三柱塞式液壓增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇

鄧斌，譚紅，柯堅(jiān)，劉桓龍，王國(guó)志

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 前言

三柱塞式液壓增壓器是一種新型的連續(xù)型液壓增壓器，它通過3 個(gè)增壓缸的交替進(jìn)、回油完成連續(xù)增壓。增壓器中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了其增壓性能，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，有助于提高增壓器的增壓特性。

1 三柱塞式液壓增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1 所示為三柱塞式液壓增壓器的系統(tǒng)原理圖。增壓器主要是由旋轉(zhuǎn)斜盤1、滑靴2、柱塞套3、擺動(dòng)盤4、進(jìn)油端蓋5、配流盤6、三根增壓柱塞7、柱塞缸體8 以及增壓缸高壓腔出口閥組組成。

圖1 三柱塞式液壓增壓器系統(tǒng)原理圖

給增壓器的Pin 口供液壓油，液壓油經(jīng)擺動(dòng)盤中心孔流至配流盤，配流盤上有3 個(gè)配流窗口，分別給3 個(gè)增壓缸配流，通過擺動(dòng)盤中心孔與配流盤上3 個(gè)配流窗口的交替接通，實(shí)現(xiàn)3 個(gè)增壓缸的交替進(jìn)、回油，完成連續(xù)增壓。

2 三柱塞式液壓增壓器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在增壓器的進(jìn)口壓力p1和進(jìn)口流量Q1一定的情況下，增壓器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了出口壓力p2、出口流量Q2以及轉(zhuǎn)速n。

2.1 增壓器出口壓力和出口流量

三柱塞式液壓增壓器是由3 個(gè)相同增壓比的柱塞式增壓缸構(gòu)成，其增壓比與單個(gè)增壓缸相同。

圖2 柱塞式增壓缸原理圖

如圖2 所示，為單個(gè)柱塞式增壓缸原理圖。根據(jù)靜壓平衡有:

式中:D 為柱塞大端直徑;

d'為柱塞桿直徑;

d 為柱塞小端直徑。

由式(1)得:

式中:k 即為增壓缸增壓比。在增壓比一定的情況下有:

2.2 增壓器轉(zhuǎn)速

如圖3 所示為開始進(jìn)油增壓缸的柱塞在斜盤軸線與進(jìn)油端蓋中心軸線所在平面內(nèi)的剖視圖。圖中γ 為斜盤軸線與中心軸線間夾角，即斜盤傾角;Df為柱塞所在分度圓直徑;d 為柱塞小端直徑。斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周此增壓缸高壓腔排出高壓油的體積v 為:

圖3 開始進(jìn)油增壓缸柱塞剖視圖

由此增壓器排量V 為:

排量與出口流量關(guān)系式為:

轉(zhuǎn)速n 為:

根據(jù)式(2)、(3)、(7)可知:在增壓器的進(jìn)口壓力p1和進(jìn)口流量Q1一定的情況下，其出口壓力p2和出口流量Q2與增壓缸柱塞大小端直徑D、d 以及柱塞桿直徑d'有關(guān)，而轉(zhuǎn)速n 除了與柱塞尺寸參數(shù)D、d'有關(guān)外，還與斜盤傾角γ 以及柱塞所在分度圓直徑Df有關(guān)。

在增壓器的進(jìn)口壓力p1和進(jìn)口流量Q1一定的情況下，影響增壓器增壓特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:柱塞大小端直徑D 和d，柱塞桿直徑d'，斜盤傾角γ 以及柱塞所在分度圓直徑Df。

3 三柱塞式液壓增壓器仿真

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立如圖4 所示的三柱塞式液壓增壓器的液壓系統(tǒng)仿真模型。

圖4 三柱塞式液壓增壓器液壓系統(tǒng)模型

系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置如表1。

表1 三柱塞式液壓增壓器液壓系統(tǒng)模型主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為1 s。得到增壓器3 個(gè)增壓缸高壓腔出口的流量、壓力曲線，如圖5、6所示。

圖5 增壓缸高壓腔出口流量仿真曲線圖

圖6 增壓缸高壓腔出口壓力仿真曲線圖

圖5 中流量為正表示增壓缸高壓腔流出高壓油，流量為負(fù)表示增壓缸高壓腔從油箱吸油。

從圖5 和6 中可以看出增壓器出口流量連續(xù)，且出口壓力值穩(wěn)定在22 MPa 左右，進(jìn)口壓力值為6 MPa，增壓比為3.67。從壓力仿真曲線上可以看到:在每個(gè)增壓缸開始進(jìn)油和結(jié)束進(jìn)油時(shí)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，說明在增壓器正常工作情況下，每個(gè)增壓缸在換向時(shí)增壓器的二次壓力都會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。減小出口壓力波動(dòng)可以提高增壓器的性能。

4 三柱塞式液壓增壓器液壓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇

液壓增壓器的基本參數(shù)為進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量、出口壓力、出口流量和轉(zhuǎn)速。該增壓器的進(jìn)口壓力為6 MPa，進(jìn)口流量為8 L/min，出口壓力為22 MPa，出口流量為1.9 L/min，轉(zhuǎn)速為160 r/min。

在改變結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，保持液壓增壓器的基本參數(shù)不變。

(1)增壓缸柱塞面積

在柱塞大端原直徑D 為40 mm 的基礎(chǔ)上，增加35、45 和50 mm 3 種尺寸，得到相應(yīng)的3 組新的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，如表2 所示。

表2 不同柱塞直徑時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同柱塞面積下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖7 可以看出，當(dāng)柱塞大端直徑D 為50 mm時(shí)的壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

(2)斜盤傾角

在原斜盤傾角γ 為13°的基礎(chǔ)上，增加10°、16°和19° 3 種尺寸，得到3 組結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，如表3所示。

表3 不同斜盤傾角時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同斜盤傾角下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖8 可以看出，當(dāng)斜盤傾角γ 為19°時(shí)壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

(3)柱塞所在分度圓直徑

在柱塞所在原分度圓直徑Df為60 mm 的基礎(chǔ)上，增加55、65 和70 mm 3 種尺寸，得到三組新的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，如表4 所示。

表4 不同柱塞所在分度圓直徑時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)表

仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同柱塞分度圓直徑下的增壓器出口壓力曲線圖

從圖9 可以看出，當(dāng)柱塞分度圓直徑Df為70 mm 時(shí)的壓力沖擊幅值較小，壓力特性較好。

比較3 組壓力特性較好的仿真曲線如圖10 所示。

圖10 3 組壓力特性較好的增壓器出口壓力曲線圖

從圖10 可以看出，柱塞大端直徑D 為50 mm 所在的結(jié)構(gòu)參數(shù)組的增壓器壓力沖擊幅值最小，壓力特性最好。

綜上，當(dāng)增壓器的進(jìn)口壓力p1和進(jìn)口流量Q1一定時(shí)，且保證其出口壓力p2和出口流量Q2以及轉(zhuǎn)速n基本不變的情況下，對(duì)10 組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的增壓器模型進(jìn)行了仿真，得出的較為合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:柱塞大端直徑為50 mm，小端直徑為25 mm，柱塞桿直徑為5 mm，斜盤傾角為8°，柱塞所在分度圓直徑為63 mm。此組結(jié)構(gòu)參數(shù)下的增壓器出口壓力波動(dòng)幅值較小，增壓特性相對(duì)較好。

5 結(jié)論

(1)對(duì)一種新型的三柱塞式液壓增壓器進(jìn)行分析，確定了影響該型增壓器增壓性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù);

(2)通過多組關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)增壓器二次壓力特性的影響的仿真分析，獲得了增壓器比較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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