高压泵压力脉动抑制技术研究_柯兵
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参考文献： ［ 1］ 李瑞， 贾建芳， 杨瑞峰． 负载模拟器控制策略的研究综述 ［ J］ ． 液压与气动， 2006 ， （ 10 ） ： 12 － 15． ［ 2］ 袁朝辉， 张伟， 等． 电液负载模拟器的自适应最优控制 ［ J］ ． 机床与液压， 2007 ， 35 （ 6 ） ： 134． ［ 3］ 焦宗夏， ． 机械工程 等． 负载模拟器的评价指标体系［J］ 2002 ， 38 （ 11 ） ： 26 － 30． 学报， ［ 4］ 刘晓东． 电液伺服系统多余力补偿及数字控制策略研究
图7
具备三角槽的分油盘
1． 4
图5 预压缩容积法
分油盘优化设计研究
国外还提出了一种斜盘式柱塞泵交错角降噪的方 法（ 见图 6 ） ， 就是通过改变斜盘的旋转轴线同缸体中 心轴之间的最大夹角的位置， 从而改变缸体上下死点 达到控制柱塞腔油液预压缩 在配流盘上的对应位置， （ 量的目的 即我们通常说的 β 角） 。
本课题中的分油盘参考了额定压力为 28 MPa 的 定型产品设计思路， 采用了如下优化方式： （ 1 ） 采用非对称腰形槽设计， 高压区腰形槽与低 压区腰形槽相比较窄， 用以控制实际工作中的分油盘 的力矩。 （ 2 ） 采用预升压及预减压设计， 在转子进入腰形 存在一个预压缩区， 对于柱塞 槽进入分油盘排油口前， 腔进行预升压； 在转子进入腰形槽进入分油盘吸油口 存在一个预减压区， 提前对柱塞腔进行减压， 控制 前， 压力突变。 （ 3 ） 在转子预增压与预减压区， 各增加了一个减 振孔， 分别于高压区和低压区沟通， 提高强增压和减压
图6
交错角法
3 ） 国内研究成果 近年国内针对轴向柱塞泵噪声和脉动冲击的控制 开展了一系列的研究工作。兰州理工大学的那成烈教 《轴向柱塞泵可压缩配流原理 》 授 中针对分油盘机构 对液压泵的噪声和脉动的影响进行了详细分析 ， 并提 出了一种新型低噪声的配流盘， 引入了错配角概念， 分 油盘向着液压泵旋转的相反方向旋转一定角度 ， 两配 流槽的几何分布采用非对称结构， 排油配流槽的包角 小于吸油配流槽的包角， 在柱塞的排油行程未结束， 柱 塞便与排油配流槽脱离， 进入机械封闭释压区， 在释压 过程中微量的机械压缩排油量和高压油液体积膨胀量 由减振槽引入吸油配流槽中， 从而达到降低脉 动 的 目的。 近年随着研究的不断深入， 发现传统的通过分油 盘腰形槽上开三角槽（ 见图 7 ） 来进行压力脉动抑制的 效果并不明显， 若在三角槽顶端加开圆孔， 会对压力脉 动起到较好的效果。由于采用三角槽的效果目前尚存
这是由于第一反谐振峰的频率点较高， 且在实际中并 不太关注第一反谐振峰的存在， 因此系统没有在更高 频率段进行测试。 4 结论 提出了一种电液式综合负载模拟器， 能够实现对 惯性、 弹性、 摩擦以及常值四种负载单独或同时模拟。 针对该系统建立了包含安装柔性和负载柔性的数学模 型， 得出了系统各谐振峰的频率计算公式 。通过仿真， 得到不同情况下系统谐振曲线， 确定刚度与质量对谐 振峰的影响， 验证了理论计算结果， 同时还对各种情况 对于分析实际火箭发动机 下谐振峰形态进行了论述， 也为负载模拟系统中谐振 的负载特性具有重要意义， 峰的调整提供了理论依据和方法指导 。
［ D］ ． 北京： 北京交通大学， 2008． ［ 5］ Kyoung Kwan AHN． Self Tuning Fuzzy PID Control for Hydraulic Load Simulator ［C］∥ International Conference on Control， Automation and Systems， Korea： IEEE， 2007： 345 － 349． ［ 6］ Dinh Quang Truong． A Study on Force Control of Electric － Hydraulic Load Simulator Using an Online Tuning Quantitative Feedback Theory［ C］/ / International Conference on Control， Automation and Systems， Korea： IEEE， 2008： 2622 － 2627． ［ 7］ N． Niksefat． Design and Experimental Evaluation of a Ｒobust Force Controller for an Electro － hydraulic Actuatorvia Quantitative Feedback Theory［J］ ． Control Engineering Practice， 2000 ， （ 8 ） ： 1335 － 1345． ［ 8］ 杨芳， 袁朝辉． 电液负载模拟器的自适应滑模控制方法 ［ J］ ． 计算机仿真， 2011 ， 28 （ 11 ） ： 168． ［ 9］ OhuchiH， JukuiH， etc． Model Ｒeference Adaptive Control of a Hydraulic Load Simulator［C］/ / ICFP' 93 ， Hang zhou China． Sept． 1993 ： 14 － 16． ［ 10］ 袁锐波， 赵克定， 李阁强． 电液负载模拟器力矩控制伺服 J］ ． 机床与液压， 2006 ， （ 2） ： 系统不确定性的分析研究［ 159 － 162． ［ 11］ 华清， J］ ． 焦宗夏， 等． 电液负载模拟器的精确数学模型［ 2002 ， 38 （ 11 ） ： 31 － 35． 机械工程学报， ［ 12］ 李洪人． 液压控制系统 ［ M］ ． 北京： 国防工业出版社， 1990．
图1
完好的零件（ 滑靴）
把低压油送入排油腔， 瞬间便会被压缩， 高压腔中的油 ， 形成油击， 液瞬间向工作腔倒流 通常称为液压回冲， 不仅使容积泵排油波形失去均匀性， 而且还会产生压 力脉动。同样， 转子上的工作腔排完油， 处于死容积中 的高压油无法排净， 瞬间和吸油腔接通， 也会瞬时膨 形成压力脉动。 胀，
KE Bing，LU Yueliang
（ 中航金城南京机电液压工程研究中心 航空机电系统综合航空科技重点实验室 ，江苏 南京 21102 ）
要： 随着飞机对液压功率需求的不断提高 ， 液压泵压力级别不断提升， 压力脉动抑制问题已是刻不 。 ， 容缓亟待解决的问题 分析了压力脉动来源 针对液压泵压力脉动抑制技术进行了分析研究和试验验证 ， 提 摘 出了需要合理选用柱塞数和缓冲瓶等解决方案 。 关键词： 高压泵； 压力脉动； 缓冲瓶； 柱塞数 中图分类号： TH137 引言 现役飞机上液压系统的工作压力多为 21 MPa， 是 上世纪 40 年代初期确立的， 目前已满足不了未来战机
90
DOI： 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2013． 10． 024
液压与气动
2013 年第 10 期
高压泵压力脉动抑制技术研究
柯 兵，卢岳良
Suppression Technique of Pressure Pulsation for High-pressure Pump
2013 年第 10 期
液压与气动
91
性， 从而导致飞行控制舵面承受的气动载荷变得更大 ， 作动速率更快， 因而液压作动器的功率将更大； 另一方 面， 在某些新型战斗机上， 需要液压动力实现可调推力 矢量控制， 加之发动机控制所需的液压功率也在增长 ， 发动机 控 制 作 动 所 需 的 液 压 功 率 共 增 加 50% ～ 100% 。例如在 F22 战斗机上， 液压系统的功率接近 600 kW， 15 战斗机液压系统的 2 倍［1］。液压系 约为 F统功率需要不断提高， 在压力不变的情况下， 必然要增 加系统容量， 从而导致系统重量的大幅增加。因此， 减 ， 轻系统重量已是亟待解决的问题 提高液压系统工作 压力则是解决这一问题的最有效途径 。随着液压系统 对于液压系统进行合理的压力脉动 工作压力的提高， 抑制成为飞机液压系统面临的主要问题之一 。 1 压力脉动危害及抑制技术 1． 1 压力脉动的危害 1． 2 高压化必然带来压力脉动控制的问题 。过大的压 当脉动幅值过大或压力 力脉动对液压系统十分有害， 脉动的振荡频率与元件或系统的固有频率一致或接近 脉动压力将会导致产生耦合振动 ， 由此引起的导管 时， 断裂现象时有发生， 使系统无法工作， 严重者会导致飞 行事故。飞机液压系统压力脉动成为威胁飞机安全的 曾出现因脉动压力 重要问题。在早期的飞机型号中， ［ 2 ］ 过大导致供压管路破裂， 引起飞机起火事故 。从现役 飞机外场使用情况来看， 较高的压力脉动经常造成能源 ， 管路部分强烈振动 使结构破坏和导致事故的发生。图 1 ～ 图 4 为现役某型飞机液压泵出口导管发生强烈共 ， 振而破裂， 导致液压油漏油， 使得液压泵发生“干磨 ” 相关摩擦副磨损严重， 发生液压泵失效故障的照片。
图“干磨” 发生 现象的零件（ 斜盘）
压力脉动抑制技术 1 ） 压力脉动来源
液压系统压力脉动产生主要来源于 4 个方面： 液 压泵、 控制元件、 作动元件以及管路。本课题仅对液压 泵的压力脉动抑制进行研究。 2 ） 液压泵压力脉动抑制 因此其 液压泵由于排油腔容积从大到小的变化， 输出流量 Q 是随转子旋转而呈周期变化的脉动流量， 液压泵产生 的 流 量 脉 动 经 过 管 路 的 作 用 ， 形成压力 脉动 。 液 压 泵 的 压 力 脉 动 是 系 统 压 力 脉 动 的 主 要 来源 。 3 ） 液压泵压力脉动抑制技术［3］ 根据液压泵压力脉动产生机理， 对于液压泵压力 脉动抑制通常有以下几种方法： （ 1 ） 对分油盘进行优化设计； （ 2 ） 采用尽量多的奇数柱塞； （ 3 ） 在液压泵出口增加缓冲瓶。 1． 3 分油盘优化设计研究 1 ） 分油盘压力导致压力脉动原理 柱塞泵高、 低压腔压力是阶跃的， 转子上的工作腔
图2 “干磨” 发生 现象的零件（ 滑靴）
2 ） 国外研究成果
92
液压与气动
2013 年第 10 期
国外的研究小组在柱塞泵的振动和噪声控制方面 开展了一系列的研究工作， 在配流盘结构优化方面提 出了一种预压缩容积法（ 见图 5 ） 。通过在配流盘的吸 油腰形槽和排油腰形槽之间设置一个预压缩容积 ， 减 从而降低脉动和压力冲击。 小流量的倒灌， 在争议， 所以本课题并未进行增加三角槽卸荷方式的 尝试。
效果。 （ 4） 本 课 题 在 设 计 斜 盘 时 还 引 入 了 β 角 概 念 （ 1. 5° ） ， 从而使上下死点位置发生了变化， 使得压力 脉动得到部分抑制。 本课题设计的分油盘（ 见图 8 ） 吸油区和排油区腰 形槽呈非对称状分布， 吸油区腰形槽尺寸大于排油区， 并开有减震孔。分油盘带有节流孔， 由于节流孔与排 （ 吸） 油腔相通， 当柱塞孔内的压力与排 （ 吸 ） 油腔压力 油液通过节流孔注入 （ 或泄出 ） 柱塞孔的流动 不等时， 就不会停止， 而会继续进行。两者压力差别越大， 流过 ， 节流孔的液体流量就越大 因而柱塞孔内压力 上 升 （ 或下降 ） 的速度也快， 这就使柱塞孔内的压力和排 （ 吸） 油腔压力很快接近。 当工况发生变化后， 如负载 压力高于额定压力后， 柱塞孔在接近排油腔时， 两者压 力差将比额定工况时大， 此时由节流孔注入柱塞孔的 流量比额定工况下同一位置上注入柱塞孔的流量大 ， 直到柱塞孔的压力接近于排油腔压力， 注入流量才变 柱塞孔内的压力上升也随之缓慢。 因而当柱塞孔 小，
0422 收稿日期： 2013作者简介： 柯兵 （ 1981 —） ， 男， 江苏南京人， 工程师， 本科， 从
文献标志码： B
4858 （ 2013 ） 10009006 文章编号： 1000-
事机载液压能源方面的研究工作 。 的要求。下一代飞机要求降低静稳定度和提高机动 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
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具备三角槽的分油盘
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图5 预压缩容积法
分油盘优化设计研究
国外还提出了一种斜盘式柱塞泵交错角降噪的方 法（ 见图 6 ） ， 就是通过改变斜盘的旋转轴线同缸体中 心轴之间的最大夹角的位置， 从而改变缸体上下死点 达到控制柱塞腔油液预压缩 在配流盘上的对应位置， （ 量的目的 即我们通常说的 β 角） 。
本课题中的分油盘参考了额定压力为 28 MPa 的 定型产品设计思路， 采用了如下优化方式： （ 1 ） 采用非对称腰形槽设计， 高压区腰形槽与低 压区腰形槽相比较窄， 用以控制实际工作中的分油盘 的力矩。 （ 2 ） 采用预升压及预减压设计， 在转子进入腰形 存在一个预压缩区， 对于柱塞 槽进入分油盘排油口前， 腔进行预升压； 在转子进入腰形槽进入分油盘吸油口 存在一个预减压区， 提前对柱塞腔进行减压， 控制 前， 压力突变。 （ 3 ） 在转子预增压与预减压区， 各增加了一个减 振孔， 分别于高压区和低压区沟通， 提高强增压和减压
图6
交错角法
3 ） 国内研究成果 近年国内针对轴向柱塞泵噪声和脉动冲击的控制 开展了一系列的研究工作。兰州理工大学的那成烈教 《轴向柱塞泵可压缩配流原理 》 授 中针对分油盘机构 对液压泵的噪声和脉动的影响进行了详细分析 ， 并提 出了一种新型低噪声的配流盘， 引入了错配角概念， 分 油盘向着液压泵旋转的相反方向旋转一定角度 ， 两配 流槽的几何分布采用非对称结构， 排油配流槽的包角 小于吸油配流槽的包角， 在柱塞的排油行程未结束， 柱 塞便与排油配流槽脱离， 进入机械封闭释压区， 在释压 过程中微量的机械压缩排油量和高压油液体积膨胀量 由减振槽引入吸油配流槽中， 从而达到降低脉 动 的 目的。 近年随着研究的不断深入， 发现传统的通过分油 盘腰形槽上开三角槽（ 见图 7 ） 来进行压力脉动抑制的 效果并不明显， 若在三角槽顶端加开圆孔， 会对压力脉 动起到较好的效果。由于采用三角槽的效果目前尚存
这是由于第一反谐振峰的频率点较高， 且在实际中并 不太关注第一反谐振峰的存在， 因此系统没有在更高 频率段进行测试。 4 结论 提出了一种电液式综合负载模拟器， 能够实现对 惯性、 弹性、 摩擦以及常值四种负载单独或同时模拟。 针对该系统建立了包含安装柔性和负载柔性的数学模 型， 得出了系统各谐振峰的频率计算公式 。通过仿真， 得到不同情况下系统谐振曲线， 确定刚度与质量对谐 振峰的影响， 验证了理论计算结果， 同时还对各种情况 对于分析实际火箭发动机 下谐振峰形态进行了论述， 也为负载模拟系统中谐振 的负载特性具有重要意义， 峰的调整提供了理论依据和方法指导 。
［ D］ ． 北京： 北京交通大学， 2008． ［ 5］ Kyoung Kwan AHN． Self Tuning Fuzzy PID Control for Hydraulic Load Simulator ［C］∥ International Conference on Control， Automation and Systems， Korea： IEEE， 2007： 345 － 349． ［ 6］ Dinh Quang Truong． A Study on Force Control of Electric － Hydraulic Load Simulator Using an Online Tuning Quantitative Feedback Theory［ C］/ / International Conference on Control， Automation and Systems， Korea： IEEE， 2008： 2622 － 2627． ［ 7］ N． Niksefat． Design and Experimental Evaluation of a Ｒobust Force Controller for an Electro － hydraulic Actuatorvia Quantitative Feedback Theory［J］ ． Control Engineering Practice， 2000 ， （ 8 ） ： 1335 － 1345． ［ 8］ 杨芳， 袁朝辉． 电液负载模拟器的自适应滑模控制方法 ［ J］ ． 计算机仿真， 2011 ， 28 （ 11 ） ： 168． ［ 9］ OhuchiH， JukuiH， etc． Model Ｒeference Adaptive Control of a Hydraulic Load Simulator［C］/ / ICFP' 93 ， Hang zhou China． Sept． 1993 ： 14 － 16． ［ 10］ 袁锐波， 赵克定， 李阁强． 电液负载模拟器力矩控制伺服 J］ ． 机床与液压， 2006 ， （ 2） ： 系统不确定性的分析研究［ 159 － 162． ［ 11］ 华清， J］ ． 焦宗夏， 等． 电液负载模拟器的精确数学模型［ 2002 ， 38 （ 11 ） ： 31 － 35． 机械工程学报， ［ 12］ 李洪人． 液压控制系统 ［ M］ ． 北京： 国防工业出版社， 1990．
图1
完好的零件（ 滑靴）
把低压油送入排油腔， 瞬间便会被压缩， 高压腔中的油 ， 形成油击， 液瞬间向工作腔倒流 通常称为液压回冲， 不仅使容积泵排油波形失去均匀性， 而且还会产生压 力脉动。同样， 转子上的工作腔排完油， 处于死容积中 的高压油无法排净， 瞬间和吸油腔接通， 也会瞬时膨 形成压力脉动。 胀，
KE Bing，LU Yueliang
（ 中航金城南京机电液压工程研究中心 航空机电系统综合航空科技重点实验室 ，江苏 南京 21102 ）
要： 随着飞机对液压功率需求的不断提高 ， 液压泵压力级别不断提升， 压力脉动抑制问题已是刻不 。 ， 容缓亟待解决的问题 分析了压力脉动来源 针对液压泵压力脉动抑制技术进行了分析研究和试验验证 ， 提 摘 出了需要合理选用柱塞数和缓冲瓶等解决方案 。 关键词： 高压泵； 压力脉动； 缓冲瓶； 柱塞数 中图分类号： TH137 引言 现役飞机上液压系统的工作压力多为 21 MPa， 是 上世纪 40 年代初期确立的， 目前已满足不了未来战机
90
DOI： 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2013． 10． 024
液压与气动
2013 年第 10 期
高压泵压力脉动抑制技术研究
柯 兵，卢岳良
Suppression Technique of Pressure Pulsation for High-pressure Pump
2013 年第 10 期
液压与气动
91
性， 从而导致飞行控制舵面承受的气动载荷变得更大 ， 作动速率更快， 因而液压作动器的功率将更大； 另一方 面， 在某些新型战斗机上， 需要液压动力实现可调推力 矢量控制， 加之发动机控制所需的液压功率也在增长 ， 发动机 控 制 作 动 所 需 的 液 压 功 率 共 增 加 50% ～ 100% 。例如在 F22 战斗机上， 液压系统的功率接近 600 kW， 15 战斗机液压系统的 2 倍［1］。液压系 约为 F统功率需要不断提高， 在压力不变的情况下， 必然要增 加系统容量， 从而导致系统重量的大幅增加。因此， 减 ， 轻系统重量已是亟待解决的问题 提高液压系统工作 压力则是解决这一问题的最有效途径 。随着液压系统 对于液压系统进行合理的压力脉动 工作压力的提高， 抑制成为飞机液压系统面临的主要问题之一 。 1 压力脉动危害及抑制技术 1． 1 压力脉动的危害 1． 2 高压化必然带来压力脉动控制的问题 。过大的压 当脉动幅值过大或压力 力脉动对液压系统十分有害， 脉动的振荡频率与元件或系统的固有频率一致或接近 脉动压力将会导致产生耦合振动 ， 由此引起的导管 时， 断裂现象时有发生， 使系统无法工作， 严重者会导致飞 行事故。飞机液压系统压力脉动成为威胁飞机安全的 曾出现因脉动压力 重要问题。在早期的飞机型号中， ［ 2 ］ 过大导致供压管路破裂， 引起飞机起火事故 。从现役 飞机外场使用情况来看， 较高的压力脉动经常造成能源 ， 管路部分强烈振动 使结构破坏和导致事故的发生。图 1 ～ 图 4 为现役某型飞机液压泵出口导管发生强烈共 ， 振而破裂， 导致液压油漏油， 使得液压泵发生“干磨 ” 相关摩擦副磨损严重， 发生液压泵失效故障的照片。
图“干磨” 发生 现象的零件（ 斜盘）
压力脉动抑制技术 1 ） 压力脉动来源
液压系统压力脉动产生主要来源于 4 个方面： 液 压泵、 控制元件、 作动元件以及管路。本课题仅对液压 泵的压力脉动抑制进行研究。 2 ） 液压泵压力脉动抑制 因此其 液压泵由于排油腔容积从大到小的变化， 输出流量 Q 是随转子旋转而呈周期变化的脉动流量， 液压泵产生 的 流 量 脉 动 经 过 管 路 的 作 用 ， 形成压力 脉动 。 液 压 泵 的 压 力 脉 动 是 系 统 压 力 脉 动 的 主 要 来源 。 3 ） 液压泵压力脉动抑制技术［3］ 根据液压泵压力脉动产生机理， 对于液压泵压力 脉动抑制通常有以下几种方法： （ 1 ） 对分油盘进行优化设计； （ 2 ） 采用尽量多的奇数柱塞； （ 3 ） 在液压泵出口增加缓冲瓶。 1． 3 分油盘优化设计研究 1 ） 分油盘压力导致压力脉动原理 柱塞泵高、 低压腔压力是阶跃的， 转子上的工作腔
图2 “干磨” 发生 现象的零件（ 滑靴）
2 ） 国外研究成果
92
液压与气动
2013 年第 10 期
国外的研究小组在柱塞泵的振动和噪声控制方面 开展了一系列的研究工作， 在配流盘结构优化方面提 出了一种预压缩容积法（ 见图 5 ） 。通过在配流盘的吸 油腰形槽和排油腰形槽之间设置一个预压缩容积 ， 减 从而降低脉动和压力冲击。 小流量的倒灌， 在争议， 所以本课题并未进行增加三角槽卸荷方式的 尝试。
效果。 （ 4） 本 课 题 在 设 计 斜 盘 时 还 引 入 了 β 角 概 念 （ 1. 5° ） ， 从而使上下死点位置发生了变化， 使得压力 脉动得到部分抑制。 本课题设计的分油盘（ 见图 8 ） 吸油区和排油区腰 形槽呈非对称状分布， 吸油区腰形槽尺寸大于排油区， 并开有减震孔。分油盘带有节流孔， 由于节流孔与排 （ 吸） 油腔相通， 当柱塞孔内的压力与排 （ 吸 ） 油腔压力 油液通过节流孔注入 （ 或泄出 ） 柱塞孔的流动 不等时， 就不会停止， 而会继续进行。两者压力差别越大， 流过 ， 节流孔的液体流量就越大 因而柱塞孔内压力 上 升 （ 或下降 ） 的速度也快， 这就使柱塞孔内的压力和排 （ 吸） 油腔压力很快接近。 当工况发生变化后， 如负载 压力高于额定压力后， 柱塞孔在接近排油腔时， 两者压 力差将比额定工况时大， 此时由节流孔注入柱塞孔的 流量比额定工况下同一位置上注入柱塞孔的流量大 ， 直到柱塞孔的压力接近于排油腔压力， 注入流量才变 柱塞孔内的压力上升也随之缓慢。 因而当柱塞孔 小，
0422 收稿日期： 2013作者简介： 柯兵 （ 1981 —） ， 男， 江苏南京人， 工程师， 本科， 从
文献标志码： B
4858 （ 2013 ） 10009006 文章编号： 1000-
事机载液压能源方面的研究工作 。 的要求。下一代飞机要求降低静稳定度和提高机动 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄