斜軸式定量柱塞泵的動態特性仿真分析

陳緒林 陳 康 向宏宇 王 康

（1.重慶文理學院 智能制造工程學院，重慶 402160；2.重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402160）

液壓傳動是以液體作為工作介質進行能量轉換、傳遞和控制的一種傳動方式，現已成為工農業及國防科學技術現代化進程中不可替代的一項重要基礎技術[1]。柱塞式液壓泵是靠柱塞在缸孔內的往復運動改變柱塞缸體內的容積來實現吸液和排液的液壓泵。它憑借其較高的工作壓力、寬廣的排量覆蓋范圍、較高的容積效率以及多樣的變量方式等優勢，常被用作液壓系統中的核心動力和執行元件，廣泛應用于工業液壓設備和工程機械領域。隨著工業設備對液壓元件性能要求的不斷提高，柱塞泵成為液壓泵發展的主要方向[2]。斜軸式定量柱塞泵具有自吸轉速高、工作壓力高、內泄漏少、效率高、可靠性高和噪聲低等優點，廣泛應用于貨船起重機、掛臂式垃圾車、翻斗式垃圾車、木材起重機、混凝土攪拌機和相似車輛等相關領域。斜軸式柱塞泵的轉速輸入軸與缸體呈一定夾角，缸體旋轉強迫柱塞做往復周期運動，從而使柱塞腔容積發生變化，同時依靠配流盤與缸體導流孔的連通與切斷實現介質的吸入與壓出，完成介質的升壓。

1 工作原理

本文的斜軸式定量柱塞泵通過一對錐齒輪驅動缸體旋轉，特點是傾斜角可以達到45°，重功率比比有鉸式和無鉸式大很多。柱塞與柱塞孔密封采用3個重疊放置的活塞環密封，減少了柱塞泵的泄露，提高了柱塞泵的容積效率。柱塞與輸入軸通過球頭與球窩配合，當柱塞與輸入軸夾角小于某一特定值時，柱塞可以裝入或脫離球窩；當柱塞與輸入軸夾角大于某一特定值時，柱塞球頭被輸入軸的球窩鎖緊而連接為一體。柱塞采用球頭連接方式，可以提高泵的轉速。泵的殼體采用鋁合金鑄件，具有強度好、質量輕的特點。配流盤與端蓋做成一體，使整個泵的結構更緊湊，達到了輕量化設計目標。

斜軸式定量柱塞泵的結構如圖1所示。當柱塞9下行時，通過端蓋6上的進油腔吸油，實現本泵吸油過程；當柱塞9上行時，通過端蓋6上的出油腔實現排油過程。輸入軸旋轉一周，每根柱塞都完成一次吸油和排油動作。當輸入軸旋轉方向改變時，只要將端蓋旋轉180°安裝，即可實現上述吸油和排油過程。因此，本泵可以實現正反轉功能。

圖1 斜軸式定量柱塞泵結構

2 關鍵結構設計

液壓柱塞泵的關鍵零部件有很多，如柱塞、缸體、斜盤、配流盤和滑靴等。因為端面配流是當前液壓柱塞泵最主要的高效可靠設計手段[3]，所以本文僅討論配流盤上節流槽的優化設計。合理優化結構參數和節流槽閥口面積，進一步研究進油口和排油口的通流面積，可以有效指導分析變量泵系統特性，對系統設計具有重要的參考價值。

2.1 節流槽尺寸設計

漸擴形節流槽的主要特征為截面隨閥口開度的變化逐漸變化。V形節流槽的結構及閥腔內壓力分布分別如圖2和圖3所示，以其閥口面積為例進行確定和計算[4]。

圖2 V形槽結構簡圖

圖3 V形槽閥腔內壓力分布

V形節流槽閥口面積AV為：

式中：β為投影角；A2為垂直于配流盤的閥開口處截面積。

2.2 節流槽面積計算

工作過程中，柱塞泵的油液介質經端蓋上的腰形槽流入或流出柱塞腔。當柱塞腔與配流盤腰形槽上的節流槽接通時，由于面積變化極其劇烈，流動過程受到節流作用的影響十分明顯。

該流動過程滿足：

式中：pi為配流盤腰形槽內油液壓力；Cr為流量系數；Ar為過流面積。

在缸體受驅動而旋轉的過程中，柱塞腔與端蓋上的腰型槽重疊區域的面積為過流面積。缸體旋轉一周單個柱塞腔過流面積的變化規律，如圖4所示。隨著柱塞腔和端蓋上的腰型槽接觸面積逐漸增大，過流面積從逐漸增大的過渡區變為面積恒定的穩定區。由于柱塞周期性往復運動，高低壓過渡區與穩定區呈對稱分布，需要把面積變化曲線轉換導入到仿真模型中，模擬配流面積變化過程。

圖4 配流盤旋轉周期內過流面積變化情況

3 仿真建模

第一，對輸入軸施加恒轉速模擬電機對柱塞泵的作用，利用錐齒輪的運動學關系，將驅動軸的運動學規律轉變為缸體的運動規律。第二，將柱塞腔與端蓋的過流面積變化規律曲線無量綱化后作為面積變化系數，采用可變節流孔模擬缸體與端蓋上腰型槽的連通與切斷。第三，將柱塞腔作為可變容積腔連接壓油模塊，實現模擬缸體與端蓋的配流過程。第四，通過連接多個柱塞腔模型管路，將柱塞的運動規律轉變為柱塞腔壓力的變化規律，進而得到整個系統的壓力變化規律。由于縫隙泄漏對系統性能特別是對容積效率的影響，需要在柱塞腔模型中加入縫隙泄漏模型，在系統模型中加入缸體與端蓋之間的泄漏模型。第五，利用節流孔模擬柱塞泵負載。

工程實踐中常用抗磨液壓油來保證微縫隙內對介質潤滑與密封的性能要求。該泵額定壓強為35 MPa，介質為L-HM46號抗磨液壓油，仿真參數如表1所示。

表1 整泵模型仿真參數表

4 仿真結果

液壓柱塞泵工作時，柱塞周期循環運動。當柱塞經過進出油過渡區時，柱塞位置和壓力狀態由與吸油的腰形槽接通改變至與排油的腰形槽連通。此時，柱塞腔內壓力的急劇變化將導致油液介質從排油位置倒流到柱塞腔，進一步引起液壓柱塞泵出口壓力劇烈脈動產生柱塞泵沖擊和噪聲，也會造成泵的流量脈動品質下降，減少使用壽命。

對斜軸式定量柱塞泵的液壓模型進行仿真，研究分析柱塞泵的內外特性，特別是不同轉速和不同軸交角與輸出流量的關系研究，對柱塞泵系統性能確定及改進具有一定的現實指導意義。

4.1 電機轉速對流體特性的影響

通過仿真探討定量泵的輸出流量特性和壓力特性與驅動電機的轉速關系，可以獲得液壓柱塞泵在不同轉速下的系統性能及變化，為進一步分析及優化液壓柱塞泵系統性能和匹配不同應用場景做出了指導。

為清晰觀察和分析該型液壓柱塞泵轉速流量特性，采用保持最大軸交角不變的方法進行分析。該型液壓柱塞泵不同轉速下的流量輸出特性如圖5所示。

圖5 在不同轉速下泵的輸出流量特性

液壓柱塞泵在不同轉速下泵的輸出壓力特性，如圖6所示。由圖5和圖6可知，在軸交角為45°的條件下，斜軸式定量柱塞泵輸出流量與壓力實際瞬時脈動情況與電機驅動轉速有關。電機轉速越高，泵的輸出流量及壓力脈動越大，達到平衡的時間越快，因此要求系統響應迅速。

從圖5和圖6可見，隨著轉速的升高，壓力脈動與流量脈動均逐漸增大，符合柱塞泵的特征。在最高轉速下，柱塞泵的輸出流量接近110 L·min-1的理論值。此時，柱塞泵在35 MPa的平均壓強下壓力波動比較小，而流量波動稍顯劇烈。一方面，在該工況下柱塞泵轉速高且泵的排量大，使柱塞的運動速率增加；另一方面，柱塞泵的容積腔較大削弱了壓力的脈動，造成了流量脈動稍大。

圖6 在不同轉速下泵的輸出壓力特性

4.2 軸交角對流體特性的影響

在節流開口一定、轉速為2 300 r·min-1的條件下，分析不同軸交角時液壓柱塞泵的軸交角與系統流量輸出特性、輸出壓力關系以及該型液壓柱塞泵的變流量調節執行結構響應特性。軸交角分別為10°、20°、30°、45°和50°時，泵的輸出流量特性與輸出壓力特性分別如圖7和圖8所示。

圖7 在不同軸交角下泵的輸出流量特性

圖8 在不同軸交角下泵的輸出壓力特性

由圖7和圖8可見，壓力波動的基礎頻率與流量脈動的基礎頻率一致，且隨著軸交角的增大，泵的輸出壓力和輸出流量脈動性加劇。出口高壓腔的容積較大，使額定轉速下柱塞泵的輸出壓力脈動較小；泵的泄漏量相比總流量非常小，壓力與流量脈動均會隨著軸交角的增大而增大。根據不同軸交角下泵的壓力脈動情況可知，由于轉速不變而排量變大，會導致柱塞泵的輸入壓力脈動隨著軸交角的增大而增加。觀察單個柱塞腔內壓力變化可以發現，柱塞腔內壓力建立初期僅有少量脈動，這是由于柱塞配流槽預設的三角形減振槽結構適當的減小了壓力沖擊。

圖9為在不同軸交角下泵的配流副泄露量，得知理想狀況下配流副泄露對整泵的泄露量影響較小。

圖9 在不同軸交角下泵的配流泄露量

在轉速為2 300 r·min-1、軸交角為45°時，柱塞1的位移隨時間的變化曲線如圖10所示。可以看出，柱塞1的運動位移曲線和理論計算曲線一致，驗證了仿真模型的準確性。

圖10 柱塞1的位移隨時間變化曲線

5 結語

本文以斜軸式定量柱塞泵為研究對象，分析其結構、特點和工作原理。利用性能仿真軟件搭建斜軸式定量柱塞泵仿真模型，在仿真環境下得到不同轉速和不同軸交角時液壓柱塞泵輸出流量特性與輸出壓強特性的關系曲線，對液壓柱塞泵的系統設計及關鍵結構優化起到了很好的啟示作用。因為配流盤設計有減振槽結構，所以柱塞腔內的壓強沖擊現象并不明顯，可以進一步探討減振槽的結構參數對壓強脈動的影響。