串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)設計及其仿真脈動和能耗優(yōu)化分析

徐洪濤，李延民

(1.河南建筑職業(yè)技術學院 設備工程系，河南 鄭州 450064；2.鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450064)

目前，大部分液壓動力源都是選擇液壓泵來實現(xiàn)，為液壓系統(tǒng)運動控制過程提供所需動力[1-4]。根據(jù)液壓泵的運行工況差異，可將其分成高壓、高轉速、高效率與良好負載適應性的3種液壓泵。通過分析液壓泵轉速影響因素發(fā)現(xiàn)，處于常規(guī)供油壓力下時，泵吸油口空化壓力會產(chǎn)生影響，對結構進行調(diào)整也會導致技術層面受到制約[5-7]。

相關方面吸引了眾多的研究學者。王樂勤[8]對高壓漸開線類型的齒輪泵開展了內(nèi)泄漏方面的研究工作。通過分析發(fā)現(xiàn)，對泵體和齒圈兩端的間隙進行適當優(yōu)化后，有助于泵在高壓運行狀態(tài)下獲得更大容積效率。此外也可以適當調(diào)整徑向力的平衡設計方式來實現(xiàn)對偏心方向的控制效果，通過設置不同的偏心率來避免發(fā)生軸向泄漏情況。PEDROJAVIER等[9]通過鍵合圖方法測試了齒輪副在運動過程中形成的應力分布圖，將2個液壓泵進行串聯(lián)組合后可以實現(xiàn)對壓力的疊加效果，有助于動力源輸出更高壓力，系統(tǒng)運行期間，負載大于柱塞泵設定壓力后，柱塞泵依然可以根據(jù)之前設置的壓力值為系統(tǒng)提供所需壓力，降低能量損耗，連接好二級泵進油口和一級泵出油口，進油口壓力逐漸上升，通過壓力疊加的方式獲得能夠滿足負載條件的壓力，同時需確保二級泵進出口壓差都在額定壓力以內(nèi)。安蕾等[10]對一字燃油通道結構實現(xiàn)的串聯(lián)多級齒輪泵進行分析后，將該方法應用于設計多級內(nèi)嚙合擺線齒輪泵結構。李華聰[11]構建了一種多級內(nèi)嚙合結構的航空燃油齒輪泵，以單軸方式進行驅(qū)動，再以三級齒輪泵進行串聯(lián)，利用主動軸實現(xiàn)連接轉動。根據(jù)前期文獻報道可知，齒輪泵可以提升大流量條件下的燃油泵增壓效果，降低燃油泵壓力脈動；由于齒輪泵具有緊湊結構，能夠降低燃油泵各級泄漏程度。

在串聯(lián)泵液壓系統(tǒng)中，要求一級泵能夠為二級泵提供穩(wěn)定壓力，并且該壓力值應控制在額定壓力以內(nèi)。為實現(xiàn)節(jié)能的效果，選擇柱塞泵作為一級泵，同時設定一個初始輸出壓力。以上的研究表明，串聯(lián)泵對降低能量損耗方面具有明顯的效果，但對流量脈動以及能量損耗性能方面的研究很少。本研究選擇雙液壓泵串聯(lián)的組裝方式可達到泵高速運轉并獲得高壓力的效果，此外還可以同時適應高低壓負載的使用要求，保證液壓泵在小體積條件下獲得高壓力，充分減小回路的節(jié)流損失。

1 串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)結構設計

圖1給出了雙電機驅(qū)動串聯(lián)結構液壓動力源的具體工作原理示意圖，連接柱塞泵1出油口和齒輪泵2進油口，依次通過2個電機驅(qū)動液壓泵。由于齒輪泵屬于定量泵，通過控制電機轉速來達到調(diào)整系統(tǒng)流量的功能。通過調(diào)整手動閥來模擬不同的工況負載，使液壓系統(tǒng)獲得所需壓力。串聯(lián)結構的液壓動力源系統(tǒng)通過上述串聯(lián)形式完成壓力分級疊加，獲得更大的液壓系統(tǒng)動力源輸出壓力，采用此動力源能夠滿足高壓力與大流量的液壓系統(tǒng)使用要求。系統(tǒng)達到高壓負載狀態(tài)時，將電磁閥3切換到左位，以串聯(lián)方式連接一級泵和二級泵，利用輸出壓力疊加的方式使液壓動力源獲得更大輸出壓力，在最優(yōu)狀態(tài)下可以達到2個泵的壓力相加的程度；根據(jù)實際工況需求，當系統(tǒng)保持低壓負載時，將電磁閥3切換到右位，此時二級泵停止工作過程，只通過一級泵為系統(tǒng)提供壓力，利用這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)液壓動力源多壓力級別輸出的效果。通過分析原理圖可知，蓄能器6可以發(fā)揮對二級泵進行補油穩(wěn)壓的功能[12-14]。

1.柱塞泵 2.齒輪泵 3.電磁換向閥 4.電機 5.加載閥 6.蓄能器

2 脈動仿真分析

2.1 模型搭建

利用串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)齒輪泵和柱塞泵的串聯(lián)過程，可以使液壓系統(tǒng)動力源輸出更大的壓力。在低負載條件下，將柱塞泵輸出壓力調(diào)節(jié)到低于負載的狀態(tài)，之后跟齒輪泵進行串聯(lián)以達到負載要求；處于高負載狀態(tài)下時，控制柱塞泵保持更高輸出壓力，與齒輪泵進行串聯(lián)后，再以壓力疊加的方式完成多壓力級別輸出。根據(jù)以上研究結果，采用軸向柱塞泵作為一級泵，同時以齒輪泵和馬達構成二級泵，表1與表2分別給出了液壓泵的各項參數(shù)。

表1 軸向柱塞泵主要參數(shù)

表2 齒輪泵/馬達主要參數(shù)

圖2顯示了由柱塞泵和齒輪泵進行串聯(lián)構建的液壓泵系統(tǒng)模型，其中，前者額定壓力為28 MPa，后者額定壓力為21 MPa，將柱塞泵出油口連上齒輪泵進油口，將這2個液壓泵輸出壓力進行疊加后可實現(xiàn)系統(tǒng)的多壓力級別輸出過程。

圖2 串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)模型

進行模型仿真時應對齒輪泵出口流量與壓力參數(shù)進行測試。通過適當調(diào)整系統(tǒng)負載狀態(tài)，本系統(tǒng)可以輸出高壓力級別，將測試壓力依次設定在20，25，30 MPa。

2.2 流量脈動仿真分析

圖3負載20 MPa下串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動，表3給出了單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動分布統(tǒng)計結果，其中λ表示輸出流量波動值達到平均流量的比例，其在一定程度上反映出來流量脈動的波動情況，其值越小表示穩(wěn)定性越好[15]。系統(tǒng)負載由20 MPa提高到30 MPa，同時單泵控液壓系統(tǒng)泵輸出流量差值也發(fā)生了增加，形成了更大的流量脈動區(qū)間。當負載增大后，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動區(qū)間也發(fā)生了減小。這是因為增大負載會增加液壓系統(tǒng)的負擔，會降低運行穩(wěn)定性，進而表現(xiàn)出流量波動的增加。注意到，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動隨著負載的增加變動不明顯，可見本系統(tǒng)的設計具有很好的穩(wěn)定性。

圖3 負載20 MPa下串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動

表3 不同壓力下單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動分布

表4顯示了液壓系統(tǒng)負載為20 MPa情況下，單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動結果。對表3進行分析可知，對電機轉速進行調(diào)整后，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)相對單泵系統(tǒng)的齒輪泵發(fā)生了流量脈動的顯著降低。電機轉速由1000 r/min提高到2000 r/min，雖然齒輪泵輸出流量差值發(fā)生了提高，不過流量脈動變化區(qū)間出現(xiàn)了明顯降低。

表4 不同轉速下單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的流量脈動分布

2.3 能耗仿真分析

液壓系統(tǒng)受到負載與液壓缸無桿腔直徑呈現(xiàn)遞減變化。圖4顯示在負載為20 MPa的條件下，單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的位移分布。串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)經(jīng)過串聯(lián)增壓后，可以使系統(tǒng)承受更高負載。從圖4可以看到，液壓缸在最初階段的伸出速度受到了明顯影響，因此串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)在0.1 s的地方形成了拐點。到達0.1 s之后，單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)獲得了相近斜率，表明2個系統(tǒng)液壓缸獲得了基本相同的速度。對比單泵和串聯(lián)泵控系統(tǒng)流量測試結果可以明顯發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)獲得了比單泵更優(yōu)的波動狀態(tài)。

圖4 單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的位移分布

圖5給出了單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的功率分布。根據(jù)圖5可知，當液壓缸伸出時，液壓缸輸入功率保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，都是-3.62 kW。其中，單泵控液壓系統(tǒng)泵輸出功率為10.12 kW，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的2個泵輸出功率分別為7.12 kW和3.26 kW。根據(jù)研究結果可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)可以利用功率疊加的過程達到通過低功率電機獲得大功率輸出的目的。

圖5 單泵和串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)的功率分布

3 結論

(1)設計了串聯(lián)結構的液壓動力源系統(tǒng)，完成壓力分級疊加，獲得更大的液壓系統(tǒng)動力源輸出壓力，采用此動力源能夠滿足高壓力與大流量的液壓系統(tǒng)使用要求；

(2)串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)流量脈動隨著負載增加變動不明顯，表明本系統(tǒng)設計具有很好的穩(wěn)定性。對電機轉速調(diào)整后，串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)相對單泵系統(tǒng)的齒輪泵發(fā)生了流量脈動的顯著降低；

(3)串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)可使系統(tǒng)承受更高負載，使液壓泵達到更低的輸出流量。串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)獲得了比單泵更優(yōu)的波動狀態(tài)。串聯(lián)泵控液壓系統(tǒng)可以利用功率疊加的過程達到通過低功率電機獲得大功率輸出的目的。