斜轴式定量柱塞泵的动态特性仿真分析

陈绪林 陈 康 向宏宇 王 康

（1.重庆文理学院 智能制造工程学院，重庆 402160；2.重庆红江机械有限责任公司，重庆 402160）

液压传动是以液体作为工作介质进行能量转换、传递和控制的一种传动方式，现已成为工农业及国防科学技术现代化进程中不可替代的一项重要基础技术[1]。柱塞式液压泵是靠柱塞在缸孔内的往复运动改变柱塞缸体内的容积来实现吸液和排液的液压泵。它凭借其较高的工作压力、宽广的排量覆盖范围、较高的容积效率以及多样的变量方式等优势，常被用作液压系统中的核心动力和执行元件，广泛应用于工业液压设备和工程机械领域。随着工业设备对液压元件性能要求的不断提高，柱塞泵成为液压泵发展的主要方向[2]。斜轴式定量柱塞泵具有自吸转速高、工作压力高、内泄漏少、效率高、可靠性高和噪声低等优点，广泛应用于货船起重机、挂臂式垃圾车、翻斗式垃圾车、木材起重机、混凝土搅拌机和相似车辆等相关领域。斜轴式柱塞泵的转速输入轴与缸体呈一定夹角，缸体旋转强迫柱塞做往复周期运动，从而使柱塞腔容积发生变化，同时依靠配流盘与缸体导流孔的连通与切断实现介质的吸入与压出，完成介质的升压。

1 工作原理

本文的斜轴式定量柱塞泵通过一对锥齿轮驱动缸体旋转，特点是倾斜角可以达到45°，重功率比比有铰式和无铰式大很多。柱塞与柱塞孔密封采用3个重叠放置的活塞环密封，减少了柱塞泵的泄露，提高了柱塞泵的容积效率。柱塞与输入轴通过球头与球窝配合，当柱塞与输入轴夹角小于某一特定值时，柱塞可以装入或脱离球窝；当柱塞与输入轴夹角大于某一特定值时，柱塞球头被输入轴的球窝锁紧而连接为一体。柱塞采用球头连接方式，可以提高泵的转速。泵的壳体采用铝合金铸件，具有强度好、质量轻的特点。配流盘与端盖做成一体，使整个泵的结构更紧凑，达到了轻量化设计目标。

斜轴式定量柱塞泵的结构如图1所示。当柱塞9下行时，通过端盖6上的进油腔吸油，实现本泵吸油过程；当柱塞9上行时，通过端盖6上的出油腔实现排油过程。输入轴旋转一周，每根柱塞都完成一次吸油和排油动作。当输入轴旋转方向改变时，只要将端盖旋转180°安装，即可实现上述吸油和排油过程。因此，本泵可以实现正反转功能。

图1 斜轴式定量柱塞泵结构

2 关键结构设计

液压柱塞泵的关键零部件有很多，如柱塞、缸体、斜盘、配流盘和滑靴等。因为端面配流是当前液压柱塞泵最主要的高效可靠设计手段[3]，所以本文仅讨论配流盘上节流槽的优化设计。合理优化结构参数和节流槽阀口面积，进一步研究进油口和排油口的通流面积，可以有效指导分析变量泵系统特性，对系统设计具有重要的参考价值。

2.1 节流槽尺寸设计

渐扩形节流槽的主要特征为截面随阀口开度的变化逐渐变化。V形节流槽的结构及阀腔内压力分布分别如图2和图3所示，以其阀口面积为例进行确定和计算[4]。

图2 V形槽结构简图

图3 V形槽阀腔内压力分布

V形节流槽阀口面积AV为：

式中：β为投影角；A2为垂直于配流盘的阀开口处截面积。

2.2 节流槽面积计算

工作过程中，柱塞泵的油液介质经端盖上的腰形槽流入或流出柱塞腔。当柱塞腔与配流盘腰形槽上的节流槽接通时，由于面积变化极其剧烈，流动过程受到节流作用的影响十分明显。

该流动过程满足：

式中：pi为配流盘腰形槽内油液压力；Cr为流量系数；Ar为过流面积。

在缸体受驱动而旋转的过程中，柱塞腔与端盖上的腰型槽重叠区域的面积为过流面积。缸体旋转一周单个柱塞腔过流面积的变化规律，如图4所示。随着柱塞腔和端盖上的腰型槽接触面积逐渐增大，过流面积从逐渐增大的过渡区变为面积恒定的稳定区。由于柱塞周期性往复运动，高低压过渡区与稳定区呈对称分布，需要把面积变化曲线转换导入到仿真模型中，模拟配流面积变化过程。

图4 配流盘旋转周期内过流面积变化情况

3 仿真建模

第一，对输入轴施加恒转速模拟电机对柱塞泵的作用，利用锥齿轮的运动学关系，将驱动轴的运动学规律转变为缸体的运动规律。第二，将柱塞腔与端盖的过流面积变化规律曲线无量纲化后作为面积变化系数，采用可变节流孔模拟缸体与端盖上腰型槽的连通与切断。第三，将柱塞腔作为可变容积腔连接压油模块，实现模拟缸体与端盖的配流过程。第四，通过连接多个柱塞腔模型管路，将柱塞的运动规律转变为柱塞腔压力的变化规律，进而得到整个系统的压力变化规律。由于缝隙泄漏对系统性能特别是对容积效率的影响，需要在柱塞腔模型中加入缝隙泄漏模型，在系统模型中加入缸体与端盖之间的泄漏模型。第五，利用节流孔模拟柱塞泵负载。

工程实践中常用抗磨液压油来保证微缝隙内对介质润滑与密封的性能要求。该泵额定压强为35 MPa，介质为L-HM46号抗磨液压油，仿真参数如表1所示。

表1 整泵模型仿真参数表

4 仿真结果

液压柱塞泵工作时，柱塞周期循环运动。当柱塞经过进出油过渡区时，柱塞位置和压力状态由与吸油的腰形槽接通改变至与排油的腰形槽连通。此时，柱塞腔内压力的急剧变化将导致油液介质从排油位置倒流到柱塞腔，进一步引起液压柱塞泵出口压力剧烈脉动产生柱塞泵冲击和噪声，也会造成泵的流量脉动品质下降，减少使用寿命。

对斜轴式定量柱塞泵的液压模型进行仿真，研究分析柱塞泵的内外特性，特别是不同转速和不同轴交角与输出流量的关系研究，对柱塞泵系统性能确定及改进具有一定的现实指导意义。

4.1 电机转速对流体特性的影响

通过仿真探讨定量泵的输出流量特性和压力特性与驱动电机的转速关系，可以获得液压柱塞泵在不同转速下的系统性能及变化，为进一步分析及优化液压柱塞泵系统性能和匹配不同应用场景做出了指导。

为清晰观察和分析该型液压柱塞泵转速流量特性，采用保持最大轴交角不变的方法进行分析。该型液压柱塞泵不同转速下的流量输出特性如图5所示。

图5 在不同转速下泵的输出流量特性

液压柱塞泵在不同转速下泵的输出压力特性，如图6所示。由图5和图6可知，在轴交角为45°的条件下，斜轴式定量柱塞泵输出流量与压力实际瞬时脉动情况与电机驱动转速有关。电机转速越高，泵的输出流量及压力脉动越大，达到平衡的时间越快，因此要求系统响应迅速。

从图5和图6可见，随着转速的升高，压力脉动与流量脉动均逐渐增大，符合柱塞泵的特征。在最高转速下，柱塞泵的输出流量接近110 L·min-1的理论值。此时，柱塞泵在35 MPa的平均压强下压力波动比较小，而流量波动稍显剧烈。一方面，在该工况下柱塞泵转速高且泵的排量大，使柱塞的运动速率增加；另一方面，柱塞泵的容积腔较大削弱了压力的脉动，造成了流量脉动稍大。

图6 在不同转速下泵的输出压力特性

4.2 轴交角对流体特性的影响

在节流开口一定、转速为2 300 r·min-1的条件下，分析不同轴交角时液压柱塞泵的轴交角与系统流量输出特性、输出压力关系以及该型液压柱塞泵的变流量调节执行结构响应特性。轴交角分别为10°、20°、30°、45°和50°时，泵的输出流量特性与输出压力特性分别如图7和图8所示。

图7 在不同轴交角下泵的输出流量特性

图8 在不同轴交角下泵的输出压力特性

由图7和图8可见，压力波动的基础频率与流量脉动的基础频率一致，且随着轴交角的增大，泵的输出压力和输出流量脉动性加剧。出口高压腔的容积较大，使额定转速下柱塞泵的输出压力脉动较小；泵的泄漏量相比总流量非常小，压力与流量脉动均会随着轴交角的增大而增大。根据不同轴交角下泵的压力脉动情况可知，由于转速不变而排量变大，会导致柱塞泵的输入压力脉动随着轴交角的增大而增加。观察单个柱塞腔内压力变化可以发现，柱塞腔内压力建立初期仅有少量脉动，这是由于柱塞配流槽预设的三角形减振槽结构适当的减小了压力冲击。

图9为在不同轴交角下泵的配流副泄露量，得知理想状况下配流副泄露对整泵的泄露量影响较小。

图9 在不同轴交角下泵的配流泄露量

在转速为2 300 r·min-1、轴交角为45°时，柱塞1的位移随时间的变化曲线如图10所示。可以看出，柱塞1的运动位移曲线和理论计算曲线一致，验证了仿真模型的准确性。

图10 柱塞1的位移随时间变化曲线

5 结语

本文以斜轴式定量柱塞泵为研究对象，分析其结构、特点和工作原理。利用性能仿真软件搭建斜轴式定量柱塞泵仿真模型，在仿真环境下得到不同转速和不同轴交角时液压柱塞泵输出流量特性与输出压强特性的关系曲线，对液压柱塞泵的系统设计及关键结构优化起到了很好的启示作用。因为配流盘设计有减振槽结构，所以柱塞腔内的压强冲击现象并不明显，可以进一步探讨减振槽的结构参数对压强脉动的影响。