斜盘式轴向液压柱塞泵流量脉动特性分析

韩建磊，崔凯，杨国玺，杨斌，董梁，杨森，白书战

(1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061；2.林德液压(中国)有限公司，山东潍坊 261000)

0 引言

斜盘式轴向液压柱塞泵具有工作压力高、结构紧凑，在复杂环境中也可以保持较高容积效率等特点，广泛应用于低速大扭矩行走机械、矿山机械、机床机械等的液压系统中。柱塞泵在吸、压油过程中存在周期性的流量脉动，是造成震荡噪声和泄漏的重要因素之一，流量脉动对泵的性能产生直接影响。因此，有必要对轴向柱塞泵的液压系统进行仿真分析，确定流量脉动的影响因素，从而达到控制流量脉动的目的[1]。

a)轴向柱塞泵 b)配流盘 1—斜盘；2—柱塞；3—缸体；4—配流盘；5—传动轴；6—吸油口；7—压油口图1 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图

AMESim液压仿真软件可根据需要方便地建立、分析轴向柱塞泵的模型，可降低试验成本,缩短设计周期，对斜盘式轴向柱塞泵的设计与故障诊断提供技术支持[2-4]。

1 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理

斜盘式轴向柱塞泵的工作原理如图1所示。工作时，在传动轴的带动下，斜盘式轴向柱塞泵柱塞在缸体内做往复运动及旋转运动，柱塞腔内的容积不断变化，从而使柱塞腔内的压力不断变化，通过配流盘的配流完成柱塞泵的吸、排油过程。改变斜盘的倾角可改变柱塞泵的排量，改变斜盘的倾斜方向可改变柱塞泵的吸、排油方向[5-8]。

2 柱塞泵建模

1—电动机；2—负载；3—角度传感器；4—角速转换器； 5—活塞位移传感器；6—活塞腔；7—流量出口；8—流量进口； 9—缸体转角模型；10—斜盘倾角；11—饱和元件；12—信号源。 图2 单柱塞泵模型

2.1 单柱塞

图3 缸体转角模型一维插值表

利用AMESim中多种库的组合建立单柱塞泵模型，如图2所示。主要由4部分组成：配流盘模型、柱塞模型、将电机的旋转运动转化为柱塞的直线往复运动模型和控制柱塞运动规律的数学表达式模型[9-13]。配流盘模型包括吸油配流和排油配流模型；柱塞模型包括活塞位移传感器和带固定容积的活塞腔；将电机的旋转运动转化为柱塞的直线往复运动模型由角速转换器控制；控制柱塞运动规律的数学表达式模型的角度范围由信号源和饱和元件控制[14]。

为了模拟斜盘式轴向柱塞泵配流过程，根据三角槽过流面积公式总结出不同缸体转角对应的配流截面过流面积变化规律，将其绘制成曲线，如图3所示，将曲线导入图2中元件9即可模拟配流盘吸排油的变化趋势。两个节流阀的输入信号曲线相位相差180°。

图4 柱塞泵整体模型

2.2 整体模型

将单柱塞泵模型封装为超级元件SC_1，把多个超级元件连接在一起组成9个柱塞的柱塞泵整体模型，如图4所示[15]。通过调试参数可以得到柱塞数、斜盘倾角和转速与流量脉动的曲线关系图。

3 柱塞泵的仿真分析

对柱塞泵进行仿真分析的设置参数如表1所示。

3.1 不同柱塞数的流量脉动

改变多柱塞泵的柱塞数目，也就是改变超级元件的数目，从而得到柱塞数目和出口流量脉动的关系。通过对模型的反复调试，得到柱塞数为5～10的柱塞泵的流量脉动曲线如图5、6所示。

表1 柱塞泵主要参数

图5 奇数柱塞的柱塞泵的流量脉动幅度曲线

图6 偶数柱塞的柱塞泵的流量脉动幅度曲线

根据图5、6经计算可知，柱塞数为奇数5、7、9的流量脉动系数[3]115分别为4.11%、2.76%、1.41%；柱塞数为偶数6、8、10的流量脉动系数分别为15.65%、9.72%、2.05%。奇数柱塞数的流量脉动系数小于偶数柱塞数，和理论计算所得结论相符。柱塞数增多，柱塞泵流量脉动系数均逐渐减小，所以应该把柱塞数控制在9左右，可以使得流量脉动系数最小。

3.2 不同转速的流量脉动系数

改变多柱塞泵模型的参数，经过调试得到转速分别为500、1000、2000 r/min的流量脉动幅度曲线，如图7所示。不同阻尼孔直径和不同转速下的流量脉动系数如表2所示。

图7 不同转速下的流量脉动

表2 不同阻尼孔直径和不同转速下的流量脉动系数

由图7可以看出，随着转速增加柱塞出口的流量逐渐变大，而流量的脉动幅度逐渐减小，500 r/min时流量脉动系数为26.42%；1000 r/min时为8.27%；2000 r/min时为3.0%。所以，可以适当地增加转速以减小流量脉动系数。

图8 不同阻尼孔直径和 不同转速下的流量脉动系数曲线

图8是流量脉动系数随阻尼孔直径和转速变化的趋势曲线，同样可看出流量的脉动幅度随转速的增加而逐渐减小。在同一转速下，流量脉动系数也随出口阻尼孔直径的增大而逐渐变大。因此，若将流量脉动幅度控制在一定范围内，需要合理控制出口阻尼孔直径。

3.3 不同斜盘倾角下的流量脉动

分别取斜盘倾角为15°、20°、25°、35°和45°进行调试，得出斜盘倾角与流量脉动的关系如图9所示。

图9 斜盘倾角和流量脉动的关系曲线图

由图9可以得出斜盘倾角为15°、20°、25°、35°和45°时的流量脉动系数分别为2.6%、2.63%、2.68%、3.4%、5.65%，随着斜盘倾角的增大，柱塞泵输出流量增加，流量脉动系数也相应增加。这是因为在柱塞泵工作中，柱塞泵的压力和振荡次数随着斜盘倾角的增加而变大，响应速度减慢。通过分析可知，可以适当减小斜盘倾角来减小流量脉动系数，一般取柱塞泵斜盘倾角为20°左右。

4 结论

1)斜盘式轴向液压柱塞泵的柱塞数为偶数时流量脉动比奇数时大，且随柱塞数的增加而有所减小，应控制柱塞数为9个左右。

2)柱塞泵的流量脉动在一定范围内随转速的增加而减小；转速不变时，流量脉动随阻尼孔直径的增大而变大，因此控制转速、阻尼孔直径的大小均可以减小流量脉动。

3)柱塞泵的流量脉动随斜盘倾角的增大而增大，原因是柱塞泵的压力和振荡次数随斜盘倾角的增加而变大。若要减小流量脉动系数，应适当减小斜盘倾角，一般取柱塞泵斜盘倾角为20°左右。