后角約為24.8°,關閉滯后角約為 5°;吸入閥的開啟滯后角約為24°,關閉滯后角約為16°。配流閥運動的滯后主要是因為水具有一定的壓縮性,柱塞運動使柱塞腔容積發生改變,柱塞腔壓力的改變造成海(淡)水收縮或膨脹;另一個原因是閥芯運動的慣性。無論是容積減小還是容積增大,都將對應主軸轉過一定的角度,即滯后角。

圖3 配流閥的配流特性

2.2 配流特性的影響因素分析

配流閥運動的滯后,除了會降低容積效率外,將可能導致柱塞腔壓力突變,會加劇水壓泵出口的壓力脈動和流量脈動,還會引起吸入閥和柱塞腔吸水不充分,產生氣蝕。因此,需綜合分析研究各種因素對配流特性的影響,盡可能減小水壓泵配流閥的滯后角,提高配流閥的響應速度和流通能力。

2.2.1 余隙容積的影響

圖4所示為余隙容積對配流閥閥芯位移和柱塞腔壓力的影響曲線圖。當柱塞腔的余隙容積V0分別為60L、35L及10L時,壓出閥開啟的滯后角分別為 27.1°、24.8°及 21.3°,關閉的滯后角均為 5°;吸入閥開啟的滯后角分別為 28.1°、24°、21.2°,關閉的滯后角均為16°。

圖4 余隙容積對配流特性的影響

可見,余隙容積越大,配流閥的滯后越嚴重,且對開啟的滯后角的影響大于對關閉滯后角的影響。這是因為配流閥開啟滯后是水的可壓縮性在起主導作用,而關閉滯后則是閥芯的慣性在起主導作用。同時,余隙容積越大,配流閥開啟時閥芯突竄得就越高,但幅度不大;此外,余隙容積對配流閥閥芯柱塞腔的最大壓力和最小壓力、壓出閥出口的最大流量等影響很小。盡管水的彈性模量大于礦物油,但是泵柱塞腔閉死容積大小對配流閥的運動滯后、運動平穩性以及泵的容積效率等仍有較大影響。從理論上講,閉死容積越小越好。但在實際設計中,配流閥不可能做到零閉死容積,只能盡量減小閉死容積,從而最大限度地減小它對配流閥的不利影響。

2.2.2 閥芯質量的影響

改變閥芯的質量,吸入閥質量m1和壓出閥質量m2分別?、瘛ⅱ?、Ⅲ三組數值,得到圖5的仿真結果。圖5的仿真結果說明：閥芯質量越大(即慣性越大),配流閥的最大開度也越大;對壓出閥,質量大的閥芯,其關閉滯后明顯增大,但對吸入閥的滯后影響較小。為了減小配流閥的運動滯后,提高配流閥的運動平穩性,降低流量脈動,并提高泵的容積效率,必須盡可能減小配流閥閥芯的質量。但是,閥芯質量過小,閥芯運動不平穩,振動加劇,甚至出現“顫動”現象,導致柱塞腔壓力波動,并易引起彈簧振動,加速彈簧疲勞。因此,閥芯質量應該與比彈簧力(閥芯單位面積上的彈簧力)相適應,在此前提下適當地減小。

圖5 閥芯質量對配流特性的影響

2.2.3 彈簧剛度的影響

改變吸入閥和壓出閥的彈簧剛度k1和k2,分別?、?、Ⅱ、Ⅲ三組數值,得到圖6的仿真結果。從圖6可以看出,彈簧剛度對配流閥開啟滯后角影響很小,但對關閉滯后角有一定影響;彈簧剛度越大,配流閥的關閉滯后角越小,同時閥芯最大位移也越小。通過仿真還發現,增大彈簧預壓力也可以達到類似的效果。這主要是由于增加彈簧剛度和彈簧預壓力能夠加快閥芯回程運動而減小其與柱塞運動的相位差,從而可以減小回流,有利于提高泵的容積效率。相對來說,彈簧剛度在一定范圍內對配流閥整體性能的影響不大。值得注意的是,在設計配流閥的剛度時,需考慮其固有頻率不能與水壓泵的主軸旋轉頻率相差整數倍,否則會引起配流閥共振,加大泵的噪聲。

圖6 彈簧剛度對配流特性的影響

2.2.4 吸入真空度的影響

由圖7可知,真空度對吸入閥的配流特性有很大的影響。當泵的吸入真空度分別為0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa 及 0.08MPa 時,吸入閥的開啟滯后角和關閉滯后角依次增大約4°和3°。這里主要是,水壓泵的吸入壓力(進口壓力差p 0-p 1)越大,配流閥開啟的滯后角和關閉的滯后角越大。當吸入閥真空度增加時,吸入閥位移先增加后減小,在0.6MPa時達到最大;同時,配流閥的流量逐漸減小,在0.08MPa時流量有加快減小的趨勢?？梢?水壓泵能夠正常工作的真空度是0.06MPa,而一旦超過0.08MPa,水壓泵的容積效率將迅速下降。這一點,在該泵樣機試驗中得到了很好的驗證[3]。

圖7 真空度對配流特性的影響

2.2.5 其他因素的影響

通過仿真研究發現,水壓泵的工作轉速對配流閥的響應特性影響很大。轉速越高,配流閥的關閉滯后越嚴重,而關閉滯后會導致回流,降低水壓泵的容積效率。在其他變量相同的情況下,水壓泵的工作壓力(進出口壓力差p 3-p 1)越大,配流閥開啟的滯后角越大,而關閉的滯后角基本上不受影響。這是因為當工作壓力升高時,柱塞腔內建壓和卸壓的時間就要相應地加長,從而導致配流閥開啟滯后角相應地增大。同時,工作壓力越大,配流閥的最大位移也越大,只不過工作壓力對配流閥位移及整體運動特性影響相對較小。限于篇幅本文沒有列出具體的仿真結果。

3 結束語

本文基于對閥式水壓軸向柱塞泵的平板配流閥的動力學分析建立了配流閥的數學模型,通過對其配流特性的仿真分析,得到如下結論：

(1)應盡可能減小柱塞腔的余隙容積,適當減小配流閥閥芯的質量和提高彈簧剛度和預壓力,以減小配流閥的運動滯后,從而提高配流閥的響應速度和運動穩定性。

(2)吸入真空度對吸入閥的配流特性有很大的影響。真空度過大,會造成吸入閥開閉滯后,并降低泵的容積效率。

(3)從配流閥響應的角度考慮,配流閥水壓柱塞泵的工作轉速不能太高,取750～1000r/min比較合適。工作壓力過高也會使得配流閥開啟滯后,造成容積效率下降。

[1] 賀小峰,楊明國,李壯云.水壓柱塞泵配流閥的設計與試驗研究[J].中國機械工程,2004,15(10)：862-864.

[2] 張家鑒,賴滌泉.低黏度大雷諾數紊流流動時圓錐閥的推力系數和流量系數的研究[J].液壓氣動與密封,1984(3)：19-22.

[3] Huang Guoqin,Zhu Yuquan,Li Xiaohui.Novel Seawater Hydraulic Axial Piston Pump and Its Experiment[C]//7th International Conference of Fluid Power Transmission and Control.Hangzhou,2009：494-497.