平衡式兩排軸向柱塞泵變量機構特性分析

鄧海順　黃坤　王傳禮　李剛

摘要：由于平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤具有多個斜面而變量困難，比較適合被用于定量供液的液壓傳動系統中，成為制約平衡式兩排軸向柱塞泵拓寬應用的一個關鍵因素。通過分析軸向柱塞泵各種變量方式的優缺點，指出對平衡式兩排軸向柱塞泵而言，改變斜盤與配流盤間的相位角實現變量可行性較高。以旋轉配流盤為例，建立了平衡式兩排軸向柱塞泵變量機構的驅動力矩方程，并研究了其對泵流量脈動的影響，結果表明：斜盤雙側受脈動壓力，旋轉時驅動力矩小；隨著斜盤與配流盤相位角的增大，其流量脈動增大，但由于平衡式兩排軸向柱塞泵內外瞬態流量的疊加，可使該缺陷得到一定程度的彌補。

關鍵詞：平衡式兩排軸向柱塞泵；變量；斜盤；驅動力矩；流量脈動

中圖分類號：THl37

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0042-05

平衡式兩排軸向柱塞泵是一種新型軸向柱塞泵，除具備普通軸向柱塞泵的特點外，還具有結構緊湊、軸向液壓力平衡、振動小、噪聲低等優點。鑒于平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤具有多個斜面而變量困難，比較適合被用于定量供液的液壓傳動系統中，成為制約平衡式兩排軸向柱塞泵拓寬應用的一個關鍵因素。因此，有必要分析軸向柱塞泵各種變量方式的結構特點，得出其與平衡式兩排軸向柱塞泵結構的契合度，最終選定平衡式兩排軸向柱塞泵變量方式，并對該變量結構進行分析，確立該變量機構的基本特性。

1.變量方式可行性分析

（1）改變斜盤多斜面的角度

改變斜盤傾角是一種最常用、同時也是成熟度最高的變量方式，可在零流量到最大流量之間無極調節，變量范圍大。增加適當的調節機構，可以實現多種變量模式，如恒功率、恒壓、功率適應等控制策略。其缺點是轉動斜盤所需的力和力矩較大，導致其動態響應較慢。

將該變量方式應用于平衡式兩排軸向柱塞泵，存在如下兩種實現方式：第一，將斜盤多斜面作為一個零件（圖1a），變量時一個斜面傾角減小，另一個斜面傾角變大，即內排、外排排量變化的方向總是相反的。要實現變量，必須使內排、外排的排量變化率不一樣。內排、外排排量的變化方向相反也減小了變量的范圍，同時也不利于有效控制軸向液壓力的平衡。第二，將斜盤多斜面的結構分解為多個斜盤相互嵌套結構（圖1b），分別用單獨的機構進行控制，該結構有利于變量范圍的擴大和軸向液壓力的平衡，缺點是機構設計的難度較大。

上述兩種變量方式都極易導致斜盤斜面、內排、外排滑靴副等零部件之間的互相干涉，設計難度大，甚至難以得到合適的零部件結構和尺寸。

（2）改變柱塞有效行程

實質上，改變斜盤傾角也是間接的改變柱塞中缸體柱塞孔中的往復行程。將缸體嵌套在一個缸筒中，通過軸向移動改變缸體孔與缸筒泄漏孔的配合位置，使柱塞的一部分行程排油直接排入泵體內后，再泄漏出泵體，即形成局部空行程，從而減小液壓油的排出量。這種變量方式的優點是不改變軸向柱塞泵主體結構，驅動缸筒的力較小，響應快。缺點是增加了缸體的加工難度，增加了泵整機尺寸。

將此種變量方式應用于平衡式兩排軸向柱塞泵難度較大。首先該變量方式增加一個缸體與缸筒配合的摩擦副，增加了缸體的加工難度。其次，該變量要求在缸體的徑向加工泄漏孔與缸筒泄漏孔相配合，對雙排柱塞而言，難以設計出相應的結構。

（3）配流盤與斜盤錯位采用配流盤和斜盤斜面的相互錯位閘掉部分液壓油，這種方式對采用端面配流的液壓泵都是一個可采用的變量方式。對軸向柱塞泵可有兩種實現方式：一是旋轉斜盤，二是選擇配流盤。這種變量方式的優點是：不改變軸向柱塞泵的內部結構，對泵的加工工藝及性能不產生額外要求，且斜盤或配流盤的轉動力較小，動態響應較快。缺點是易導致其封油角的增大，將增大軸向柱塞泵的振動和噪聲。

將該種變量方式應用于平衡式兩排軸向柱塞泵，相對于前述改變斜盤傾角和柱塞的有效行程而言，不需要改變平衡式兩排軸向柱塞泵本身就相對復雜的結構，相比較而言是一種較為適合平衡式兩排軸向柱塞泵的變量方式。

2.力學特性

為進一步研究平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤與配流盤錯位變量機構的特性，有必要對其力學特性進行分析。其變量方式為選擇斜盤旋轉，結構示意圖如圖2所示。

該變量機構轉動時主要克服三個接觸面的摩擦力矩以及自身重量而形成的慣性力矩，三個摩擦力矩分別指的是滑靴副與斜盤表面相對轉動形成的摩擦力矩、斜盤端面與泵體相對轉動形成的摩擦力矩以及斜盤孔與轉動軸之間相對轉動形成的摩擦力矩，分述如下。

斜盤孔與傳動軸之間的摩擦力矩主要與斜盤的軸向液壓力相關，對于普通軸向柱塞泵，斜盤單側存在軸向液壓力，使斜盤孔與傳動軸之間存在單側卡緊現象；對于平衡式兩排軸向柱塞泵而言，由于雙側存在軸向液壓力，如式（4）所示，且雙側液壓力均存在一定的脈動性（處于高壓區的柱塞數m_i會變化，且高壓區的壓力p也存在一定程度的波動），有利于防止斜盤轉動時被卡緊，使該摩擦力矩大大降低，其計算公式可按環形縫隙進行處理，可得

（2）慣性力矩平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤存在一定的質量，轉動時將產生慣性力矩，可表達如下

由式（8）可知：不同于普通軸向柱塞泵轉動斜盤需克服高壓油液的壓力，只能采用液壓力驅動或在泵停止運轉時驅動，平衡式雙排軸向柱塞泵推動斜盤轉動的合力矩主要為摩擦力矩，相當高壓油液壓力乘以摩擦系數，其力的大小減小為實際大小百分之幾。若在泵體與斜盤接觸面采用推力軸承，在斜盤與傳動軸之間采用角接觸軸承，將斜盤的滑動轉化為軸承滾子的滾動，可進一步降低斜盤的驅動力矩，能在泵正常運轉時手動驅動斜盤的轉動，也可利用外負載形成的反饋液壓力進行恒壓、恒功率或恒功率控制，其動態響應速度將大大優于普通軸向柱塞泵。

3.流量脈動

改變斜盤與配流盤相位角變量方式的缺陷是形成較大的封油角，導致壓力和流量脈動加劇，產生較大的振動和噪聲。故有必要研究該變量機構對平衡式兩排軸向柱塞泵瞬態流量的影響。

設置平衡式兩排軸向柱塞泵內排、外排的平均流量相等，即K₁=K₁，考慮斜盤轉動角度的影響對其瞬態流量進行仿真，可得瞬態流量曲線如圖4和圖5。

圖4為斜盤旋轉角分別為0°、5°、10°和15°時，平衡式兩排軸向柱塞泵總的瞬態流量隨缸體轉角變化的曲線圖。由圖4可見，隨著斜盤旋轉角度的增大，平衡式兩排軸向柱塞泵的瞬態流量曲線向下移動，平均流量不斷減小，從而實現了變量，但同時其瞬態流量曲線的脈動也相應加劇。由此可見，改變斜盤與配流盤相位角變量是以增大閉死角而引發更大的流量脈動為基礎的。

圖5為平衡式兩排軸向柱塞泵內排、外排和總的瞬態流量隨缸體轉角變化的曲線圖，且斜盤相對配流盤轉動的角度均為5°。由圖5可見，由于斜盤和配流盤的相對轉動，使平衡式兩排軸向泵內排、外排的瞬態流量每個周期中均產生了一個突變（單獨內排或外排類似一個普通軸向柱塞泵）。但平衡式雙排軸向柱塞泵總的瞬態流量由于內、外排瞬態流量的疊加，其突變值變小為內排或外排突變值的一半，即為普通軸向柱塞泵的一半，從而緩解了流量突變而形成的振動和噪聲。

4.小結

在分析了傳統軸向柱塞泵三種變量方式的基礎上，確定改變斜盤與配流盤相位角的變量方式較適合平衡式兩排軸向柱塞泵。并以旋轉斜盤為例，進一步分析了該變量方式的力學特性及其對平衡式兩排軸向柱塞泵流量脈動的影響。最終指出，該變量方式驅動斜盤所需力較小，斜盤兩側承受的脈動壓力能有效避免斜盤卡緊。隨著斜盤轉角的增大，流量脈動加劇，這一缺陷也可由平衡式兩排軸向柱塞泵的結構優勢有所緩解。