具葉片特征的徑向異形柱塞泵設(shè)計(jì)及流量研究

周鵬, 孟利民, 俞向明

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來(lái)，液壓傳動(dòng)在工程機(jī)械、鍛壓機(jī)械、礦山機(jī)械等一系列工程實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，常見(jiàn)的有葉片泵與柱塞泵[1]。但由于葉片泵受葉片厚度與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，常常伴隨著泄漏與流量脈動(dòng)的存在[2]，同時(shí)徑向柱塞泵的配油軸由于存在脈動(dòng)徑向力，對(duì)此研究出了“平衡液壓力”的設(shè)計(jì)，但仍然無(wú)法使配流軸所受的徑向力完全平衡[3]。受徑向不平衡液壓力的影響,配流軸更加易于磨損,而且影響其壽命。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的組合泵，將柱塞泵設(shè)計(jì)成雙作用徑向柱塞泵[4]并與雙作用葉片泵相組合起來(lái)，并進(jìn)行仿真模擬，觀察其脈動(dòng)特性。

1 新型復(fù)合泵的結(jié)構(gòu)與工作原理

新型組合泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，左配油盤(pán)與轉(zhuǎn)子通過(guò)連桿隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子上葉片在離心力的作用下不斷向外伸出，使得葉片與定子內(nèi)表面組成的密封容腔不斷增大，使油液進(jìn)入，與此同時(shí)葉片底部與轉(zhuǎn)子之間形成密封腔也在增大，油液從配油軸吸油通道吸入，通過(guò)襯套進(jìn)入密封腔，完成整個(gè)組合泵的吸油過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片不斷向內(nèi)收縮，葉片與定子內(nèi)表面形成的密封腔不斷縮小，從而排出高壓油，葉片的收縮也使得葉片底部與轉(zhuǎn)子之間的密封腔減小，油液通過(guò)襯套向配油軸的排油通道流出，整個(gè)裝置完成排油過(guò)程。每個(gè)葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程里都是這樣的一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，組合泵就會(huì)進(jìn)行2次吸油和排油，由于葉片泵與徑向柱塞泵的出口流道路徑不同，所以組合泵出口處的流量不是兩泵流量的簡(jiǎn)單相加，而是錯(cuò)位相加，這樣就可以實(shí)現(xiàn)相比較單獨(dú)雙作用葉片泵而言，不僅增加流量，也可以降低流量的脈動(dòng)性。

圖1 復(fù)合泵的結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真分析

2.1 雙作用葉片泵的模擬仿真

組合泵中單獨(dú)的雙作用葉片泵平均流量計(jì)算公式為

式中：B為葉片的寬度；R為定子內(nèi)曲線長(zhǎng)軸半徑；r為定子內(nèi)曲線短軸半徑；θ為每個(gè)葉片傾斜角度；Z為葉片數(shù)量；n為轉(zhuǎn)速；ηv為容積效率；δ為葉片厚度。

在本次模擬仿真中，設(shè)置葉片寬度為10 mm，定子內(nèi)曲線長(zhǎng)軸半徑為32.5 mm，定子內(nèi)曲線短軸半徑為28.5 mm，葉片傾角為0°，葉片數(shù)量為10片，轉(zhuǎn)速為1500 r/min，葉片厚度為3 mm，假定葉片泵的容積效率為1，計(jì)算出平均流量為Q葉=0.32327 L/s。

理論瞬時(shí)流量為處在排油區(qū)的各個(gè)工作腔的瞬時(shí)流量之和，也可以理解為在忽略泄漏的情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈過(guò)程中工作腔的幾何空間變化率減去由葉片本身厚度影響所造成耗油瞬時(shí)流量，具體的計(jì)算公式為

式中：ω為轉(zhuǎn)子的角速度；k為處于吸油工作腔的葉片數(shù)；ρ(θ)為定子某一點(diǎn)的矢徑；j為葉片序號(hào)；所采用的定子曲線為橢圓曲線。

在Matlab上編寫(xiě)該函數(shù)得到雙作用葉片泵的理論瞬時(shí)流量圖，并與實(shí)際流量圖相對(duì)比。用軟件SolidWorks建立出三維模型，導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行流體域的提取并劃分，以stl格式保存，最終導(dǎo)入Pumplinx進(jìn)行模擬。得到雙作用葉片泵出口流量圖如圖2所示。算得的平均流量再計(jì)入容積效率與模擬出的流量大致吻合，且模擬的實(shí)際瞬時(shí)流量圖與理論瞬時(shí)流量圖基本吻合，故模擬設(shè)置合理，結(jié)果正確。

圖2 雙作用葉片泵流量圖

2.2 徑向柱塞泵的模擬仿真

組合泵中單獨(dú)的雙作用徑向柱塞泵柱塞一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封腔容積變化量為

式中：S為柱塞面積；l為柱塞行程，一般為R-r。

排量計(jì)算公式為

平均流量計(jì)算公式為

本次設(shè)計(jì)中徑向柱塞泵的柱塞為葉片泵的葉片，代入相關(guān)數(shù)據(jù)算得當(dāng)容積效率為1時(shí)的平均流量為Q柱=0.06 L/s。

瞬時(shí)理論流量為吸油工作腔的每個(gè)柱塞的瞬時(shí)流量之和，可以用每個(gè)柱塞的瞬時(shí)速度之和乘以柱塞的面積算出，計(jì)算公式為

將計(jì)算公式同樣代入Matlab中，模擬出徑向柱塞泵的理論瞬時(shí)流量并與實(shí)際的瞬時(shí)流量相對(duì)比。單獨(dú)柱塞泵在Pumplinx 中模擬的實(shí)際流量結(jié)果如圖3所示。算得的平均流量再計(jì)入容積效率與模擬流量圖大致吻合，且計(jì)算出的理論瞬時(shí)流量圖與實(shí)際模擬出的流量圖基本吻合，故模擬準(zhǔn)確。

圖3 雙作用徑向柱塞泵流量圖

2.3 復(fù)合泵的模擬分析

將復(fù)合泵的流體域抽取出來(lái)，如圖4所示，葉片泵與柱塞泵共用同一個(gè)入口與出口，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)帶動(dòng)2個(gè)泵一起工作，轉(zhuǎn)速都為1500 r/min，設(shè)置相同的邊界條件，模擬得到復(fù)合泵流量如圖5所示。

圖4 組合泵流體域的建立與模擬

圖5 組合泵模擬流量圖

2.4 模擬仿真結(jié)果分析

因?yàn)閺?fù)合泵的主要流量是以雙作用葉片泵的流量為主，故將雙作用葉片泵模擬出的流量圖與復(fù)合泵的出口流量圖取出一部分做對(duì)比，如圖6所示。由圖6流量曲線圖可得出，與單獨(dú)的雙作用葉片泵相比，復(fù)合泵的出口處不僅流量增加了，脈動(dòng)性也相應(yīng)地變小。

圖6 兩泵流量對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文介紹一種具有葉片特征的徑向異形柱塞泵設(shè)計(jì)并對(duì)其流量進(jìn)行理論分析與仿真分析。復(fù)合泵的流量由雙作用葉片泵與徑向柱塞泵兩部分流量匯集耦合形成。模擬仿真的結(jié)果表明復(fù)合泵在流量提高的同時(shí)，其脈動(dòng)性能得到有效改善。但泵結(jié)構(gòu)參數(shù)還有待優(yōu)化從而進(jìn)一步提升復(fù)合泵的性能。