軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法

宮妍

摘要：液壓傳動有許多突出的優點，因此被廣泛應用于工農業生產中;而在現代液壓傳動中，柱塞泵則是使用最廣的液壓動力元件之一，按柱塞的排列方向的不同，柱塞泵又可以分為徑向柱塞泵和軸向柱塞泵兩大類。徑向柱塞泵徑向尺寸大，結構復雜，泄漏較大且自吸能力差，限制了其轉速和工作壓力范圍;軸向柱塞泵由于具有結構緊湊，重量較輕，工作壓力高，容易實現變量等優點，因此在現代工程機械液壓系統中，幾乎都采用軸向柱塞泵作為油源。在柱塞泵的工作過程中，當內部壓力較低時，易形成氣穴，產生大量氣泡，氣泡被帶到高壓區后，受到急劇的壓縮便會潰滅，產生壓力沖擊或微射流，對元件表面造成破壞，發生氣蝕。

關鍵詞：軸向柱塞泵;液壓回沖;控制;

對典型的軸向柱塞泵杭液壓配油沖擊的方法進行了分析和研究，給出了相應的設計計算公式，對軸向柱塞泵抗液壓配油沖擊新結構的設計和研究具有一定的參考價值。

一、液壓回沖現象的產生和不良影響

軸向柱塞泵的柱塞油缸在工作時不斷進行高低壓配流轉換。充滿低壓油的柱塞油缸突然和排油腔接通時，缸中的油液瞬間被壓縮，會引起高壓油向缸中倒流，造成強烈的液壓沖擊和噪聲，同時也會使油泵排油量瞬間減小，流量均勻性變壞。同樣，充滿高壓油的柱塞油缸突然和吸油腔接通時，缸中的高壓油也會瞬間向低壓腔膨脹，釋放能量，產生液壓沖擊和噪聲。這兩種現象本文稱為液壓回沖現象。它們是決定泵的噪聲特性和工作平穩性的基本因素之一。

二、定壓、定量軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法

控制液壓回沖的方法很多，其基本原理是對柱塞油缸的油液實現預升壓和預釋壓，使油缸中的油壓和待接通的油腔油壓相等時再接通，就沒有液壓沖擊了。對柱塞油缸中的油液實現預升、釋壓的基本方法有兩種：一種是將油缸進行閉死壓縮或膨脹，使缸中的油液升壓或釋壓，另一種方法是通過阻尼槽向缸中慢慢引進，引出高壓油，使缸中油壓慢慢向待接通的油腔油壓過渡。這兩種方法可以單獨使用，也可以聯合使用，現代軸向柱塞泵的抗噪聲配流盤中多半是兩種方法同時使用。近年來國外一些新產品中，對油缸的閉死壓縮量可隨工況調節進行補償，使抗噪聲效果更加理想，這是第一種方法的新發展。具有正遮蓋度的配流盤的過渡區中心線和斜盤上、下死點聯線位置重合的情況，在前 閉死角內，缸中的油液處于閉死膨脹狀態，油壓低于吸油壓力，加激真空和氣穴現象的產生，在后 閉死角內，油液又重新被壓縮，恢復到吸油壓力，當油缸突然和排油腔接通時，不僅存在巨大的沖擊壓差，而且還會因氣穴現象加激振動和噪聲的強度。一般泵在2 0 0 k g f c/m“的壓力下工作，噪聲可達9 0分貝以上。

三、恒壓變量軸向柱塞泵利用斜盤具有固定的橫向傾角的方法來控制液壓回沖?φ/2

具有固定錯配角的柱塞油缸的閉死壓縮、膨脹過程不能滿足變量泵的需要，因此諸如美國生產的丹尼遜型恒壓變量軸向柱塞泵P IV O7和P IV 0 9，便利用斜盤的橫向傾角對油缸的閉死壓縮、膨脹量進行補償，使它為常數值。這樣，斜盤傾角調節時，柱塞油缸的閉死升、釋壓力仍接近于常數值;保證泵在變量調節時能消除液壓回沖現象。斜盤的調節軸與。x軸重合，繞o x軸的轉角為”稱縱向調節角;斜盤繞。y軸旋轉一個固定傾角 稱為橫向傾角。斜盤相對平面x o y的實際傾角大于調節角y，以y1表示。斜盤平面和柱塞球頭中心所在平面相平行。柱塞球中心所在平面的方程為

（1）

柱塞中心線在x oy平面上的投影軌跡的參數方程為

（2）

代入上式得柱塞球頭中心的空間軌跡方程為

（3）

式中的 角為轉子的轉角，起始位置為o y軸，按右手定則逆時針旋轉為正。求Z的極值點便得死點的相位角為

（4）

因為斜盤具有橫向傾角的泵，配流盤的過渡區中心線是對正于。y軸放置，死點距o y軸的相位角即為錯配角切。，所以（4）式表示錯配角隨斜盤的調節角近于成反比關系。斜盤的實際傾角丫;等于斜盤的法線0 n與o z軸的夾角，為

（5）

由上兩式還可以得到

（6）

（7）

將（5）至（7）式代入（3）式中得

（8）

由于錯配角相對于配流盤的中心線的轉向必須和轉子旋轉方向相反，泵才能正常工作，也就是如圖1所示的橫向傾角的方向，轉子必須順時針旋轉才行。

圖1

以 代入（8）式中即得

（9）

這個式子與一般計算式相比，相位超前了一個錯配角。由（8）式可進一步得柱塞運動行程，速度，加速度的表達式。為減小液壓沖擊壓差，斜盤具有橫向傾角的軸向柱塞泵應適當增加A值，一般可采用空心柱塞或加長空心柱塞的方法來增加無效空間，也稱死容積。就丹尼遜型恒壓變量軸向柱塞泵來講，它的A值約為1.8 5，工作壓力為250 k g f/c m2，僅采用斜盤具有橫向傾角的方法便可使沖擊壓差的最大值小于5 8 k g f/cm2。這已是屬于中低壓范圍，不會造成顯著的液壓沖擊現象。該泵還同時在配流盤上開有減震槽，使實際的沖擊壓差最大值遠小于此值。為了不使轉子產生附加的脈沖載荷，減少原動機的功率耗損，提高效率，特別是避免激發起機械振動，柱塞油缸閉死升壓時最好不產生過大的超壓現象。為此，在設計時，額定的設計工況點選擇的預升壓力可低于泵的額定壓力 。這樣柱塞油缸閉死升壓曲線左移。在排量較小時，油缸處于過升壓狀態。不論是欠升或過升壓力的最大數值都減小了一半.，對減小液壓沖擊是有利的。如果在配流盤上再開設減震槽，還可以將過升壓力繼續減小，使其接近于泵的恒壓調節曲線。因此，可以說斜盤帶有橫向傾角的抗沖機構雖然在理論上不能絕對消除恒壓變量軸向柱塞泵的配流沖擊壓差，但數值是很小的，工程上近于可以忽略不計。

四、變壓狀態下工作的軸向柱塞泵可采用對錯配角伺服補償的方法消除配流沖擊

對于連續或分級變壓的軸向柱塞泵，在額定壓力下設計成無配流沖擊，工作壓力改變后又會出現配流沖擊。工作壓力低于額定壓力時，油缸的預升壓力大于泵的工作壓力，出現液壓正沖現象，油缸的預釋壓力大于泵的工作壓力，出現真空和氣穴現象。其不良影響是眾所周知的。為了消除這種有害影響，國外研制出一種配流盤的轉角可根據泵的工作壓力進行伺服補償的軸向柱塞泵。具體的方法是以泵的工作壓力為控制信號，經伺服閥，伺服油缸，齒輪齒條機構來控制配流盤的轉角。而柱塞油缸的預升、釋壓力與錯配角的正弦成正比，這樣就可以使油缸的預升、釋壓力與泵的工作壓力自動適應，從而消除配流沖擊。如英國國立工程實驗室和卡隆公司研制成功的N.E.L型低噪聲軸向柱塞泵便是根據這種原理工作的。不過這種泵因結構較為復雜，成本較高，目前還沒有獲得廣泛的應用。

五、排量恒定工作壓力可變的軸向柱塞泵可單獨采用減震槽（孔）來消除液壓配流沖擊

柱塞油缸閉死壓縮（膨脹）體積只與泵的幾何參數有關，不能適應泵工作壓力的調節。采用伺服補償機構又使泵的結構復雜，成本增高。單獨采用減震槽可以近似地消除配流沖擊，并且能適應工作壓力的變化。對于定量泵，設額定設計工況下通過減震槽流入油缸中的高壓油的體積占油缸預升壓所需油液壓縮總體積的比例為K：，只要泵的轉數，油溫，工作壓力不變，減震槽通油體積是不變的。泵的工作壓力改變時，通油體積也變化，一般形狀的減震孔、槽的流量是與壓力成正比的。

總之，只適應于泵的一種功率調節曲線，如果泵的功率變化較大，仍無法完全適應。

參考文獻：

〔1〕李英，軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法探討.2018.

〔2〕張翠平，淺談軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法.2018.