斜盤式恒壓變量柱塞泵動(dòng)態(tài)特性研究

摘" 要：該文針對(duì)變量泵壓力控制元件對(duì)變量泵的壓力輸出特性進(jìn)行研究，通過模擬仿真研究壓力控制閥上阻尼孔尺寸和彈簧剛度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明阻尼孔尺寸增加，減小變量泵輸出壓力的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)增大變量泵的泄漏量，壓力輸出偏差也會(huì)增大；調(diào)壓彈簧剛度增加導(dǎo)致變量泵壓力響應(yīng)速度降低，同時(shí)泵的輸出壓力偏差會(huì)有所增大。

關(guān)鍵詞：恒壓變量泵；壓力控制閥；阻尼孔；彈簧剛度；壓力輸出

中圖分類號(hào)：TH322" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0056-05

Abstract： This paper investigates the pressure output characteristics of a variable pump with respect to the variable pump pressure control element. The influence of the damping hole size and spring stiffness on the pressure control valve is studied through simulation. The results show that an increase in the size of the damping hole reduces the stability time of the output pressure of the variable pump， while increasing the leakage of the variable pump and increasing the pressure output deviation; an increase in the stiffness of the regulating spring leads to a reduction in the pressure response speed of the variable pump， while the output pressure deviation of the pump will increase.

Keywords： constant pressure variable pump; pressure control valve; damping hole; stiffness of spring; pressure output

作為液壓工作系統(tǒng)中的動(dòng)力來源，液壓泵能夠?qū)㈦姍C(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)中液壓油的壓力流量輸入，從而為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，是液壓系統(tǒng)中不可或缺的元件[1]。斜盤式軸向恒壓變量泵在工作過程中，可以根據(jù)后端負(fù)載的實(shí)際流量需求對(duì)泵的輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而使恒壓變量泵的輸出壓力保持穩(wěn)定。并且由于恒壓變量系統(tǒng)無溢流損失，系統(tǒng)效率得以提升。因此，恒壓變量泵往往被廣泛使用在大功率的液壓工作系統(tǒng)中[2-4]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)變量泵控制特性的優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究。Zeiger等[5]通過分析建立了軸向柱塞泵的動(dòng)態(tài)特性方程，并提出了一種預(yù)測(cè)系統(tǒng)中參數(shù)及條件發(fā)生變化對(duì)控制特性影響的方法。Fornarelli等[6]基于對(duì)變量泵斜盤受力狀態(tài)的分析，確定了變量泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)斜盤式軸向柱塞泵進(jìn)行了仿真研究分析。Achten[7]認(rèn)為，軸向變量柱塞泵在運(yùn)行時(shí)斜盤受到的振動(dòng)及扭矩沖擊對(duì)變量泵的分析及仿真建模的影響是十分重要的，在對(duì)變量泵進(jìn)行仿真分析時(shí)需要將斜盤的振動(dòng)納入考慮的范疇。Wei等[8]基于簡化的變量泵數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了一種非線性的壓力控制器。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該控制器能夠使變量泵系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)輸出特性。李會(huì)紡等[9]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了壓力控制閥閥芯直徑，變量機(jī)構(gòu)兩腔直徑比及變量彈簧剛度對(duì)變量泵壓力輸出特性的影響。Pan[10]考慮到斜盤振動(dòng)、壓力控制閥動(dòng)特性及泵泄漏等因素對(duì)變量泵輸出流量及壓力的影響，建立了變量泵輸出流量及壓力波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。諸多學(xué)者利用虛擬樣機(jī)技術(shù)搭建了軸向變量柱塞泵的仿真模型，虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠真實(shí)地模擬出變量泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并極大縮短研究周期與成本，為軸向變量泵的研究提供了重要的手段[11-12]。可以看出，變量泵控制特性的優(yōu)化主要包括控制器的設(shè)計(jì)及變量泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。而變量泵控制器的引入將提升系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且較少有學(xué)者基于變量泵壓力控制元件對(duì)變量泵的輸出特性進(jìn)行研究。

壓力控制閥作為恒壓變量泵的輸出壓力控制元件，對(duì)變量泵的壓力輸出特性有重要影響。因此，本文基于恒壓變量柱塞泵的工作原理，結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)變量泵進(jìn)行研究，通過軟件仿真分析了恒壓變量泵壓力控制閥上阻尼孔尺寸及調(diào)壓彈簧剛度對(duì)變量泵輸出壓力的影響，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。

1" 斜盤式軸向恒壓變量泵工作原理

1.1" 斜盤式柱塞泵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1顯示了斜盤式柱塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖，從結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，斜盤式柱塞泵主要由缸體、傳動(dòng)主軸、柱塞和斜盤等9個(gè)零部件構(gòu)成。缸體和主軸之間通過內(nèi)外齒輪嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而造成缸體繞主軸的旋轉(zhuǎn)。同時(shí)缸體繞主軸的旋轉(zhuǎn)使得與缸體內(nèi)孔配合的柱塞一同產(chǎn)生繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。滑靴和柱塞之間鉸接，在回程盤作用下滑靴與斜盤緊緊貼合。柱塞泵運(yùn)行時(shí)，斜盤具有一定的傾斜角，從而導(dǎo)致與斜盤表面貼合的柱塞滑靴組件在做繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)具有沿缸體內(nèi)部的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞從圖1所示的斜盤下端位置運(yùn)行至斜盤頂端位置時(shí)，柱塞腔容積增大，此時(shí)液壓油被吸入柱塞腔；當(dāng)柱塞從斜盤頂端位置運(yùn)行至斜盤下端位置時(shí)，柱塞腔的容積變小，液壓油排出柱塞腔。缸體內(nèi)部所有柱塞腔順序完成吸排油動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了柱塞泵的連續(xù)供油功能。

1.2" 恒壓變量泵工作原理

通過對(duì)斜盤式柱塞泵工作原理的分析可知，控制斜盤的傾角便能實(shí)現(xiàn)柱塞泵輸出流量的控制。恒壓變量泵的工作原理圖如圖2所示，可以看出變量泵斜盤角度的變化是由變量油缸和復(fù)位油缸共同控制的。其中被控斜盤作為負(fù)載，復(fù)位及變量油缸構(gòu)成執(zhí)行元件，控制元件壓力控制閥控制著變量機(jī)構(gòu)中的壓力輸入，因此變量泵本質(zhì)上屬于機(jī)液控制系統(tǒng)。

斜盤式軸向恒壓變量柱塞泵輸出壓力的調(diào)節(jié)是通過增大或減小壓力控制閥上調(diào)壓彈簧預(yù)緊力的大小實(shí)現(xiàn)的。增加彈簧預(yù)緊力將提高變量泵的輸出壓力，反之將降低泵的輸出壓力。恒壓變量有2種工作狀態(tài)，第一種是變量泵以最大流量進(jìn)行輸出，此時(shí)泵的出口壓力將低于壓力控制閥的調(diào)定壓力；第二種是變量泵輸出壓力穩(wěn)定在壓力控制閥調(diào)定壓力，此時(shí)變量泵根據(jù)負(fù)載實(shí)際需求流量對(duì)輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2" 建模及仿真分析

為了對(duì)恒壓變量泵的壓力輸出特性進(jìn)行分析，本節(jié)基于變量泵的工作原理對(duì)其各部件進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并搭建了變量泵的仿真模型。基于仿真模型分析了壓力控制閥上阻尼孔尺寸及調(diào)壓彈簧剛度對(duì)變量泵壓力輸出特性的影響。

2.1" 壓力控制閥閥芯運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模

通過前文中的分析可知，當(dāng)變量泵出口處壓力超過壓力控制閥閥芯開啟的設(shè)定壓力時(shí)，控制閥被打開。此時(shí)斜盤在變量活塞的作用下斜盤傾角減小，降低了泵輸出流量，進(jìn)而導(dǎo)致泵輸出壓力的降低，直至輸出壓力低至控制閥的設(shè)定壓力，控制閥閥芯關(guān)閉。以閥芯開啟時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎梢缘贸隹刂崎y閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為

PS A1=（m1s2+B1s+k1）x1+F1 ， （1）

式中：A1為閥芯作用面積，m２；B1為黏性阻尼系數(shù)，N/（m/s）；F1為預(yù)緊力，N；k1為彈簧剛度，N/m；m1為閥芯質(zhì)量，kg；PS 為泵輸出壓力，MPa。

2.2" 變量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模

變量泵的變量機(jī)構(gòu)由變量油缸和復(fù)位油缸共同組成，變量泵輸出流量的調(diào)節(jié)通過變量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。斜盤在變量機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)下其擺角隨之發(fā)生變化，斜盤擺角增大，泵的輸出流量增加，反之泵的輸出流量減少。基于對(duì)變量泵工作原理的分析，可得出變量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為

Pc Ac-Ps As-Fa -Fa1=（ma1+ma2+ma3）s2+Bas+ka）xa" ， （2）

式中：Ac為變量活塞作用面積，m2；As為復(fù)位活塞作用面積，m2；Ba為黏性阻尼系數(shù)，N/（m/s）；Fa 為復(fù)位彈簧預(yù)緊力，N；Fa1 為柱塞等效作用力，N；ka為復(fù)位彈簧剛度，N/m；ma1為復(fù)位活塞質(zhì)量，kg；ma2為變量活塞質(zhì)量，kg；ma3為負(fù)載折算質(zhì)量，kg；Pc 為變量缸輸入壓力，MPa；Ps為泵輸出壓力，MPa；xa為變量機(jī)構(gòu)活塞位移，m。

2.3" 變量泵流量關(guān)系數(shù)學(xué)建模

基于對(duì)恒壓變量柱塞泵輸入輸出流量的分析可知，變量泵的輸出流量除提供給后端負(fù)載的流量，還包括流入壓力控制閥和變量機(jī)構(gòu)的控制調(diào)節(jié)流量及液壓油的壓縮和泄漏流量。變量泵的輸出流量由泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速共同決定，輸出流量表達(dá)式為

2.4" 恒壓變量泵仿真分析

根據(jù)變量泵各部件的數(shù)學(xué)模型及變量泵的輸出流量關(guān)系，利用MATLAB/Simulink平臺(tái)對(duì)恒壓變量泵進(jìn)行了仿真模型的搭建，變量泵整機(jī)仿真模型如圖3所示。通過變量泵仿真模型分析了壓力控制閥阻尼孔尺寸和調(diào)壓彈簧剛度對(duì)泵壓力輸出特性的影響。

2.4.1" 阻尼孔尺寸的影響

阻尼孔R(shí)1、R2的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，從結(jié)構(gòu)圖上可以看出，僅有阻尼孔R(shí)1具有阻尼作用，阻尼孔R(shí)2不具備阻尼效應(yīng)，阻尼孔R(shí)2實(shí)際為阻尼孔R(shí)1加工過程中所形成的工藝孔。

取阻尼孔R(shí)1直徑分別為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 mm對(duì)變量泵整機(jī)模型進(jìn)行仿真。在仿真模型中通過給定調(diào)壓彈簧預(yù)緊力將壓力控制閥打開壓力設(shè)定在28 MPa，在0.6 s模擬負(fù)載工況的突變。此時(shí)變量泵的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5、圖6分別為不同尺寸阻尼孔所對(duì)應(yīng)的壓力響應(yīng)曲線和經(jīng)由阻尼孔R(shí)1的液壓油泄漏曲線。

從仿真結(jié)果圖5、圖6可以看出，當(dāng)負(fù)載工況發(fā)生突變時(shí)變量泵的壓力輸出也隨之發(fā)生變化。經(jīng)過短暫的壓力波動(dòng)后，變量泵的輸出壓力重新恢復(fù)至負(fù)載工況突變前的初始?jí)毫ΑＭ瑫r(shí)可以看出，隨著阻尼孔R(shí)1尺寸的增加，負(fù)載工況發(fā)生變化時(shí)變量泵輸出壓力的調(diào)整時(shí)間有所縮短，壓力超調(diào)量有所降低，且系統(tǒng)更容易恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)；但隨著阻尼孔尺寸的增加，經(jīng)由阻尼孔泄漏的液壓油流量會(huì)大大增加，且此時(shí)變量泵實(shí)際輸出壓力與壓力控制閥調(diào)定壓力之間的偏差也會(huì)有所增加。

2.4.2" 調(diào)壓彈簧剛度的影響

通過對(duì)斜盤式軸向恒壓變量柱塞泵工作原理的分析可知，壓力控制閥上調(diào)壓彈簧預(yù)緊力的大小決定了變量泵的輸出壓力值，調(diào)壓彈簧的剛度對(duì)變量泵的壓力輸出特性有著重要影響。受壓力控制閥尺寸限制，調(diào)壓彈簧剛度不宜過小，本工作分別設(shè)定彈簧剛度為80、100、120、140、160、180 N/m。將上述彈簧剛度代入至變量泵仿真模型，設(shè)定閥芯打開壓力為28 MPa，0.6 s時(shí)模擬負(fù)載工況突變。不同彈簧剛度下的變量泵壓力響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)仿真得到的曲線可以看出，負(fù)載工況的突變引起了變量泵輸出壓力的變化。變量泵經(jīng)過短暫的輸出壓力調(diào)整后，輸出壓力重新穩(wěn)定在負(fù)載工況突變前的泵輸出壓力。同時(shí)可以看出，隨著調(diào)壓彈簧剛度的增加，壓力響應(yīng)速度降低，且壓力的超調(diào)量有所增加，并且隨著調(diào)壓彈簧剛度的增加，變量泵輸出壓力與設(shè)定壓力的偏差也隨之變大。

出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是隨著調(diào)壓彈簧剛度的增加，壓力控制閥閥芯向右打開時(shí)的速度變慢，且閥芯打開至相同開度時(shí)所需要的液壓力也會(huì)變大，因此彈簧剛度較大時(shí)變量泵的壓力響應(yīng)速度有所降低且壓力的超調(diào)量和輸出偏差有所增大。

3" 結(jié)論

本工作基于斜盤式恒壓變量泵的工作原理，對(duì)恒壓變量泵各部件進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)變量泵輸出流量關(guān)系利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)變量泵進(jìn)行了仿真建模。基于仿真模型分析了壓力控制閥上阻尼孔尺寸和調(diào)壓彈簧剛度對(duì)變量泵輸出特性的影響。所得結(jié)論如下。

1）阻尼孔尺寸的增加有利于變量泵輸出壓力的穩(wěn)定，但會(huì)導(dǎo)致變量泵壓力輸出偏差的增大；同時(shí)液壓油的泄漏量也相應(yīng)增加，降低了系統(tǒng)的效率。

2）調(diào)壓彈簧剛度的增加降低了變量泵的壓力響應(yīng)速度，并使壓力輸出的超調(diào)量和偏差有所增大，但由于壓力控制閥的尺寸限制，調(diào)壓彈簧的剛度不宜過低。

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