工作参数对变量柱塞泵流量脉动的影响

工作参数对变量柱塞泵流量脉动的影响
冀宏;郭海堂;魏列江
【摘要】为揭示出口压力、斜盘倾角和转速等工作参数改变时变量柱塞泵流量脉动的变化特点,以某恒功率变量柱塞泵为具体对象,建立了变量机构的机液联合仿真模型,界定出柱塞泵工作参数范围.采用空间球面法计算配流盘的过流面积,并考虑油液压缩性及运动副配合间隙的泄漏,在此基础上应用AMESim软件对柱塞泵泵体部分进行了建模.结果表明:工作压力增大时,柱塞泵出口流量脉动幅值及脉动率均增大,流量倒灌量增大;斜盘倾角增大时,流量脉动幅值增大,脉动率先减小后基本不变,流量倒灌量增大但增幅微小;随着转速的增大,流量脉动幅值增大,脉动率减小且低转速下变化梯度较大,流量倒灌量逐渐减小.
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2016(042)005
【总页数】7页(P44-50)
【关键词】柱塞泵;变量机构;工作参数;流量脉动
【作者】冀宏;郭海堂;魏列江
【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
柱塞泵因具有功率密度大、变量形式丰富等优势被广泛应用于工业液压和行走机械液压领域.柱塞泵作为液压系统动力源的同时也是主要噪声源,其中泵出口的流量脉动是流体噪声激振源[1],它与系统回路阻抗相结合引起系统压力脉动甚至系统振动.柱塞泵配流盘过渡区阻尼槽(孔)、错配角和预压缩容腔等结构参数对其流量脉动有明显影响[2-5].另外,柱塞泵的流体噪声受工作参数的影响较大,在偏离设计工况点时流体噪声加剧增大[6].张军辉[7]指出了传统配流结构的柱塞泵流量脉动存在对工作参数敏感性高的缺点,并优化设计配流盘.宋月超、邓斌等[8-9]运用CFD技术研究分析了柱塞泵稳态时工作参数对泵流量脉动的影响.
现有的变量泵流量脉动研究分析中,工作参数一般独自取值,未考虑到实际工况中工作参数间的影响关系及合理取值范围.本文以中型挖掘机中广泛使用的K3V112轴向柱塞泵为研究对象,利用机液联合方法对柱塞泵变量机构进行建模,为流量脉动研究中工作参数合理取值提供依据.基于轴向柱塞泵AMESim仿真模型,研究分析了压力、斜盘倾角和转速等工作参数对柱塞泵流量脉动的影响规律.为提高模型精度,配流副中球面配流盘的过流面积采用基于空间球面方法解析计算,配流副泄漏采用球面泄漏模型,并考虑了油液中含气量、空气分离压与饱和蒸汽压等弹性模量影响因素.
1.1 恒功率变量泵调节原理
K3V112型轴向柱塞泵的变量采用双泵恒功率-负流量控制,图1为变量泵调节原理图.本文只分析其恒功率控制特性，恒功率控制采用由两根弹簧组成的双折线型方式.以前泵为例：当作用于恒功率载荷柱塞的前、后泵出口压力之和超过起调压力,恒功率载荷柱塞开始动作并使变量伺服阀处于左位工作,前泵出口压力油开始经阀口与变量缸活塞大端接通,变量缸向泵排量减小方向运动,同时使得变量伺服阀阀口开度减小并最终复位,泵处于新的稳定工作点.电磁减压阀输出压力作用于恒功率载荷柱塞最左端台阶,改变它的电流大小来实现变功率调节.
1.2 变量机构机液联合仿真模型
该柱塞泵的变量调节装置是一个机液位置伺服系统.为精确反映其调节特性,利用软件AMESim与LMS Virtual. Lab Motion建立1D+3D联合仿真模型来代替传统简化的数学描述方程.用AMESim搭建变量机构中液压伺服控制模型,用LMS Virtual. Lab Motion(下文简称Motion)搭建变量机构动力学模型,AMESim向Motion实时输入伺服阀芯、功率载荷柱塞及变量缸的液压驱动力,而Motion向AMESim实时输出伺服阀芯、功率载荷柱塞及变量缸的位移和速度.图2为变量调节机构的联合仿真模型,其中在Motion模型中,伺服连杆与反馈连杆通过销钉连接,构件伺服连杆与该销钉的接触采用Hertz模型.联合仿真求解采用Coupled方式,该方式为连续模式,对于含有零开口伺服阀的机液强耦合伺服系统具有较高的求解效率和精度.
1.3 工作参数范围界定
为了使下文的流量脉动仿真与实际工况相符,必须界定工作参数范围,否则流量脉动仿真将无实际意义.利用上述仿真模型模拟变量泵恒功率控制中变量机构的工作过程,通过设置变量机构初始状态和其他参数,方便地界定工作参数范围.
设置变量机构模型仿真条件为：变量泵初始状态为斜盘处于最大倾角14.5°位置,转速为额定转速2 100 r/min,双泵出口压力p1、p2从0 MPa缓慢加载到34 MPa,恒功率控制压力变化为2～4 MPa.
图3给出变量泵恒功率控制下压力-流量特性曲线,其中曲线1和2分别为泵最大功率和最小功率对应的压力-流量曲线,曲线3为由文献[10]中数学表达式拟合的压力-流量特性曲线以作为曲线1的对比.曲线1中泵最大功率起调压力为13.5 MPa,转折压力为22.5 MPa,变量泵的外特性仿真曲线与曲线3理论值贴近,只是流量变化存在微小差异,这是由于仿真中未考虑泵的泄漏量.
由于泵流量为排量和转速的乘积,因此图3也可说明变量泵的压力与倾角之间的参
数关系.曲线1与曲线2之间区域界定为变量柱塞泵工作区域,即工作参数范围. 2.1 柱塞泵泵体部分的液压模型搭建
K3V112型轴向柱塞泵为9柱塞结构的双联泵,前、后泵结构相同,本文仅搭建前泵泵体部分的AMESim仿真模型,如图4所示.模型中泵出口压力的加载通过改变节流阀的开度来实现；泵内泄漏用固定节流孔模拟；柱塞腔与配流窗口的连通情况用可变节流口模拟,其过流面积以ASCII文件导入.表1给出仿真对象的主要参数. 2.2 配流盘结构及其过流面积计算
图5为K3V112型斜盘式轴向柱塞泵球面配流盘的结构图,该配流盘采用非对称偏转式结构,其错配角φ0=5.25°.配流盘减振槽采用组合式阻尼槽结构,即在吸油槽入口使用一个阻尼孔(阻尼孔1)与一个U型槽的组合,在排油槽入口使用一小一大两个阻尼孔(阻尼孔2、3)与一个三角槽的组合.其中阻尼孔1与柱塞泵壳体接通,阻尼孔2、3与排油槽接通.
配流盘阻尼槽过流面积的变化率非常重要,它决定着柱塞腔在压力过渡区的流量倒灌,间接影响柱塞泵出口流量脉动及柱塞腔的压力冲击[11].为此,本文采用文献[12]中基于空间球面方法计算配流盘的过流面积,这种计算方法具有较高的精度.以配流盘的内死点作为缸体转角的起始位置,在1个周期内配流盘过流面积的变化如图6所示.图中吸油低压区过流面积为Ain,排油高压区过流面积为Aout.
2.3 柱塞泵内泄漏分析
影响柱塞泵容积效率的内部泄漏主要存在三个方面：柱塞与缸体之间的柱塞副泄漏qV1;滑靴与斜盘之间的滑靴副泄漏qV2;配流盘与缸体之间的配流副泄漏qV3.
对于单柱塞副泄漏量qV1计算采用变接触长度的偏心缝隙流动公式：
式中：ptank为柱塞泵壳体中油液压力;δ1为柱塞与缸体孔配合间隙,μ为油液动力黏度,lp为柱塞与缸体孔的接触长度,ε为相对偏心率.
忽略柱塞泵实际工作中在离心力下滑靴微弱倾斜于斜盘情况,滑靴副泄漏数学模型
采用文献[7]中计算公式：
其中:
式中：dpb为柱塞阻尼孔直径;lpb为柱塞阻尼孔长度;dsb为滑靴阻尼孔直径;lsb
为滑靴阻尼孔长度;δ2为滑靴与斜盘平均间隙;r1为滑靴封油带内径;r2为滑靴封油带外径.
对于球面配流副泄漏模型,实际配流过程中配流端面与配流盘表面在缸体受倾覆力
矩下成一定倾斜角度,形成楔形间隙油膜.图7为球面配流盘油膜厚度示意图,配流副泄漏计算采用结合文献[13,14]的方法：
qV3=qV,ext+qV,int
其中：
式中：h0为缸体中心高度;Δh为缸体相对配流盘倾斜高度;r0为配流盘球面半径;r3、r4为配流盘内封油带内、外半径;r5、r6为配流盘外封油带内、外半径;φ为配流盘半球弧圆心角;l为配流盘球弧弦长中心到球心长度;rm为封油带平均半径;θ为缸体角度;ω为缸体角速度.
由于上述积分公式计算繁杂,应用Mathcad软件将计算结果代入到AMESim泄漏
模型中.
3.1 工作压力的影响
在上文确定的工作参数范围内选取仿真工作压力和斜盘倾角：斜盘倾角10°,四组
不同压力,另确定仿真转速为额定转速.
图8为不同工作压力下的柱塞泵出口流量脉动曲线.表2给出不同工作压力下柱塞
泵出口流量脉动对比数值.可以看出,工作压力升高,泵出口流量脉动幅值和脉动率均增大.平均流量的降低,表明压力越高泵内泄漏越大.
为分析工作压力对流量脉动的影响,给出在不同压力下单柱塞腔的压力和流量对比
曲线,如图9和图10所示.图9中压力过渡区存在两次正、负超调.柱塞腔的预升压或预卸压效果一方面靠柱塞轴向运动中柱塞腔体积收缩或膨胀的方式实现,另一方面通过配流盘阻尼槽(孔)柱塞腔压力提前沟通于排油槽或吸油槽来实现.对于同一结构的配流盘,不同工作压力下柱塞腔通过自身机械方式体积变化相等,则工作压力越低柱塞腔越容易实现压力过渡.在预升压区,工作压力越高柱塞腔与阻尼槽(孔)接通瞬间柱塞腔与配油槽压差就越大,相应的柱塞腔流量倒灌量也越大，流量倒灌量造成的泵出口流量减小量也越大.同样在预卸压区,柱塞腔通过阻尼孔1向壳体卸压时排出的流量也越大.柱塞腔流量变化如图10所示.
3.2 斜盘倾角的影响
类似地,在变量泵工作区域内取4组不同斜盘倾角的参数,并保证参数组出口压力一致(取15 MPa),转速为额定转速,进行仿真.
图11为不同斜盘倾角下柱塞泵出口流量脉动曲线.表3为不同倾角下的流量脉动对比.可以看出随着倾角的增大泵出口流量脉动幅值和平均流量逐渐增大,流量脉动率先减小后基本保持不变.
斜盘倾角大小影响柱塞闭死容腔的大小,柱塞进入闭死区后转过φ角时柱塞腔体积变化量ΔV 1用下式表示[3]：
式中：A为柱塞面积;R为柱塞分布圆半径;γ为斜盘倾角;φ0为错配角;Δφ为闭死角. 为分析斜盘倾角对流量脉动的影响,给出在不同倾角下单柱塞腔的压力和流量对比曲线,如图12和13所示.随着斜盘倾角的增大,在预升压区柱塞转过相同转角时柱
塞腔的闭死压缩效应增强,但在外死点处柱塞腔体积在增大.二者综合的结果是,在预升压区前段转角内斜盘倾角越大柱塞腔升压速度相对越慢,接通阻尼槽(孔)时倒灌进入柱塞腔的油液在微小地增加,柱塞腔压力超调量也在微小地增加.相比预升压区,在预卸压区中柱塞腔闭死体积要小,斜盘倾角大小对于柱塞腔经阻尼孔1排向壳体的油液流量大小影响也基本很小.因此,斜盘倾角的改变决定柱塞泵的几何排量,进而影
响脉动幅值和脉动率,而对柱塞腔流量倒灌影响不大.
3.3 转速的影响
当工作压力20 MPa和斜盘倾角10°时,不同转速下柱塞泵出口流量脉动如图14所示.
表4给出的流量脉动对比中,随着转速的增大平均流量和脉动幅值均逐渐增大,脉动率却在逐渐降低,且在低转速段脉动率变化幅度较大.平均流量的增长幅度要比流量脉动幅值的增长幅度大,因此流量脉动率随着转速的增高而减小.
转速影响柱塞腔压力过渡时间.对于同一结构配流盘,不同转速下的柱塞在压力过渡区转过相同角度产生的闭死压缩(或膨胀)效应一样,则接通阻尼孔时柱塞腔油液压力大小相等.在预升压区,柱塞腔发生的流量倒灌如图15中水平轴线以上部分所示,流量倒灌随着转速的增大倒灌时间在缩短,倒灌峰值在增大.倒灌流入柱塞腔的油液体积ΔV2可用流量倒灌在倒灌时间段的积分来表达.计算得出：转速从低到高,柱塞腔油液倒灌体积依次为0.229、0.213、0.200、0.189 cm3,表明随着转速的增大柱塞腔的流量倒灌总量逐渐减小.
通过建立恒功率柱塞泵变量机构的机液联合仿真模型,界定出柱塞泵工作参数范围,并对球面配流盘过流面积、运动副配合间隙泄漏等重要参数进行分析计算,建立了柱塞泵泵体部分AMESim仿真模型,提高了模型精度,也为变量柱塞泵精细化建模提供通用性方法.在此基础上研究了压力、斜盘倾角和转速等工作参数对柱塞泵流量脉动的影响,得到以
下结论：
1)工作压力升高,柱塞泵出口流量脉动幅值及脉动率均逐渐增大,平均流量逐渐减小,柱塞腔流量倒灌峰值和倒灌量逐渐增大.
2) 斜盘倾角增大,柱塞泵出口流量脉动幅值和平均流量均逐渐增大,脉动率先减小后趋于不变,柱塞腔流量倒灌量增大但增幅微小.
3) 转速增高,柱塞泵出口流量脉动幅值和平均流量均逐渐增大,脉动率逐渐减小且在低转速下变化明显,流量倒灌峰值逐渐增大而倒灌总量却逐渐减小.
【相关文献】
[1] 杨华勇,马吉恩,徐兵.轴向柱塞泵流体噪声的研究现状 [J].机械工程学报,2009,45(8):71-79.
[2] JOHANSSON A.Design principles for noise reduction in hydraulic piston pumps: simulation,optimization and experimental verification [D].ping Universitet,2005.
[3] 那成烈.轴向柱塞泵可压缩流体配流原理 [M].北京:兵器工业出版社,2003.
[4] 李鑫,王少萍,黄伯超.航空柱塞泵流量脉动仿真分析与结构优化 [J].兰州理工大学学
报,2010,36(3):60-64.
[5] 杨逢瑜,胡敏,胡静,等.斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的流量特性 [J].兰州理工大学学
报,2011,37(3):60-64.
[6] HARRISON K A,EDGE K A.Reduction of axial piston pump pressure ripple
[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2000,214(1):53-64.
[7] 张军辉.面向轴向柱塞泵减噪的配流盘及配流方法研究 [D].杭州:浙江大学,2013.
[8] 宋月超.柱塞泵流量脉动测量方法与大范围工况降噪结构优化 [D].杭州:浙江大学,2013.
[9] 邓斌,刘晓红,王金诺,等.水压轴向柱塞泵流量脉动动态仿真 [J].液压与气动,2004(1):31-34.
[10] 何清华,郝前华,李铁辉,等.挖掘机机液耦合复杂系统仿真分析及试验验证 [J].武汉理工大学学报,2011,33(12):87-92.
[11] 徐兵,陈媛,张军辉.轴向柱塞泵减振降噪技术研究现状及进展 [J].液压与气动,2014(3):1-12.
[12] 单乐.轴向柱塞泵球面配流盘阻尼槽对流量脉动性能的研究 [D].兰州:兰州理工大学,2014.
[13] 甘海.轴向柱塞泵配流副流场仿真及三角减振槽参数特征 [D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.
[14] BERGADA J M,WATTON J,KUMAR S.Pressure,flow,force,and torque between the barrel and port plate in an axial piston pump [J].Journal of Dynamic
Systems,Measurement,and Control,2008,130(1):1-16.。