复合双作用径向叶片泵的设计及流量分析

俞向明，孟利民，周鹏

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

国内常规的双作用叶片泵叶片受离心力影响沿着定子的内表面移动，形成密闭容积的周期性变化从而完成吸油与排油的过程，在密封容积腔进入压油区域瞬间，油液会发生回流，从而会使得叶片泵流量迅速下降，流量的脉动性会大大增加，会造成叶片泵系统的不稳定并且产生噪声。为改善这种情况我们可以设计一种复合双作用叶片泵来减少其流量脉动性过大的问题[1-3]。

1 复合双作用径向叶片泵的设计

一般液压系统中, 复合叶片泵是一类常用的液压泵,它能够满足中、低压力系统的快进和工进速度变化的需求。复合双作用叶片泵由2个双作用叶片泵组成，本文所用的复合泵由2个相同双作用子母叶片泵并联组成，此叶片泵的2个转子由同一个传动轴带动，流量相同，且有同一个出口排油。二维图如图1所示。

图1 复合双作用叶片泵二维图

工作原理：当主传动轴开始转动，使得两转子也同一时间开始转动，由于发生封闭体积大小的变化，泵分别从a、b两个吸油口形成吸油过程，再从c排油口形成排油过程。由于2个定子平行安装，左右泵体的瞬时流量分别是由小到大、由大到小，通过改变两泵定子中心线所交角度来研究出口处流量的变化，尽可能使得出口c处的流量能够保持稳定，从而减少叶片泵由于流量脉动引起的压力脉动，减少了流量不稳定带来的噪声与振动，保持了泵体的稳定性与安全性。

2 理论流量的计算

2.1 出口流量平均值计算

式中：B为母叶片的宽度也是定子的厚度；R为定子内表面曲线长轴的长度；r为定子表面曲线短轴的长度；θ为叶片安装倾角的度数；δ为叶片的厚度；Z为叶片安装的数量；nB为叶片泵传动轴的转速；ηBv为叶片泵的容积效率。

2.2 瞬时流量的理论值计算

单个双作用子母叶片泵一个工作腔以过渡曲线与圆弧交点为起点，排油的瞬时流量公式为

式中：ω为传动轴稳定转动时的角速度；B为母叶片的宽度；ρ为定子过渡曲线的极径大小。

叶片为径向放置,忽略出现的一些倾角误差,单个子叶片损耗油的瞬时流量为

式中：s为子母叶片的厚度；b为叶片的宽度；v为叶片的径向速度。

泵的理论瞬时流量可以由上述公式计算出，双联子母叶片泵单工作腔理论瞬时流量随转子角度的变化图如图2所示[4-6]。

将同一角度下各工作腔的排油瞬时流量与吸油区子叶片的损耗瞬时流量相加，得出瞬时流量公式为qv=2∑q1+2∑q2=B·(R2-r2)ω-2bs。即得出双联子母叶片泵单个泵的瞬时流量图像，与当s=0时，流量图像是一条直线，如图2所示。

图2 理论流量图

3 基于Pumplinx的复合泵数值分析

先使用SolidWorks软件建立模型，利用此软件的型腔功能将模型内部的流体剥离出来,并将螺栓缝隙、密封间隙、轴径向间隙等忽略简化，再导入ANSYS软件进行流体域的提取，再切割去多余部分，就能得到清晰明了的三维流体域，注意将转子中心设置为原点，防止在模拟过程中出现错误，最后将流体域保存为STL格式，为之后用Pumplinx 软件仿真模拟做准备。流体域如图3。

图3 模型流体域

两个叶片之间存在的封闭容积在转子转动时通过过渡曲线区域，会由于高压油与低压油的瞬间接触而产生周期性的脉动冲击，这会导致出现定子与转子间的不规律性振动，进一步造成叶片受力的不平衡。为了防止不规律性的振动对双作用叶片泵的周期性径向激励作用，我们一般使用的双作用叶片泵的叶片数量为偶数，且叶片数量尽可能多。这里我们使用的叶片泵的叶片数为12，叶片安装倾角为13°。

将简化后的流体域分别导入Pumplinx 软件中，设置出口压力、进口压力、叶片数、叶片倾角、转子转速等参数后，开始模拟仿真实验，得出的复合双作用叶片泵不同安装角度的图像如图4所示[7-8]。

图4 各角度出口流量对比图

各角度模拟曲线与其对应的理论瞬时流量比较图像如图5 ～图7所示。

通过分析图5 ～图7 可 以 看出，在所设置的基本结构参数一致的情况下，随着两定子中心线所交角度的增大，复合双作用叶片泵的输出压力和流量脉动呈现周期性变化且不断地减小，变化趋势基本一致，即0°导致的流量脉动最大，45°的引起的脉动幅值次之，90°的效果更好。而图中出现的出口流量陡然下降是由于“高压回流”所造成的。当两个叶片间的封闭容腔在通过压油窗口瞬间, 压油窗口内部的高压油液会瞬间逆流反向输回由这两个叶片组成的封闭容积腔，从而使得这个腔内的压力会陡然上升, 出现出口流量迅速下降的情况，这就叫做“高压回流”现象。

图5 0°出口流量与理论值对比图

图6 45°出口流量与理论值对比图

图7 90°出口流量与理论值对比图

4 结语

本文以提高径向泵流量、降低流量瞬时脉动性为目的，设计一种具有2对定子、转子的径向柱塞泵。通过改变两定子的配合角度，实现流量的稳定输出。研究表明，叶片泵的输出流量的脉动性随着两泵定子中心线所交角度的增加而减小，所得结果对设计和优化叶片泵结构具有一定借鉴作用。改变两定子中心线交角度改善了泵的流量脉动性，但没有完全消除，这可能是由各零部件的装配误差，或不对称造成的径向不平衡力所导致的，需要对所设计的复合径向叶片泵进行进一步结构优化。