新型十字擺盤驅動式水液壓軸向柱塞泵閥配流系統(tǒng)設計

張小龍， 崔 凱， 郭志敏， 張軍輝， 張華揚， 岳藝明

(1.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027； 2.林德液壓(中國)有限公司， 山東 濰坊 261061； 3.杭州綠聚科技有限公司 設計部， 浙江 杭州 310013)

引言

水壓柱塞泵是水壓傳動的核心元件。目前水壓柱塞泵的開發(fā)仍類比傳統(tǒng)油壓柱塞泵[1]，通過柱塞的往復運動實現吸液、排液動作。新型十字擺盤驅動式水液壓軸向柱塞泵的工作介質及工作參數決定了其配流系統(tǒng)需采用密封性好、抗污染能力強、對水介質適應性好的閥配流結構[2]。然而，配流系統(tǒng)的結構參數與柱塞直徑及速度不匹配會導致配流閥吸入不足、閥芯運動滯后、泵容積效率低等問題[3]。

近年來，研究人員對不同結構水壓柱塞泵下的配流閥開展了試驗及仿真優(yōu)化研究。胡國慶等[3]建立了新型三柱塞海水柱塞泵的錐閥配流閥系統(tǒng)的AMESim仿真模型，分析配流閥結構參數對其容積效率的影響；韋春輝等[4]建立了超高壓海水泵的球閥配流閥的AMESim仿真模型，對不同結構參數下的配流閥系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真分析；黃國勤等[5]建立了水壓柱塞泵的平板閥配流閥的AMESim-MATLAB聯合仿真模型，分析了無導桿平板閥的結構參數對配流閥滯后性能的影響；賀曉峰等[6]基于實驗結果分析了配流閥的結構形式、材料對水壓泵容積效率的影響。雖然目前還沒有針對新型泵配流系統(tǒng)的研究分析，但上述的試驗研究為新型泵配流系統(tǒng)的設計優(yōu)化工作提供了有益的參考。

本研究以額定壓力25 MPa、排量180 mL/r、額定轉速750 r/min的新型十字擺盤驅動式水液壓軸向柱塞泵的配流系統(tǒng)為研究對象，結合該新型泵的結構特點，建立ADMAS-AMESim聯合仿真模型，對新型泵的配流系統(tǒng)進行液固耦合分析，比較不同配流閥結構參數對泵容積效率的影響，并對其配流閥的結構參數進行匹配優(yōu)化設計。

1 新型十字擺盤軸向柱塞泵結構原理

傳統(tǒng)斜盤式軸向柱塞泵的滑靴受到的斜盤反力可以分解為柱塞的軸向力和徑向力。軸向力驅動柱塞克服液壓力運動，而徑向力使得柱塞受到彎矩作用，柱塞與柱塞孔之間產生較大的接觸應力[7]，并且水的潤滑性能較差，因此該徑向力會加劇柱塞的磨損。新型泵十字擺盤結構中的內擺圈和外擺圈削弱了柱塞受到的徑向力 ，因此十字擺盤結構對提高新型泵的可靠性和使用壽命具有重要意義。

1.主軸 2.內擺圈 3.外擺圈 4.外擺圈支座 5.柱塞 6.滑靴擺盤圖1 新型柱塞泵十字擺盤結構示意圖

新型泵共有10個柱塞，每個柱塞腔連接1個吸液閥和1個排液閥，且吸液閥與排液閥結構相似。吸液閥和排液閥均為外流式的單向閥，閥座口為錐形、閥芯面為球面，閥芯球面與閥座口錐面相切以實現密封，如圖2所示。球面與錐面的密封形式可以避免由于閥芯與閥座孔不同心導致的泄漏問題。

1.閥體 2.閥芯 3.圓錐螺旋彈簧 4.擋圈圖2 配流閥尺寸參數示意圖

2 聯合仿真分析

2.1 ADAMS-AMESim聯合仿真模型

配流閥的結構參數決定了其動態(tài)性能的優(yōu)劣， 而配流閥的動態(tài)性能又直接影響泵的容積效率[8]。因此，為了分析在新型泵的額定轉速下其配流閥結構參數對新型泵容積效率的影響，建立了ADAMS-AMESim固液聯合仿真模型。

圖3 AMESim中固液聯合仿真模型

首先，在SolidWorks中建立新型泵的三維模型，通過Motion插件的COSMOSMotion接口生成包含約束信息的.adm文件并導入ADAMS，添加驅動和作用力，建立新型泵的動力學模型。然后，在AMESim中利用液壓元件庫搭建新型泵配流系統(tǒng)的液壓仿真模型。最后，將基于FMI 2.0(Functional Mock-up Interface)技術標準生成包含ADAMS積分求解器的FMU(Functional Mock-up Units)模型組件[9]導入AMESim，以AMESim作為主控制器建立協同聯合仿真模型，如圖3所示。

AMESim與ADAMS FMU模型組件數據交換方式如圖4所示。AMESim根據ADAMS FMU輸出的柱塞速度和位移對配流系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，同時將柱塞受到的液壓力傳遞給ADAMS。

圖4 AMESim中單柱塞配流閥模型

2.2 參數設置

新型泵10個柱塞的直徑為22 mm，主軸轉速為750 r/min，泵工作壓力25 MPa，吸液口壓力0.08 MPa，配流閥閥座錐角45°，柱塞副間隙0.01 mm，滑靴副間隙0.01 mm，斜盤傾角25°，柱塞孔分布圓直徑110 mm，柱塞球鉸分布圓直徑115.4 mm，工作介質為純水，ADAMS仿真步長0.0004 s，數據交換頻率5000 Hz，AMESim數據點打印間隔0.0004 s，配流閥的主要參數初始設置如表1所示。

表1 AMESim配流閥系統(tǒng)主要參數

2.3 仿真結果

1) 彈簧剛度的影響

排液閥和吸液閥彈簧剛度分別取0.05， 0.5， 5， 10， 20 N/mm，彈簧剛度與容積效率的關系如圖5所示，增大排液閥、吸液閥彈簧剛度可提高泵的容積效率。排液閥彈簧剛度從0.05 N/mm增大到5 N/mm時，泵的容積效率增加了0.164%，從5 N/mm增加到20 N/mm時，泵的容積效率增加了0.024%。

(4)獨立于耐用品的壽命，在以穩(wěn)定增長為目標的貨幣政策下，相對其他盯住目標而言，如果貨幣政策機制選擇盯住產出缺口，其所引致的社會福利損失最高。這一發(fā)現與Chen et al.[10]是一致的。類似的，選擇盯住非耐用品通脹的貨幣政策所引致的社會福利損失低于以產出缺口為目標的貨幣政策；

圖5 彈簧剛度與容積效率的關系

吸液閥的彈簧剛度從0.05 N/mm增大到5 N/mm時，泵的容積效率增加了0.281%，從5 N/mm增加到20 N/mm時，容積效率增加了0.055%。因此，在一定范圍內，增大排液閥和吸液閥復位彈簧剛度均能提高泵的容積效率，當彈簧剛度超過5 N/mm時，泵的容積效率的增速隨彈簧剛度的增加速度變慢。

對于排液閥，一方面排液閥彈簧剛度的增加，使得柱塞腔從排液轉為吸液時，排液閥閥芯關閉滯后時間縮短，進而使得液體從排液閥回流量減小。如圖6所示，在0.13 s附近，由于排液閥關閉滯后，存在回流現象，且排液閥彈簧剛度為10 N/mm時，液體回流最少。此外，排液閥閥芯關閉滯后時間縮短會使柱塞腔處于高壓的時間減少，柱塞腔的泄漏量減少，如圖7所示，在0.13 s附近，當排液閥彈簧剛度為10 N/mm時，柱塞腔在高壓狀態(tài)下的泄漏時間短，泄漏量小。

圖6 排液閥彈簧剛度與排液閥流量的關系

另一方面排液閥彈簧剛度的增加使得排液閥開啟壓力與柱塞腔壓力增加，從而加劇柱塞副、柱塞阻尼孔、吸液閥的泄漏，如圖7所示，在0.11 s時，彈簧剛度為10 N/mm時，柱塞腔的泄漏量最大。因此，排液閥關閉滯后時間縮短有利于容積效率的提高，而開啟壓力增加將使容積效率減小。當排液閥彈簧剛度在0.05～20 N/mm范圍內增大時，排液閥關閉滯后時間縮短對容積效率的影響大于開啟壓力增加帶來的影響，致使泵的容積效率增加。

圖7 排液閥彈簧剛度與柱塞腔泄漏量的關系

對于吸液閥，其彈簧剛度在0.05～20 N/mm之間變化時，彈簧剛度不足以使柱塞腔因閥芯開啟困難而吸液不足，隨著吸液閥彈簧剛度的增加，吸液閥關閉滯后時間縮短，當柱塞腔由吸液轉為排液時，吸液閥回流量時間縮短，泵的容積效率增加。如圖8所示，在0.09 s時，不同彈簧剛度下，吸液閥閥芯關閉時間不同，且當吸液閥彈簧剛度為0.05 N/mm時，吸液閥關閉滯后最嚴重。因此，在設計配流系統(tǒng)時，可通過適當增加閥芯復位彈簧剛度，尤其是吸液閥的彈簧剛度，以提高的泵容積效率。

圖8 吸液閥閥芯位移與吸液閥彈簧剛度的關系

2) 閥芯質量的影響

吸液閥閥芯質量分別取2, 8, 14, 19, 30 g；排液閥閥芯質量分別取1, 6.5, 10, 15, 20 g，閥芯質量與容積效率的關系如圖9所示。隨著吸液閥閥芯質量由2 g增加到30 g，泵的容積效率下降了0.194%，隨著排液閥閥芯質量從1 g增加到20 g，泵的容積效率下降了0.135%。隨著吸液閥閥芯質量的增加，閥芯慣性增加，柱塞腔由吸液轉為排液時，吸液閥閥芯響應延遲增加，造成泵的容積效率下降。隨著排液閥閥芯質量的增加，排液閥開啟和關閉滯后時間增加，進而造成泵容積效率下降。

圖9 閥芯質量與容積效率的關系

因此，在設計閥芯結構和選材時，應盡量減少配流閥閥芯質量。

3) 彈簧預緊力的影響

排液閥彈簧預緊力分別取0.5, 1.5, 5, 10, 20 N，吸液閥彈簧預緊力分別取0.5, 3, 8, 13, 20 N，彈簧預緊力與容積效率的關系如圖10所示。

圖10 彈簧預緊力與容積效率的關系

排液閥預緊力增加會使排液閥開啟滯后增大、關閉滯后減小。當排液閥彈簧預緊力從0.5 N增加至5 N時，泵的容積效率增加了0.32%；從5 N增加到20 N時，容積效率僅增加了0.042%，排液閥彈簧預緊力在0.5～5 N時的容積效率增益大于5～20 N時的增益。吸液閥彈簧預緊力的增加會使吸液閥關閉滯后減小，當吸液閥彈簧預緊力從0.5 N增加3 N時，泵的容積效率增加了1.398%；從3 N增加到20 N時，容積效率增加了0.235%，吸液閥彈簧預緊力在0.5～8 N時的容積效率增益大于8～20 N時的增益。

因此，在設計過程中適當提高復位彈簧的預緊力有利于增加泵的容積效率。但是當彈簧預緊力超過5 N 時，容積效率的增益逐漸減小。

4) 閥芯球面直徑的影響

排液閥閥芯球面直徑分別取17.6, 18.0, 19.0, 20.0 mm，進液閥閥芯球面直徑分別取29.2, 30.0, 31.0, 32.0 mm，閥芯球面半徑與容積效率的關系如圖11、圖12所示。排液閥閥芯球面直徑從17.6 mm增加到20 mm 時，泵的容積效率減少了0.05%；而當吸液閥閥芯球面直徑從29.2 mm增加到32 mm時，泵的容積效率減少了0.46%。

圖11 排液閥閥芯球面直徑與容積效率的關系

圖12 吸液閥閥芯球面直徑與容積效率的關系

閥芯球面直徑增大，會使閥芯球面與閥座錐面的密封環(huán)線直徑增大，即閥芯上下兩腔液壓作用面積增大、閥口過流截面面積增大。因此，隨著排液閥閥芯球面直徑的增大，排液閥閥芯開啟過程運動速度變緩，關閉過程滯后增大，進而導致泵的容積效率減小。隨著吸液閥閥芯球面直徑的增大，排液閥開啟過程閥芯速度變慢；吸液閥開啟過程的前半段閥芯速度變慢，關閉過程滯后增加，因此泵的容積效率逐漸下降。因此，在設計配流閥閥芯時，其閥芯球面直徑應在滿足密封的條件下選取較小值。

3 優(yōu)化實例

結合前述仿真分析，對配流閥結構參數進行優(yōu)化，優(yōu)化后參數為：吸液閥彈簧剛度取4 N/mm，預緊力取3 N，閥芯質量取3 g，閥芯球面直徑取29 mm。排液閥彈簧剛度取6 N/mm，預緊力取1.5 N，閥芯質量取 1 g，閥芯球面直徑取17.6 mm。優(yōu)化后泵的容積效率為95.578%，比優(yōu)化前增加了0.816%，平均流量增加1.13 L/min。

4 結論

本研究基于ADAMS-AMESim聯合仿真模型，對新型十字擺盤驅動式水液壓軸向柱塞泵的配流系統(tǒng)進行聯合仿真，討論了排液閥和吸液閥的不同結構參數對泵容積效率的影響，結論如下：

(1) 泵的容積效率隨著排液閥、吸液閥彈簧剛度、預緊力的增加而增加，隨著閥芯質量和閥芯球面直徑的增加而減小。當排液閥、吸液閥的彈簧剛度和預緊力增加到一定值之后，泵容積效率的增益趨于0。

(2) 吸液閥結構參數的變化對泵的容積效率的影響大于排液閥。