恒功率变量问题的探讨

第17卷第4期V o l.17№41996

青岛建筑工程学院学报

Journal of Q ingdao Institute

　of A rch itecture and Engineering 恒功率变量问题的探讨α

赵　健

(青岛建筑工程学院机电工程系,青岛266033)

摘　要　对恒功率变量的原理、特性进行了系统的分析,阐述了它在斜轴泵中的应用.

关键词　变量机构,等功率轴,斜轴泵

中图法分类号　TH137151

引　言

轴向柱塞泵属于液压系统的动力输出元件之一,而其中的斜轴泵具有耐震性好、能承受冲击载荷、结构强度高、允许有较大的摆角(可达25°)等优点,已被广泛用于压力机、重型设备、工程机械等液压系统中,特别是在挖掘机上应用较多.其变量机构多采用恒功率变量机构,因为此机构能充分发挥原动机功率效能,延长原动机的使用寿命,并使液压设备体积小、重量轻.

斜轴泵按传动轴与缸体的联接方式可分为单铰、双铰和无铰型三种〔1〕,而前两种形式结构复杂,且磨损大等缺陷,所以目前很少应用.

1　变量机构的型式

轴向柱塞泵是通过变量机构(或变量调节器)来改变直轴泵斜盘倾斜角或斜轴泵摆缸的摆角,从而改变其输出流量的大小和方向.变量机构型式繁多.按变量执行机构分为液压伺服式、液压缸式、机械式;按性能参数分为恒功率式、恒压式、恒流量式;按控制方式分为手动式、电动式、液动式、电液比例控制式、机动式.

笔者所述的恒功率变量机构也包含液动式和液压缸式的某些结构和特点,特别指出的是,不同的变量机构可组合而形成复合变量机构.

2　恒功率变量机构的原理

恒功率变量是根据泵的出口压力的大小来调节输出流量的大小,使泵输出流量与压力的乘积近似保持不变,也就是使原动机的输出功率大致保持恒定.泵的输入功率,即原动机的输出功率〔2〕:

α收稿日期:1995-10-30

N =1.667×10

-8

PQ Γ(TW )

式中:P ——油泵的工作压力(Pa );Q ——油泵的输出流量(L m in );Γ—

—考虑漏损和机械损失在内的总效率.

恒功率变量的原理见图1.其机构由方向阀3和差动变量缸1组成,由泵的出口压力油和弹簧控制方向阀,控制油路由阀3进入变量缸,使变量活塞2动作,从而带动斜轴泵的

摆缸摆动.P 值与Q 值间的变化关系用图2的计算曲线恒功图1　变量机构的原理 图2　恒功率理论变量特性曲线率理论变量特性曲线来表示.然而实际机构中是利用一根或多根弹簧与液压力相平衡来进行

控制的,因此给出的不是曲线,而是由一条或几条直线所组成,所以用这些直线组合起来的折线来代替双曲线来进行分析.

3　2Z B 725型柱塞泵的变量原理和恒功率曲线的形成

311　总功率调节器的结构组成

2Z B 725属于斜轴式柱塞泵之一,是

由两台相同结构和尺寸的斜轴泵组成.两台泵放在一个壳体内,由一台发动机驱动,通过分动齿轮分别带动两个泵轴进行工作.两台泵分别通过两个结构相同的总功率调节器来进行恒功率调节,其调节器的结构简图如图3.这种调节器采用双弹簧(图中5,6),利用液动力与弹簧力的作用来控制活塞4和活塞杆9的移动,带动摆缸摆动.两台泵之间

图3　2Z B 725型总功率调节器结构简图

1端盖　2柱塞　3壳体　4活塞　5小弹簧　6大弹簧

7端盖　8调整螺钉　9活塞杆　10阻尼塞

的联系从职能符号图4〔3〕中可看出是液压联系.即从两台泵的出油口各引一条控制油路分别通过调节器上的阻尼塞10进入四个相同尺寸且对称分布的小柱塞的a 腔和b 腔,这样,既能在正常调节过程中保持两泵间的同步作用(即摆角相等或流量相等),又能保留两台泵各自无关的运动可能性.

312　恒功率变量的过程分析

假定两台泵出口压力分别为P 1和P 2,则图3的活塞4所受向右的液动力:

P =P 1S 1+P 2S 2=(P 1+P 2)S

式中　S 1=S 2=S ——a 或b 腔的作用面积,其中,S =2×Π

4

d 2,d 为小柱塞直径;活塞4的右端

2

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图4　液压联系的总功率变量泵的液压符号

受到向左的弹簧力.在其结构中,6为大弹簧,其刚

度用C 1表示,5为小弹簧,其刚度用C 2表示,并且大弹簧先工作,设其预压紧力为T 01

31211　在P 1=P 2状态下　(1)当P 1≤P 0(P 0为起调压力)时,此时活塞4在液动力和大弹簧的预压紧力的双作用下保持静止,摆缸处于最大摆角Χm ax 的状态.设此时每台泵的流量为Q m ax ,Q 随P 1的变化关系如图5的a 0a 段.起调压力P 0由下式求得:

(P 1+P 2)S =P 0 2S =T 0则

P 0=T 0 2S

(2)当P 1>P 0时,大弹簧6被压缩,小弹簧5

没有工作,当压缩量为x 时,可得平衡方程

(P 1+P 2)S =T 0+C 1x 则

P

1=(T 0+C 1x ) 2S

活塞往右移动,从而带动摆缸,使其摆角Χ减小,流量Q 随之减小,如

图5的ab 段.

当大弹簧总变形量为x 0(此种泵x 0=13.6mm )时,小弹簧才开始被压缩,设此时液体压力为P ′0,则

P ′

0可由下式求得:

(P 1+P 2)S =T 0+C 1x 0则 P ′0=

(T 0+C 1x 0) 2S 图5　P 1=P 2时的恒功率曲线

(3)当P 1>P ′0时,大小弹簧均工作,活塞的平衡方程为:

(P 1+P 2)S =T 0+C 1x +C 2(x -x 0)

则P 1=

T 0+C 1x +C 2(x -x 0) 2S

这时的恒功率曲线为bc 段.随着P 1的继续上升,两根弹簧继续缩短,直至活塞杆9与调节螺钉8相碰,此时活塞不再移动,摆缸摆至最小摆角Χm in ,流量调至恒功率最小流量Q m in ,P 1也达到P m ax .当P 1>P m ax ,恒功率曲线将是水平直线cd .同理,可画出P 2随Q 2的变化曲线,如图5

的a ′b ′c ′d ′.

当在P 0≤P 1=P 2≤P m ax 范围内取任一P 1或P 2点,即可绘出面积M 1和M 2,并且有M 1=

M 2,(M 1+M 2)即为发动机的总驱动功率N ,即N 1=M 1=M 2=N 2=N

2,(M 1+M 2)的中间轴(即图5的纵坐标轴)就称为等功率轴.图中可看出总功率变量不是根据P 1和P 2的单数值,而是根据两台泵的工作压力和2P =P 1+P 2来进行流量调节的,并且当P 1,P 2≥P 0时,才能利用发动机的全部功率.

31212　在P 1≠P 2的状态下　P 1和P 2随Q 的变化曲线(即恒功率曲线)的绘制方法与P 1=P 2状态下相同,只是纵坐标轴的位置发生了变化

.例如,当P 1

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