双作用变量叶片泵的数字化研究

李超 LI Chao；雷秀 LEI Xiu

（内蒙古工业大学，呼和浩特010000）

0 引言

随着我国工业现代化建设的快速发展，能源短缺日益严重，合理的利用能源变得更加重要。在流体传动及控制技术领域，节能技术同样必不可少。开展流体传动节能技术的研究不仅可从现有液压设备的节能技术改造中获得巨大经济效益，而且也是我国在先进制造业上赶超国际先进水平的需要[1]。在工业生产中变量泵是实现液压系统高效、节能的基础，因此研发性能优良的变量泵是流体传动节能技术研究的重要课题之一。

目前液压系统中的液压泵主要有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、螺杆泵等，其中的叶片泵是广泛被使用的一种液压泵。叶片泵按其结构来分有单作用式叶片泵和双作用式叶片泵。单作用式叶片泵主要用作变量泵，由于单作用叶片泵转子、主轴和轴承所承受的径向力较大，影响了泵的使用寿命和压力的提高。而双作用叶片泵的突出优点在于径向作用力平衡，但是由于结构上很难实现排量的变化，使用上也受到了限制[2]。因此，若能开发出可实现变量的双作用叶片泵，就可以将这两种泵的优点结合起来，既能克服径向不平衡力的缺点，又能实现排量的变化。针对这一技术问题，国内外很多学者都在进行研究探讨，研究的核心就是双作用叶片泵如何实现变量。目前比较成熟的变量方法是通过驱动泵的定子圈偏转，改变泵的定子和配油盘的位置关系，来实现排量的变化。

本文所要介绍的数字式双作用变量叶片泵是在这种变量方法的基础上，提出了以步进电机作为机电转换装置，以单片机作为控制器的数字式双作用变量泵。这样不但解决了双作用叶片泵的变量问题，同时实现了泵的数字化调节与控制，对于合理利用能源，提高液压传动工作效率具有重要的意义。

1 双作用变量叶片泵的工作原理

图1（a）、（b）分别是泵全排量时定子圈的位置和零排量时定子圈的位置示意图。通过转动定子圈，使其与配油盘之间的相对位置关系发生改变，也就是在需要泵输出流量时，调节定子使其过度曲线对应于配油盘吸、压油窗。而在不需要输出流量时，使定子的长半径和短半径圆弧段与配油盘的吸、压油窗相对应。因为这时工作容积不变，所以不吸、压油，即为零排量输出[4]。

图1 双作用变量叶片泵的工作原理图

但是，在定子圈偏转的时候，势必会产生比较大困油现象，影响泵的正常工作。为了解决这一问题，我们将定子圈做成两片叠加起来使用，同时把叶片等分成两个，并排地插在转子叶片槽中。当一个定子环长半径圆弧与吸油窗相对时，使另一个定子长半径圆弧与压油窗相对。因此当每个工作空间在经过定子过度曲线段时，正好在一个定子圈内是由大到小变化，而在另一个定子圈内是由小到大的变化。这样，由大到小的压缩容积就被另一个由小到大的容积所吸收，总容积并没有变化。这时，泵将零排量输出。如图2所示。

图2 定量泵设计成变量泵时消除困油的方法，图为零排量

当需要从零排量到全排量变化时，必须同时使两定子圈反向偏转。使yy1y2重合，xx1x2重合，如图3所示。这时两片定子圈的过度曲线段都正好与吸、压油窗相对，泵将全排量输出。

图3 全排量时的情况

综上所述，调整定子圈y1-x1，y2-x2与配油盘y-x的偏转角度α便可以调整其输出流量的大小。其中αmax=π/4，0≤α≤π/4，（度）。这样双作用变量叶片泵的理论流量公式就可以写成

式中：qtp为变量叶片泵的理论流量(m3/s)；B=b1+b2,b1,b2为单个叶片宽度(m)；R为定子内圆弧大半径(m)；r为定子内圆弧小半径(m)；δ为叶片厚度(m)；z为叶片数；θ为叶片倾角(°)；n 为转子转速(r/s)；α 为定子圈偏转角,αmax=π/4，0≤α≤π/4(°)。

2 变量机构控制方法

如何实现定子圈的偏转是双作用变量叶片泵最关键的问题。从全排量变到零排量或从零排量变到全排量时，要求两定子的偏转角同时作反向变化。驱动定子圈同时反向变化的机构即为变量机构[4]。本文采用51单片机作为数字化控制器，步进电机作为动力源，螺母丝杠作为传动副，数字阀控缸驱动齿条式柱塞与定子外圆柱面上加工出的齿相互啮合的方式进行工作。如图4为驱动一片定子圈偏转的变量机构工作原理图。

图4 变量机构工作原理图

阀芯通过一个螺母丝杠副和步进电机相连，阀芯插入到活塞上端部配合的阀套中。并在活塞上开了三个阀口。a口和压力腔A相连，压力腔A在底部和排油口相连通。通过b口把控制腔和活塞内腔连在一起。c口与回油腔相连。当需要变量时，根据泵输出流量的要求，通过事先编辑好的程序，单片机发出相应的脉冲信号，经功率放大器放大后驱动步进电机，步进电机以相应的频率和转向转过一定的角位移θ，从而带动螺母转动并由丝杠提动伺服阀芯作向上或向下的运动，产生位移xv，使伺服阀口开启，这时泵靠自身油液驱动变量柱塞随阀芯的位移而运动，产生位移xp，进而驱动一片定子圈偏转角度α。另一片定子圈和变量机构原理相同。所以，通过这两个变量机构就可以使两片定子圈同时反向偏转，使泵实现全排量—零排量—全排量的变化，达到变量的需求。变量机构的控制框图如图5所示。

图5 变量机构控制框图

3 变量机构数学模型分析

3.1 变量机构基本方程

式中：xv为阀芯的位移量(m)；β 为步进电机步距角(°)；t为螺距(m)；j为螺纹头数；Ni为单片机发出的脉冲数。

②变量柱塞的位移量

齿条柱塞与外圆加工齿的定子是齿轮齿条啮合，所以变量柱塞的位移量与定子偏转的角度的关系为

式中：xp为变量柱塞位移量(m)；α 为定子圈偏转角(°)；Df为定子圈与变量柱塞组成齿轮齿条啮合分度圆直径(m)。

3.2 泵静态调节流量公式

由于伺服阀和变量缸是随动关系，因此，xv=xp，即

这样，将（5）式带入（1）中，有

其中Kq和Kβ分别为流量系数和调节系数。

式(6)即为数字化双作用变量叶片泵的静态调节流量公式。由（7）、（8）可知该式中，Kq和 Kβ均为常数。

3.3 变量机构参数化分析

本文是以YB1-25型叶片泵作为研究基础，结合该泵的部分结构参数，设计定子内圆弧大半径长度R为32.5mm，定子内圆弧小半径r为28.5mm，定子分度圆直径Df为 75.5mm，叶片宽度 B为 20mm，叶片厚度 δ为1.8mm，叶片倾角θ为13°，叶片数z为12。泵的转子转速n为1000r/min。本文采用了歩距角为1.5°的36BF003型步进电机；采用d=20mm，t=4mm，j=1的丝杠螺母副。根据泵的结构参数，设计变量柱塞由全排量到零排量行程为xp=29.6mm。这样全行程29.6mm所需要的脉冲数Ni=360°xp/βtj=1776个。据此，我们可以计算得到当定子偏转一定角度时，单片机需要发送的脉冲个数。如表1所示为定子偏转角以5度为间隔时，对应的单片机需要发送的脉冲数以及此时泵的理论流量。

表1 理论计算

由此，可以绘制此变量泵由全排量到零排量静态调节qtp-Ni特性图，如图6所示。

图6 理论计算qtp-Ni特性图

由此图可以看出，泵流量qtp的变化只取决于单片机发出的脉冲数Ni。因此，我们可以编写相应的单片机程序，来控制发送脉冲的个数，从而使泵的排量发生改变。

4 结论

本文针对双作用叶片泵实现变量的理论做了简单了陈述，在此基础上针对双作用叶片泵实现变量又做了数字化的改进。通过对泵变量机构数学模型的分析，得到了泵静态调节流量公式，绘制出qtp-Ni特性图，并对变量机构进行了参数化析。由此得出，通过控制信号输出量的变化就可以使泵排量发生相应的改变。因此基于单片机控制，步进电机驱动的数字式双作用变量泵是成立的。但是必须要进行参数优化以及动态实验研究，使其得到进一步的改善。

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