双定子多输出叶片泵单执行机构压力冲击的研究

王 远1， 刘 娟1， 吕世君， 闻德生， 赵正鹏

(1. 山西工程职业技术学院， 山西太原 030000； 2. 燕山大学机械工程学院， 河北秦皇岛 066004)

引言

根据“双定子”思想[1-4]设计了一种双定子多输出叶片泵，传统定量泵是1个定子对应1个转子，且仅输出一种定流量。而该新型泵是1个转子对应2个定子，并且1个泵体里又可分为内泵和外泵，当改变其输出方式时，可实现1个泵供给多个执行机构压力和流量的要求。通过控制液压阀可以改变双定子多输出叶片泵的工作方式，但是随之却会造成流量的突变，从而产生严重的压力冲击现象，特别是当液压阀动作频繁时，这种冲击将严重地影响系统的可靠性与寿命，因此双定子多输出叶片泵控制单执行机构的压力冲击问题急需解决

1 双定子多输出叶片泵工作原理

如图1所示为多输出叶片泵工作原理简图[5]。

图1 多输出叶片泵的工作原理简图

图1中的外定子内表面、转子外表面、相邻的滚柱连杆组及浮动侧板在转子外侧形成周期变化的密闭容积腔；内定子外表面、转子内表面、相邻的滚柱连杆组及浮动侧板在转子内侧形成周期变化的密闭容积腔。8个吸压油区分布于独立的密闭容积腔，转子转动时，密封容积腔在吸油区容积腔逐渐变大进行吸油，密封容积腔在压油区容积腔逐渐变小进行压油，过渡区将吸油区和压油区分离，再结合独立的配油结构，即形成4个独立的液压泵。为了便于论述，定义转子外侧的泵为外泵，转子内侧的泵为内泵，此多输出叶片泵由2个内泵和2个外泵组成，其相关的符号定义查阅参考文献[6]，该多输出叶片泵在不同工作方式下的流量输出值如表1所示。

由表1可知，多输出叶片泵在不同组合方式下可以形成8种流量输出。针对节流调速回路，多输出泵可以根据液压缸的不同速度和负载要求切换相应的流量层级，使泵输出的流量和液压缸所需的流量匹配最佳，从而提高系统效率。

2 系统压力冲击仿真分析

如图2所示为增设阻尼孔抑制压力冲击的原理图。该系统主要由多输出泵、溢流阀、防冲击装置、换向阀以及液压缸等组成，其中防冲击装置包括1个二位三通换向阀和1个节流阀。

表1 多输出泵多级分层流量计算表

图2 增设阻尼孔抑制压力冲击系统原理图

2.1 系统仿真模型及主要参数设置

使用AMESim提供的标准液压元件库和创建的超级元件搭建液压控制系统模型[7-9]，如图3所示。

如表2所示为仿真系统主要参数。

2.2 液压管路的压力冲击仿真分析

图3 多输出泵位置伺服系统仿真模型

表2 仿真系统主要参数给定设置

图4 不同管路内径对阀口压力的压力冲击

表3 不同管路内径压力冲击峰值对比

数据分析可知：随着液压管路内径的增大，压力冲击的峰值会适当的减小。6 mm的管路阻尼大、流量波动大，其冲击压力最大值为17.5 MPa，超出系统压力7.5 MPa，系统的安全冲击压力不允许超过5 MPa，故6 mm 内径是不安全的；对于8 mm和10 mm内径的管路，其冲击压力峰值分别为11.3 MPa和11 MPa，稳定时间也仅仅差0.01 s，由此可以看出，管路的内径增加可以减少压力冲击，但是并不能完全消除，综合管路的安全性和实用性，选择10 mm内径管路在系统中进行接下来的分析。

多输出泵系统不同数量的内外泵接入油路输出流量时，10 MPa的系统压力下，选取10 mm内径管路，将防冲击装置处于右位，四种流量的压力冲击仿真结果如图5所示。

2.3 多输出泵位置仿真分析

系统压力10 MPa，切换四种泵输出工况分别为：1个内泵、1个外泵、2个内泵、1个内泵和1个外泵。位置信号为连续的阶梯信号：0.1, 0.2, 0.3, 0.4 m，每个信号持续5 s；电磁换向阀的最大通流量为63 L/min，固有频率150 Hz，液压缸缸筒直径63 mm，活塞杆直径35 mm，行程500 mm。整个过程仿真时间为20 s，多输出叶片泵电液位置系统信号响应如图6所示。

图5 四种流量在10 mm管路中的压力冲击

1.给定信号 2.单内泵输出 3.单外泵输出 4. 2个内泵同时输出 5. 1个内泵和1个外泵输出图6 多输出叶片泵多级电液位置系统信号响应

在图6中，可以看出在4种流量的切换过程中，没有出现较大的震荡及超调现象。在追随阶梯信号的过程中，流量增大，使活塞移动速度加快，如图7所示，即系统的响应时间缩短，基本实现了位置跟随。

1.单内泵输出 2.单外泵输出 3. 2个内泵同时输出 4. 1个内泵和1个外泵输出图7 多输出泵系统阶梯信号速度响应

多输出泵流量多级分层输出是为了克服定量泵输出流量单一、在系统平衡位置温升快和能量浪费的问题。在此位置系统中，模拟一个额定流量为45 L/min的定量泵，与多输出泵进行平衡位置溢流量对比如图8所示。

1.定量泵 2.单内泵输出 3.单外泵输出 4. 2个内泵同时输出 5. 1个内泵和1个外泵输出图8 定量泵与多输出泵溢流对比曲线

图8中，在系统需要的流量相比于定量泵额定值略小时，在平衡位置处多输出泵和定量泵的溢流相似；当系统所需流量相比于定量泵的额定流量小很多时，定量泵有明显的溢流损失。在实际的工况中面对多级平衡调节问题，往往会溢流大量油液来保障系统的整体性能，而多输出泵多级分层流量既能保障系统的各种工况条件，又能节约溢流损失，达到节能的要求。在仿真时，抑制压力冲击装置都处在右位，系统有阻尼孔时电液阀口压力波动和无阻尼孔时的压力波动效果对比如图9所示。

图9局部放大图9b～图9e中可以清楚的看到，阻尼孔对压力冲击的响应效果：多输出叶片泵流量多级输出导致流量骤然变化时，在图9b中无阻尼孔的瞬间压力变化为10 MPa，虽然在系统的安全范围内，但超过了压力冲击5 MPa的安全线；阻尼口的滞后性使系统的响应速度减缓但不超过0.05 s，已经达到了要求。在此多输出泵电液位置伺服系统中，通过模拟仿真选择了管路内径和阻尼孔，只是初步在仿真阶段解决了多输出泵切换工作方式带有的压力冲击问题，而在实验中仍然需要重点观察和考虑。

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3 实验

为了检验多输出叶片泵切换工作方式时压力冲击的抑制效果，搭建多输出叶片泵电液位置控制系统的实验系统，系统原理图和实验现场图分别如图10和图11所示。

1.有阻尼孔压力冲击 2.无阻尼孔压力冲击图9 抑制压力冲击装置效果图

1.电机 2.多输出叶片泵 3～6、8.二位三通电磁换向阀 7.溢流阀 9.节流阀 10.单向阀 11.电液伺服换向阀 12.负载 13.位移传感器 14.液压缸 15.工控机 16.过滤器 17.流量计图10 实验原理图

图11 实验现场

多输出叶片泵电液位置系统阶梯信号响应如图12所示。

1.给定信号 2.仿真响应 3.实验响应图12 多输出叶片泵电液位置系统信号响应

与仿真响应相比，可以看出在四种流量切换过程中，没有出现较大的震荡，管路内径和抑制压力冲击装置是有效的；在位置误差方面，总有0.001～0.002 mm的差距，在响应速度方面也有0.2～0.3 s的延迟，误差率不超过2%，虽有所差距也算正常的情况，初步实现了多输出叶片泵在电液伺服系统实验中的精确度要求。其误差分析有以下几个方面[11-12]：

(1) 位移传感器和一些实验所用的仪器仪表自身精度问题及人为误差等影响；

(2) 液压油缸实际工作中存在泄漏；

(3) 油液在管路和元件中的沿程压力损失；

(4) 控制策略和控制方法较为简单，精度不足。

多输出叶片泵流量多级输出最大的特点就是依据不同的工况切换流量输出，与定量泵相比大大减小了溢流损失。实验研究的多输出泵电液位置伺服系统中，多输出泵切换不同的工作方式克服伺服阀口的压力冲击实现位置响应，各个流量分层阶段与定量泵系统相比，平衡状态下的溢流量如表4所示。

表4 多输出泵和定量泵平衡位置溢流对比

从表4中可知，定量泵在系统平衡位置处有大量的溢流损失，造成系统温升过快，影响系统稳定性。如图13所示，多输出泵可根据系统工况提供多级输出。多输出泵控系统在每个流量层级响应3 s系统稳定，切换多输出泵的工作方式以最小流量层级进行输出，这样不仅能够满足系统工况的快速性和稳定性，还可以将系统的溢流损失降到最低值。

1.定量泵溢流 2.多输出泵溢流图13 多输出泵与定量泵溢流对比

4 结论

(1) 管路内径尺寸对压力冲击的峰值和响应时间均有影响，尤其对峰值的影响较大；同一内径的管路能够适应的压力冲击是有限的，故在需要考虑流量变化的系统中，要合理匹配管路内径；

(2) 多输出泵的流量突变引起的压力冲击是不可避免的，但可以适当的调节管路长度，选择合理的管路内径，增加常用的辅助元件抑制冲击，并设置参数优化系统，降低压力冲击峰值；

(3) 由于双定子多输出泵可以满足一个定量泵体同时提供多个执行机构流量和压力的要求，故该泵对多个执行机构的压力冲击问题尚待研究分析。