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    高水基液壓馬達(dá)配流機構(gòu)的研究

    2023-11-24 01:39:52于鳴泉趙繼云滿家祥郜青文
    關(guān)鍵詞:配流通流排液

    于鳴泉 趙繼云? 滿家祥 郜青文

    (1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221110;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山機電設(shè)備江蘇省重點實驗室,江蘇 徐州 221116;3.徐州工程學(xué)院 機電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221110)

    伴隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出,人們愈加關(guān)注環(huán)保和安全問題,液壓油的泄漏污染及火災(zāi)危險使得水介質(zhì)受到更多的重視[1]。環(huán)保型的高水基、純水介質(zhì)可應(yīng)用于礦井、食品加工、深水施工等特殊工況,已成為現(xiàn)代液壓傳動的研究熱點[2]。液壓馬達(dá)廣泛應(yīng)用在工程機械、礦山機械等領(lǐng)域,而現(xiàn)有高水基液壓馬達(dá)所采用的盤、軸配流機構(gòu)及其密封技術(shù)等均難以適用于高水基介質(zhì)工況。

    配流機構(gòu)是液壓馬達(dá)連續(xù)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵,也成為了高水基液壓馬達(dá)應(yīng)用而迫切需要解決的技術(shù)難題。目前高水基液壓馬達(dá)的配流方式原理上沿用傳統(tǒng)油馬達(dá)配流方式:軸配流和端面配流。學(xué)者們針對水介質(zhì)的工作特點,僅對傳統(tǒng)配流機構(gòu)做出改進(jìn)研究[3-4]。王震等[5]提出了流量、壓力脈動更加平緩的U 型槽結(jié)構(gòu)配流盤;侯亮等[6]研究了帶表面紋理的配流盤表面,發(fā)現(xiàn)紋理起到輔助支撐的作用,可提高配流盤表面高油膜承載能力。對于端面配流的泄漏問題,申文強等[7]提出雙配流盤和梭閥疊加的結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)不僅沒有減少摩擦副,而且增加了梭閥使馬達(dá)機構(gòu)更加復(fù)雜。鄧海順等[8]對配流盤進(jìn)行表面織構(gòu)處理,可改善配流副的受力狀態(tài)。毋少峰[9]將配流盤表面處理成仿生非光滑表面,可減小摩擦副的正壓力。無論是配流機構(gòu)優(yōu)化還是材料選型,在高水基介質(zhì)工況下,都不可避免配流副的泄露問題,從而導(dǎo)致液壓馬達(dá)容積效率低。

    除了軸配流和端面配流兩種配流方式外,閥配流由于其優(yōu)異的密封性能引起了學(xué)者們的關(guān)注[10-13]。閥配流的優(yōu)點在于減少了一對摩擦副,且密封效果好,在高壓的工況下也能保證高容積效率,但應(yīng)用于馬達(dá)的閥配流機構(gòu)并沒有成熟技術(shù)方案。李林[14]提出采用液控單向閥控制柱塞的配流機構(gòu),但并未取消配流盤,控制滑閥和端面配流處均是泄漏點,不適用于水介質(zhì)傳動。泮健等[15]提出高速電磁開關(guān)閥組實現(xiàn)液壓馬達(dá)的配流與調(diào)速。邱冰靜[16]將自平衡式閥配流機構(gòu)應(yīng)用于低速大扭矩高水基液壓馬達(dá);周輝[17]研究了自平衡式配流閥的最優(yōu)參數(shù),但文獻(xiàn)[16-17]都沒有制備樣機,也沒有通過實驗進(jìn)行驗證。

    以上結(jié)構(gòu)都存在單柱塞需要配備兩個單向閥的問題,這不僅導(dǎo)致液壓馬達(dá)的體積較大、功重比低,而且兩個配流閥之間需要準(zhǔn)確配合,否則會出現(xiàn)困液和竄液現(xiàn)象。因此,有必要研發(fā)一種配流閥將馬達(dá)進(jìn)液和排液的功能實現(xiàn)集成,從而既能減小馬達(dá)體積,又能解決馬達(dá)困液問題,并能簡化結(jié)構(gòu)。

    1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作原理

    1.1 配流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

    閥配流多應(yīng)用于泵中,在馬達(dá)中并不多見。原因如圖1所示:泵吸液時,柱塞腔內(nèi)壓力驟降,甚至產(chǎn)生負(fù)壓,使排液閥關(guān)閉,吸液閥打開,泵完成吸液;泵排液時,柱塞腔液體壓縮導(dǎo)致壓力升高,大于吸液閥壓力后,吸液單向閥關(guān)閉,壓力繼續(xù)升高,排液單向閥打開,泵完成排液。馬達(dá)與泵最大的不同是,泵的柱塞由電機帶動,而馬達(dá)的柱塞需要液壓力推動。在閥配流馬達(dá)原理中,無論柱塞處于排液還是吸液行程,吸液閥連通高壓,直接打開,高壓通過柱塞進(jìn)入排液閥,排液閥也被打開,兩閥之間產(chǎn)生竄液,這會導(dǎo)致柱塞內(nèi)無法形成壓力、產(chǎn)生扭矩。

    圖1 泵和馬達(dá)的閥配流原理Fig.1 Valve distribution principles of pump and motor

    為實現(xiàn)馬達(dá)配流,需要設(shè)計一種新型配流閥。依據(jù)閥芯類型,液壓閥大致分為球閥、錐閥、滑閥、板閥。水介質(zhì)工況下,球閥和錐閥的密封性能優(yōu)于滑閥,但是從閥芯穩(wěn)定性方面來看,滑閥的穩(wěn)定性更好,沖擊更小。

    本文設(shè)計了一種閥芯為錐滑閥結(jié)構(gòu)的配流閥,將錐閥的密封性和滑閥的穩(wěn)定性相結(jié)合。此閥屬于常開型閥,閥常開時如圖2(a)所示,高壓液體從進(jìn)液流道P 進(jìn)入柱塞腔流道A,柱塞工作推動馬達(dá)工作;頂桿底部安裝有軸承,軸承與配流凸輪接觸。凸輪轉(zhuǎn)動到達(dá)推程后,頂桿向上運動,如圖2(b)所示,液體從柱塞腔流道A 進(jìn)入回液流道T,柱塞腔回液。

    圖2 配流閥的結(jié)構(gòu)和原理Fig.2 Structure and principle of port valve

    此閥還具備3 個優(yōu)點:①采用了浮動式上閥座,上閥座采用彈簧壓緊的浮動式固定,用以過渡機械卡死,當(dāng)頂桿上升固定距離時,由于加工或裝配誤差導(dǎo)致閥芯行程不足,并不能保證上閥座關(guān)閉,故需要對閥芯的行程增加余量;②閥芯的導(dǎo)向桿穿過上閥座,可減少面積差,從而減小閥芯的啟動力,增加閥的響應(yīng)速度;③配流閥芯為錐滑閥結(jié)構(gòu),其替代雙單向閥作用,閥密封性好,容積效率高;結(jié)構(gòu)緊湊,可提高馬達(dá)功重比;單閥控制單柱塞進(jìn)回液,可避免出現(xiàn)困液現(xiàn)象。

    1.2 配流閥參數(shù)及運動學(xué)分析

    如圖3 所示,以曲軸連桿徑向柱塞馬達(dá)為例,配流閥頂桿被壓緊在配流凸輪上,此時配流閥3、4處于進(jìn)液功能位置,柱塞Ⅲ、Ⅳ進(jìn)液,產(chǎn)生扭矩,而配流閥1、2、5 處于回液功能位置,柱塞Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ排液,曲軸轉(zhuǎn)動帶動配流凸輪。頂桿壓緊在配液凸輪上,隨著配流凸輪轉(zhuǎn)動,頂桿上下運動,配流閥實現(xiàn)啟閉,從而控制柱塞進(jìn)回液。馬達(dá)工作時,依次由2 個或3 個柱塞工作,其他柱塞排液。如此循環(huán),從而實現(xiàn)馬達(dá)配流。

    圖3 馬達(dá)的閥配流原理Fig.3 Principle of motor with valve port

    閥的參數(shù)設(shè)計要參考馬達(dá)的設(shè)計,首先分析馬達(dá)的運動原理和配流特性。曲軸連桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周,每個柱塞往復(fù)運動一次,因為任何一個柱塞的運動規(guī)律都相同,故僅研究單柱塞的運動規(guī)律。圖4 為柱塞的運動學(xué)原理圖,曲軸旋轉(zhuǎn)中心為O、偏心輪旋轉(zhuǎn)中心為O'、連桿球頭中心為O″,O'繞O做旋轉(zhuǎn)運動,O″做直線往復(fù)運動,柱塞完成進(jìn)回液過程,屬于典型的曲軸連桿機構(gòu)。曲柄半徑為偏心距(e),曲軸轉(zhuǎn)角為αi,連桿長度為l+r。若以柱塞的上死點為起始點,αi為0°,此時球窩中心離曲軸旋轉(zhuǎn)中心的變動半徑最大為ρmax=r+l+e。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過αi時,變動半徑為ρ。

    圖4 柱塞運動簡圖Fig.4 Motion schematic diagram of plunger

    式中,馬達(dá)形狀參數(shù)K=e/(l+r),按牛頓二項式展開后為式(2),設(shè)計中馬達(dá)形狀參數(shù)K≤0.2,式(2)中第3 項后都為高階小量,忽略不計,故曲軸轉(zhuǎn)過αi時,柱塞位移為xi(見圖5),柱塞速度為vi,柱塞加速度為ai,馬達(dá)轉(zhuǎn)速為w。

    圖5 柱塞位移、速度、加速度曲線Fig.5 Displacement,velocity and acceleration curves of plunger

    由圖6可知,在π~2π之間,配流閥處在換向和進(jìn)液過程,柱塞進(jìn)液,產(chǎn)生扭矩;在2π~3π 之間,配流閥處在排液過程,柱塞排液,回到油箱。因此配流閥也需要在對應(yīng)的位置實現(xiàn)進(jìn)排液功能。配流閥控制柱塞的進(jìn)排液具備3個過程,分別是進(jìn)液過程、排液過程和換向過程,且閥芯位移為h。配流閥的進(jìn)液和排液時間應(yīng)盡量滿足柱塞的進(jìn)排液時間,而換向時間應(yīng)盡量短,所處的過渡區(qū)角度應(yīng)盡量小。但是過小的過渡區(qū)角度會導(dǎo)致過渡區(qū)曲線曲率較小,表現(xiàn)在配流凸輪上的現(xiàn)象是易產(chǎn)生應(yīng)力集中和失真。

    圖6 閥和柱塞配流的關(guān)系Fig.6 Distribution relationship between valve and plunger

    因此,設(shè)計參數(shù)選取如下:五柱塞曲軸連桿馬達(dá)轉(zhuǎn)速n為80 r/min;柱塞直徑d為40 mm;曲軸偏心距e為12 mm;額定壓力為16 MPa;最高壓力為21 MPa;馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周的單柱塞流量q為40 mL/s;根據(jù)配流閥的壓力流量公式,選用配流閥座直徑為8 mm、錐閥半錐角為45°、閥座接觸邊為0.5 mm倒角。

    2 配流閥的動態(tài)參數(shù)分析

    由于配流閥的特殊性,其配流凸輪與普通的雙單向閥配流凸輪不同。雙單向閥的配流凸輪為偏心輪,與曲軸類似,而配流閥不采用偏心凸輪,僅使用同心凸輪實現(xiàn)閥的換向;且配流閥作為二位三通閥,在換向過程中存在短暫竄液問題。在配流閥的滑閥口處可設(shè)計通流孔,形成可變阻尼,從而緩解短暫竄液問題。所以需要研究配流凸輪和柱塞之間運動規(guī)律的配合參數(shù),進(jìn)而研究閥芯參數(shù)對配流閥整體的動態(tài)響應(yīng)和流量壓力特性的影響,驗證配流閥在低速、高壓、高水基工況(入口壓力21 MPa,轉(zhuǎn)速80 r/min)下的工作可行性,以及配流閥參數(shù)設(shè)計的合理性。

    2.1 配流閥芯位移函數(shù)分析

    首先建立單柱塞配流模型,如圖7所示,并研究閥芯位移函數(shù),即凸輪推程、回程函數(shù)。由于凸輪推程和回程函數(shù)選用一致,故僅研究推程函數(shù)。閥芯位移函數(shù)采用分段函數(shù)控制。以過渡區(qū)角度φ=π/18為例,分別對比了線性等加速度、正弦加速度、余弦加速度函數(shù)控制的位移曲線。

    圖7 單柱塞配流模型Fig.7 Single plunger flow distribution model

    正弦加速度函數(shù):

    余弦加速度函數(shù):

    如圖8(c)和8(d)所示,在相同的幅角分配下(10°過渡區(qū)),正弦函數(shù)壓力波動為0.9 MPa,波動時間為0.005 s,余弦函數(shù)壓力波動為1.2 MPa,波動時間為0.006 s,線性函數(shù)壓力波動為2.1 MPa,波動時間為0.009 s。由此可知正弦函數(shù)控制的閥芯具有最小的壓力波動幅值和波動時間,故配流閥芯控制模型選用正弦加速度函數(shù)。

    圖8 不同位移函數(shù)下的壓力波動圖Fig.8 Pressure fluctuation under different displacement functions

    2.2 配流閥芯通流孔參數(shù)分析

    由于二位三通閥的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其換向過程中存在竄液問題,故對閥芯上滑閥結(jié)構(gòu)處的通流孔進(jìn)行仿真分析。分別對小孔直徑0.50~1.50 mm 的參數(shù)進(jìn)行對比,小孔數(shù)量為5個。由圖9(a)和9(b)可知,通流孔直徑1.50 mm 的壓力波動率為90.00%,1.00、0.80、0.60、0.55、0.50 mm 的壓力波動率分別為58.57%、30.00%、9.52%、6.67%、4.29%。

    圖9 不同面積通流孔的壓力、流量波動圖Fig.9 Pressure and flow fluctuation diagram of through flow orifices with different areas

    圖9(c)和9(d)則為柱塞腔壓力波動圖,可知通流孔面積對柱塞腔的壓力趨勢基本一致,但是由于在閥入口處出現(xiàn)的壓力降低,導(dǎo)致柱塞腔出現(xiàn)建壓滯后現(xiàn)象,通流孔直徑越小,閥入口處壓降越小,柱塞腔建壓更快且更穩(wěn)定。直徑1.50 mm比0.50 mm的建壓過程慢了0.011 s,由此可見通流孔直徑越小,閥口的壓力波動越小,且建壓過程快而穩(wěn)定。

    由上述可見減小孔徑能夠改善壓力波動和響應(yīng)速度,按照這種單調(diào)性向好的趨勢,極限情況下,通流孔直徑應(yīng)該為0 mm,但是反觀不同面積通流孔的流量波動(見圖9(e)和9(f)),在閥芯換向過程中,出現(xiàn)了流量激增現(xiàn)象。隨著孔徑的減小,流量激增現(xiàn)象明顯,這是由于此時上下腔連通,下腔與大氣連通,這也是閥入口壓降出現(xiàn)的原因。故在同時考慮響應(yīng)速度、壓力波動、流量波動的因素下,最終選擇0.60 mm的通流孔直徑。

    2.3 配流凸輪的幅角分配與整機參數(shù)分析

    最后對幅角分配的問題進(jìn)行研究,理論上幅角越小壓力波動越小,故結(jié)合凸輪設(shè)計理論,為防止凸輪機構(gòu)的失真現(xiàn)象,需增大基圓半徑或過渡區(qū)角度。在保證不失真和較小幅角的綜合考慮下,最終選擇凸輪基圓直徑為150 mm、推程和回程角度為10°的凸輪機構(gòu)。

    機構(gòu)參數(shù)確定后,凸輪機構(gòu)上推程和回程角與曲軸的轉(zhuǎn)角間配合,會影響馬達(dá)的扭矩波動,以柱塞上死點為起始零點,對凸輪的不同推程和回程幅角參數(shù)下的扭矩波動進(jìn)行對比,如表1 所示。曲線1控制的配流閥在柱塞進(jìn)液開始前時處于常開狀態(tài),使柱塞腔和進(jìn)液流道連通;在柱塞排液開始前,上閥芯關(guān)閉,使柱塞腔和排液流道連通;曲線2控制的配流閥在柱塞進(jìn)液時處于換向過程,在柱塞排液時仍處于換向過程;如圖10(a)和10(c)所示,兩條曲線控制的單柱塞扭矩波動為零,但是曲線1在進(jìn)排液過渡區(qū)間出現(xiàn)扭矩突變,而曲線2則是平滑過渡。如圖10(c)所示,將5個柱塞連接,柱塞間相位角為72°,用來仿真馬達(dá)整機,整機最大扭矩為514 N·m,最小扭矩為476 N·m,扭矩波動率為7.39%,與常規(guī)五柱塞曲軸連桿馬達(dá)的理論計算值7%基本一致。

    表1 凸輪曲線幅角分配參數(shù)Table 1 Cam curve argument allocation parameters(°)

    圖10 單柱塞和整機扭矩波動圖Fig.10 Torque fluctuation diagram of single plunger and complete machine

    3 配流閥內(nèi)部流場分析

    閥芯運動速度、通流面積、進(jìn)排液量都會隨著曲軸轉(zhuǎn)角的改變而變化,配流閥內(nèi)部流場也比較復(fù)雜,需研究配流閥不同結(jié)構(gòu)、不同閥芯開口下的流動特性與流場分布及其規(guī)律,優(yōu)化配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)。

    3.1 配流閥建模及參數(shù)設(shè)置

    仿真使用了湍流、兩相流、空化模型,主相為水,第2 相為水蒸氣。研究配流閥的3 個過程分別是進(jìn)液過程(0 mm)、換向過程(0.5~2.5 mm)和排液過程(3 mm),邊界條件如表2所示。其中邊界參數(shù)通過上文AMESim 仿真模型選取,在配流閥的進(jìn)排液過程中,流速是非線性函數(shù),故選取最大流速進(jìn)行仿真。

    表2 邊界條件參數(shù)Table 2 Boundary condition parameters

    3.2 仿真結(jié)果優(yōu)化分析

    上文確定了閥芯通流孔直徑,但通流孔位置對閥芯內(nèi)部流場也產(chǎn)生影響,故設(shè)計兩種閥芯結(jié)構(gòu),分別為通孔和豁槽。首先對比兩種不同閥芯結(jié)構(gòu)的壓力及速度云圖,由頂桿向上運動0.5 mm 的壓力云圖(見圖11(b)和11(c))可知,二者壓力并無明顯差異,通孔結(jié)構(gòu)最大壓降為0.459 MPa,而豁槽結(jié)構(gòu)最大壓降為0.226 MPa,此工況下豁槽結(jié)構(gòu)比通孔結(jié)構(gòu)的最大流速低6.789 m/s;圖11(f)和11(g)是頂桿向上運動2.5 mm 的速度云圖,可知豁槽結(jié)構(gòu)比通孔結(jié)構(gòu)的最大流速低2.219 m/s,且從兩種結(jié)構(gòu)的速度云圖中可以發(fā)現(xiàn),通孔結(jié)構(gòu)的速度分布更加紊亂。因此,在通流面積相同、壓降基本相同的情況下,應(yīng)選擇速度較小且分布更加均勻的豁槽型閥芯結(jié)構(gòu)。

    圖11 兩種閥芯結(jié)構(gòu)的壓力及速度云圖Fig.11 Pressure and velocity cloud map of two valve core structures

    由于在頂桿運動至3 mm 處閥上閥腔關(guān)閉,此時柱塞排液,閥內(nèi)部流場壓力和流速較低,故僅研究閥常開狀態(tài)下的壓力云圖,如圖12(a)所示,常開狀態(tài)下閥的最大壓降為0.148 MPa,與圖11(c)中壓降基本一致,可知閥在配流過程中壓降較小。而由圖12(c)-12(f)的速度云圖可知,在閥換向開啟過程(0~3 mm)中,最大速度先增加后減小,并在開啟高度1.5 mm處出現(xiàn)速度最大值38.2 m/s。由于此時為配流閥的換向中間點,閥的上下腔連通后導(dǎo)致的閥入口處的壓降最大,故此時閥出口出現(xiàn)最大速度。而由于整個運動過程中閥芯內(nèi)部流場的壓降較小,所以并未出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。

    圖12 豁槽閥芯結(jié)構(gòu)的壓力及速度云圖Fig.12 Pressure and velocity cloud map of grooved valve core structure

    4 配流閥實驗研究

    本文在上述研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了樣機的研制,并進(jìn)行實驗驗證,閥樣機及試驗臺見圖13。分別進(jìn)行了轉(zhuǎn)速為20、50、80 r/min,進(jìn)口壓力為5、8、10、16 MPa 的實驗。由于單個柱塞并不能使曲軸轉(zhuǎn)動,因此采用的是電機驅(qū)動配流凸輪旋轉(zhuǎn)、控制閥桿實現(xiàn)配流的實驗,所以實驗中測量單個柱塞產(chǎn)生的扭矩波動并無意義,故在實驗中對配流過程中的壓力波動和泄漏量進(jìn)行評估。

    圖13 閥樣機及試驗臺Fig.13 Valve prototype and experimental device

    圖14為入口壓力為8 MPa、不同轉(zhuǎn)速下的配流閥入口和柱塞腔壓力波動曲線,由圖可知20、50、80 r/min下的壓力波動分別為10.5%、10.2%、9.9%。3種工況下的壓力波動存在小幅變化,但是相差值較小。這是因為配流閥的開啟依靠機械式開啟,而關(guān)閉依靠液壓力,在壓力不變的情況下,閥芯的關(guān)閉性能不變,故隨著轉(zhuǎn)速降低,配流閥啟閉性能足以滿足低速性能。所以相較于轉(zhuǎn)速和壓力這兩個影響因素而言,轉(zhuǎn)速對于閥的啟閉性能影響較小。

    圖14 不同轉(zhuǎn)速下配流閥和柱塞腔的壓力波動Fig.14 Pressure fluctuation of valve and plunger under different speeds

    圖15 分別為相同轉(zhuǎn)速(80 r/min)、不同入口壓力下的入口和柱塞腔壓力波動曲線。從圖中可以得出5、8、10 MPa 下的壓力波動率分別為9.6%、9.9%、13.7%??芍S著入口壓力的增加,閥入口處壓力波動呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為隨著入口壓力的升高,閥芯換向過程中產(chǎn)生的液壓力增大,對閥芯的沖擊振蕩更明顯。從入口的壓降也可以看出,隨著入口壓力的升高,在閥芯換向處產(chǎn)生的壓降也增大。但10 MPa 后出現(xiàn)頂桿底部軸承斷裂問題,這是由于頂桿受到的液壓力較大,且在凸輪升程和回程處承受沖擊。所以采取更換配流凸輪材質(zhì)的方案來減小配流過程帶來的沖擊,從而提高配流機構(gòu)的壽命。之前實驗中配流閥采用的是金屬凸輪(42CrMo),將其更換為PEEK 凸輪,使之前的硬對硬更換為硬對軟,將沖擊盡可能地緩沖。實驗證明沖擊確實減小了,實驗壓力也加載到16 MPa 的額定壓力;柱塞腔壓力波動也減小了,5、8、10、16 MPa 下的壓力波動率分別為7.2%、7.6%、8.3%、12.5%。通過金屬和PEEK 的凸輪比較可以發(fā)現(xiàn),金屬凸輪的閥入口壓降明顯高于PEEK 材質(zhì)凸輪,這是因為沖擊得到了緩沖,閥腔內(nèi)壓力得以更快建立。而前文仿真結(jié)果中21 MPa 的波動率為7.39%,與實驗結(jié)果存在一定差距,但是由于閥芯加工、裝配問題和信號采集中壓力傳感器的波動問題,會出現(xiàn)壓力波動率的上升。觀察圖14 和圖9(c)、9(d),閥入口和柱塞腔壓力波動的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢一致,由此可知實驗結(jié)果和仿真結(jié)果可相互對比驗證。

    圖15 不同壓力下配流閥和柱塞腔的壓力波動Fig.15 Pressure fluctuation of valve and plunger under different pressures

    最后進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速和壓力下的配流閥配流密封性能實驗,結(jié)果如圖16所示??梢钥闯鲈谧罡咿D(zhuǎn)速和壓力下配流閥的泄漏量最小,僅為2滴/min,容積效率極高。這是因為隨著轉(zhuǎn)速和壓力的增加,閥桿處的密封圈隨著高壓和高速被壓縮,密封性更好。上述流量分布和泄漏實驗表明,在高水基介質(zhì)下,這種配流機構(gòu)可以滿足馬達(dá)在不同壓力(5~16 MPa)和轉(zhuǎn)速(20~80 r/min)下的配流需求,且容積效率較高。

    圖16 不同工況下閥的泄漏量Fig.16 Leakage of valve under different working conditions

    5 結(jié)論

    (1)本文創(chuàng)新性地提出一種新型的常開型錐滑閥,其具有錐閥的密封性和滑閥的穩(wěn)定性;解釋了其配流原理,并將其運用于高水基馬達(dá)配流后,既能夠代替原有馬達(dá)雙單向閥配流的功能,又可簡化馬達(dá)結(jié)構(gòu)。

    (2)使用AMESim 分析后,得出正弦加速度函數(shù)控制的位移函數(shù)的壓力波動幅值和時間最小,結(jié)合壓力和流量波動,確定閥芯結(jié)構(gòu)最佳通流孔直徑為0.6 mm。最后仿真得出馬達(dá)整機的扭矩波動為7.39%,與理論結(jié)果基本一致。

    (3)流場研究發(fā)現(xiàn)豁槽結(jié)構(gòu)下,閥芯內(nèi)部壓降更小,速度分布更加均勻;在閥芯的不同開度下,閥芯內(nèi)部速度呈現(xiàn)先增后減的趨勢,并在閥芯位移1.5 mm處出現(xiàn)最大值。

    (4)實驗結(jié)果表明,16 MPa 工況下的壓力波動率為12.5%,配流閥配流性能良好,并未出現(xiàn)困液現(xiàn)象,且高壓低速下配流機構(gòu)的最小泄漏量僅為2滴/min,容積效率高,可用于馬達(dá)配流。

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