非對稱軸向柱塞泵的研究★

王 君， 王嬌君

（1.太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024；2.太原重機(jī)煤氣設(shè)備工程公司， 山西 太原 030024）

泵控容積直驅(qū)系統(tǒng)利用液壓泵直接提供系統(tǒng)所需的流量和壓力，不需要液壓閥的調(diào)節(jié)，具有節(jié)流損失小、噪聲低、效率高、油液使用量小且連接管路短等優(yōu)點(diǎn)，是提高液壓系統(tǒng)效率最直接有效的方法。根據(jù)執(zhí)行元件形式的不同，泵控容積直驅(qū)系統(tǒng)可分為泵控單出桿液壓缸系統(tǒng)和泵控雙出桿液壓缸系統(tǒng)兩種。與雙出桿液壓缸相比，單出桿液壓缸占用空間小且輸出力大，廣泛應(yīng)用于大型重載裝備中直線往復(fù)運(yùn)行的機(jī)構(gòu)。但是，如何補(bǔ)償單出桿液壓缸兩腔流量不平衡的問題長期制約了泵控單出桿液壓缸系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[1]，減緩了液壓系統(tǒng)向高效節(jié)能方向的發(fā)展速度，是目前液壓傳動領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)[2]。因此，本文提出將普通軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，把配流盤由原來的對稱雙窗口結(jié)構(gòu)改為非對稱三窗口的結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），根據(jù)單出桿液壓缸兩腔的面積比設(shè)計(jì)與之相匹配的配流盤結(jié)構(gòu)，平衡單出桿液壓缸兩腔面積差引起的流量差[3]，實(shí)現(xiàn)僅用1 臺泵直接控制單出桿液壓缸的目的，有效減小了因溢流損失帶來的效率降低問題。

圖1 非對稱軸向柱塞泵

1 非對稱軸向柱塞泵工作原理

如圖1 所示，將非對稱軸向柱塞泵的配流窗口A 與單出桿液壓缸的無桿腔相連，配流窗口B 與單出桿液壓缸的有桿腔相連，另外的配流窗口C 可以與油箱或者蓄能器相連。當(dāng)柱塞旋轉(zhuǎn)時，完成一次吸油，兩次排油（或者一次排油，兩次吸油），并且A、B窗口吸排油的流量比與單出桿液壓缸兩腔的面積比相等。當(dāng)匹配不同面積比的單出桿液壓缸時，改變配流窗口B 的配流面積（如圖2 所示）使配流窗口A與配流窗口B 的配流面積比與單出桿液壓缸的面積相匹配，就可以實(shí)現(xiàn)泵控單出桿液壓缸系統(tǒng)。同時，使用非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸可以使單出桿液壓缸平穩(wěn)換向，而且多余油液得到有效利用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

圖2 與不同液壓缸匹配時的配流盤結(jié)構(gòu)

2 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)普通軸向柱塞泵的分析方法，分析非對稱軸向柱塞的排量，從而研究非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸的壓力流量特性。

第i個柱塞的位移和速度為：

式中：r為柱塞運(yùn)動軌跡的半徑；φ 為柱塞的圓心角；β 為斜盤傾角；ω為柱塞的角速度；α 為兩個柱塞間的夾角，N為柱塞數(shù)量。

第i個柱塞的柱塞腔容積：

式中：V0為柱塞腔的最大容積，Ap為柱塞的柱塞面積。

則第i個柱塞旋轉(zhuǎn)一周的配油量為：

所以，泵的排量為：

式中，m為位于排油窗口的柱塞數(shù)量。

3 仿真分析

利用AMESim 仿真軟件對非對稱軸向柱塞泵進(jìn)行仿真，所建模型如圖3 所示。

參數(shù)設(shè)置如表1。

圖3 仿真模型

表1 主要參數(shù)

圖4 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4 所示，圖4-2 為普通軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，在液壓缸換向時，可見壓力脈沖較大，達(dá)到7 MPa，而圖4-1 所示為非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，在液壓缸換向時，壓力平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，并無明顯壓力沖擊。

4 結(jié)語

本文所提出的非對稱軸向柱塞泵具有三個配流窗口，是一種非對稱結(jié)構(gòu)，利用非對稱結(jié)構(gòu)的泵控制非對稱的液壓缸。根據(jù)仿真結(jié)果可以明顯看出，使用非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，可以明顯減小液壓缸換向時的壓力沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文所研究內(nèi)容為泵控容積直驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，為液壓系統(tǒng)的節(jié)能提供了新的解決思路。