復合雙作用徑向葉片泵的設計及流量分析

俞向明，孟利民，周鵬

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

國內常規的雙作用葉片泵葉片受離心力影響沿著定子的內表面移動，形成密閉容積的周期性變化從而完成吸油與排油的過程，在密封容積腔進入壓油區域瞬間，油液會發生回流，從而會使得葉片泵流量迅速下降，流量的脈動性會大大增加，會造成葉片泵系統的不穩定并且產生噪聲。為改善這種情況我們可以設計一種復合雙作用葉片泵來減少其流量脈動性過大的問題[1-3]。

1 復合雙作用徑向葉片泵的設計

一般液壓系統中, 復合葉片泵是一類常用的液壓泵,它能夠滿足中、低壓力系統的快進和工進速度變化的需求。復合雙作用葉片泵由2個雙作用葉片泵組成，本文所用的復合泵由2個相同雙作用子母葉片泵并聯組成，此葉片泵的2個轉子由同一個傳動軸帶動，流量相同，且有同一個出口排油。二維圖如圖1所示。

圖1 復合雙作用葉片泵二維圖

工作原理：當主傳動軸開始轉動，使得兩轉子也同一時間開始轉動，由于發生封閉體積大小的變化，泵分別從a、b兩個吸油口形成吸油過程，再從c排油口形成排油過程。由于2個定子平行安裝，左右泵體的瞬時流量分別是由小到大、由大到小，通過改變兩泵定子中心線所交角度來研究出口處流量的變化，盡可能使得出口c處的流量能夠保持穩定，從而減少葉片泵由于流量脈動引起的壓力脈動，減少了流量不穩定帶來的噪聲與振動，保持了泵體的穩定性與安全性。

2 理論流量的計算

2.1 出口流量平均值計算

式中：B為母葉片的寬度也是定子的厚度；R為定子內表面曲線長軸的長度；r為定子表面曲線短軸的長度；θ為葉片安裝傾角的度數；δ為葉片的厚度；Z為葉片安裝的數量；nB為葉片泵傳動軸的轉速；ηBv為葉片泵的容積效率。

2.2 瞬時流量的理論值計算

單個雙作用子母葉片泵一個工作腔以過渡曲線與圓弧交點為起點，排油的瞬時流量公式為

式中：ω為傳動軸穩定轉動時的角速度；B為母葉片的寬度；ρ為定子過渡曲線的極徑大小。

葉片為徑向放置,忽略出現的一些傾角誤差,單個子葉片損耗油的瞬時流量為

式中：s為子母葉片的厚度；b為葉片的寬度；v為葉片的徑向速度。

泵的理論瞬時流量可以由上述公式計算出，雙聯子母葉片泵單工作腔理論瞬時流量隨轉子角度的變化圖如圖2所示[4-6]。

將同一角度下各工作腔的排油瞬時流量與吸油區子葉片的損耗瞬時流量相加，得出瞬時流量公式為qv=2∑q1+2∑q2=B·(R2-r2)ω-2bs。即得出雙聯子母葉片泵單個泵的瞬時流量圖像，與當s=0時，流量圖像是一條直線，如圖2所示。

圖2 理論流量圖

3 基于Pumplinx的復合泵數值分析

先使用SolidWorks軟件建立模型，利用此軟件的型腔功能將模型內部的流體剝離出來,并將螺栓縫隙、密封間隙、軸徑向間隙等忽略簡化，再導入ANSYS軟件進行流體域的提取，再切割去多余部分，就能得到清晰明了的三維流體域，注意將轉子中心設置為原點，防止在模擬過程中出現錯誤，最后將流體域保存為STL格式，為之后用Pumplinx 軟件仿真模擬做準備。流體域如圖3。

圖3 模型流體域

兩個葉片之間存在的封閉容積在轉子轉動時通過過渡曲線區域，會由于高壓油與低壓油的瞬間接觸而產生周期性的脈動沖擊，這會導致出現定子與轉子間的不規律性振動，進一步造成葉片受力的不平衡。為了防止不規律性的振動對雙作用葉片泵的周期性徑向激勵作用，我們一般使用的雙作用葉片泵的葉片數量為偶數，且葉片數量盡可能多。這里我們使用的葉片泵的葉片數為12，葉片安裝傾角為13°。

將簡化后的流體域分別導入Pumplinx 軟件中，設置出口壓力、進口壓力、葉片數、葉片傾角、轉子轉速等參數后，開始模擬仿真實驗，得出的復合雙作用葉片泵不同安裝角度的圖像如圖4所示[7-8]。

圖4 各角度出口流量對比圖

各角度模擬曲線與其對應的理論瞬時流量比較圖像如圖5 ～圖7所示。

通過分析圖5 ～圖7 可 以 看出，在所設置的基本結構參數一致的情況下，隨著兩定子中心線所交角度的增大，復合雙作用葉片泵的輸出壓力和流量脈動呈現周期性變化且不斷地減小，變化趨勢基本一致，即0°導致的流量脈動最大，45°的引起的脈動幅值次之，90°的效果更好。而圖中出現的出口流量陡然下降是由于“高壓回流”所造成的。當兩個葉片間的封閉容腔在通過壓油窗口瞬間, 壓油窗口內部的高壓油液會瞬間逆流反向輸回由這兩個葉片組成的封閉容積腔，從而使得這個腔內的壓力會陡然上升, 出現出口流量迅速下降的情況，這就叫做“高壓回流”現象。

圖5 0°出口流量與理論值對比圖

圖6 45°出口流量與理論值對比圖

圖7 90°出口流量與理論值對比圖

4 結語

本文以提高徑向泵流量、降低流量瞬時脈動性為目的，設計一種具有2對定子、轉子的徑向柱塞泵。通過改變兩定子的配合角度，實現流量的穩定輸出。研究表明，葉片泵的輸出流量的脈動性隨著兩泵定子中心線所交角度的增加而減小，所得結果對設計和優化葉片泵結構具有一定借鑒作用。改變兩定子中心線交角度改善了泵的流量脈動性，但沒有完全消除，這可能是由各零部件的裝配誤差，或不對稱造成的徑向不平衡力所導致的，需要對所設計的復合徑向葉片泵進行進一步結構優化。