航空柱塞泵配流盤結構優化分析

史翔，趙東標

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

柱塞泵具有工作壓力高、結構緊湊、效率高和流量可調節等優點［1］，廣泛應用于大型飛機的液壓能源系統中，作為液壓系統的壓力源，保證了飛機各液壓部件的安全平穩運行。然而，由于柱塞泵的固有結構及油液的壓縮性等因素，導致油液流量脈動的產生，進而影響柱塞泵的輸出流量品質。尤其是當柱塞泵的脈動頻率和液壓管路的固有頻率接近時，系統將產生共振，嚴重影響系統正常穩定工作。因此，有必要對柱塞泵的流量脈動進行研究。文中主要研究航空柱塞泵的配流盤結構，提出了配流盤優化方法，并進行優化前后流量脈動的仿真分析。

1 配流盤結構

某型號柱塞泵配流盤結構如圖1所示，其主要結構包括內外密封帶、吸排油腰形槽和過渡區結構。在柱塞運動過程中，柱塞腔與吸、排油腰形槽交替接通，形成了柱塞泵的吸、排油過程。而過渡區結構由于位于吸、排油腰形槽之間，對柱塞泵的流量脈動及柱塞腔的壓力沖擊均有直接影響。多數對配流盤結構優化的研究也集中在配流盤的過渡區域。

圖1 配流盤結構

在該配流盤中，已采取了兩種抑制流量脈動的基本方法，即設置錯配角和阻尼槽。

(1)錯配角

柱塞軸向速度為零，柱塞腔體積最小時的位置稱為內死點，當柱塞到達內死點時，排油行程結束;柱塞軸向速度為零，柱塞腔體積最大時的位置稱為外死點，當柱塞到達外死點時，吸油行程結束［2］。外死點和內死點的連線與配流盤對稱軸線的夾角稱為配流盤的錯配角，其方向是按吸油腰形槽末端向排油腰形槽始端的方向偏轉。錯配角的作用主要是增加過渡階段柱塞腔預升壓和預降壓的時間，從而降低流量脈動［3］。國外有學者對錯配角的最佳大小進行了研究，得出最佳錯配角大小為4.5°左右［4］。

(2)阻尼槽

阻尼槽一般開設在吸油腰形槽和排油腰形槽的端部，根據截面形狀的不同，可分為三角槽、直槽和U形槽。不同的阻尼槽有不同的通流面積變化速率，它是決定柱塞在過渡區流量倒灌峰值和總量的重要參數，直接影響柱塞泵的出口流量脈動。如圖1所示配流盤的阻尼槽為三角槽，且吸油阻尼槽的尺寸略小于排油阻尼槽的尺寸。

在柱塞的一個運動周期內，存在兩次吸、排油間的過渡，因此存在兩次流量脈動過渡:當柱塞腔從吸油向排油過渡時，柱塞的軸向運動會造成柱塞腔體積壓縮，并且排油區的高壓油液在接通柱塞腔瞬間會因壓差倒灌進柱塞腔，在這兩者的共同作用下，柱塞腔壓力由吸油壓力升至排油壓力。當柱塞腔從排油向吸油過渡時，柱塞的軸向運動造成體積膨脹，并且柱塞腔油液在壓差作用下流入吸油腰形槽，柱塞腔壓力從排油壓力降到吸油壓力。兩次過渡過程的流量倒灌均對泵出口流量脈動有明顯影響。

由配流盤結構圖可知，對于該型號柱塞泵配流盤，柱塞腔通油孔包角的設計使得柱塞腔在完全脫離吸油腰形槽時正好運行到外死點，這既可以避免柱塞腔因脫離吸油槽后仍未到達外死點從而繼續運動造成的閉死膨脹過程，又可以避免柱塞腔運行到排油行程時仍然與吸油腰形槽接通，理論上這對流量脈動有較好的抑制作用。

2 流量脈動機制及數學模型

對于軸向柱塞泵，以常見柱塞數為9的柱塞泵為例，依靠柱塞在缸體內的周期性運動實現吸油和排油。泵的出口瞬時流量是由多個位于排油區的柱塞腔輸出流量疊加而成，各柱塞排油的不連續導致了泵出口瞬時流量的周期性變化。此部分由柱塞泵固有結構造成的流量脈動稱為柱塞泵的幾何脈動。此外，考慮到柱塞在配流盤過渡區因壓力過渡造成的流量倒灌，這部分流量的疊加稱為回沖脈動，對整泵的輸出流量有較大的影響。當整泵的流量脈動過大時，會使泵源產生噪聲，同時也容易引發系統管路的振動，影響系統整體的工作平穩性和安全性。

通過柱塞的運動學分析可以得出位于排油區的各個柱塞的理論瞬時流量公式:

式中:qi為排油區第i個柱塞的瞬時流量，i=1～Z0，Z0為處于排油區的柱塞數;Az為柱塞腔橫截面積;ω為柱塞泵角速度;R為柱塞分布圓半徑;γ為斜盤傾角;φ為柱塞自初始位置轉過的角度。

排油區柱塞的理論瞬時流量疊加即為柱塞泵的總瞬時流量:

針對排油區內各柱塞的運動狀態，北航的李鑫博士等［5］提出了分以下階段建立柱塞泵的瞬時流量模型:

(1)第一個柱塞的通油孔從初始位置轉到完全包圍三角槽，設此時轉角為φ1。

(2)第一個柱塞完全包圍三角槽到排油槽內最后一個柱塞完全脫離，此階段排油槽內有5個柱塞，設此時轉角為φ2。

(3)從排油槽最后一個柱塞脫離到轉角為2π，完成一個周期運動。

對這3個階段，可以分別建立柱塞泵出口流量q1、q2、q3的數學模型［5］為:

其中:A0為三角槽的過流面積;φ0為初始位置時第一個柱塞腔的三角槽包角;θ1為三角槽開口角;θ2為三角槽頂角;Cd為三角槽流量系數;pd為排油腔的工作壓力;p1為第一個柱塞腔的工作壓力;ρ為油液密度。

3 配流盤結構優化方案

傳統的配流盤優化設計主要是針對過渡區的一些幾何參數進行優化改進，例如三角槽的寬度角和深度角大小及錯配角大小。文中研究的主要是阻尼槽的結構和數量，針對已知的流量脈動特性，在配流盤過渡區再開設3個阻尼孔，形成孔槽結合［6］的過渡結構，進一步優化柱塞腔的壓力過渡過程，從而優化流量脈動。圖2所示為優化后的配流盤結構。

圖2 優化配流盤結構

優化方案為在排油槽始端錯配角位置處開設阻尼孔1，孔1與排油腰形槽接通;在排油槽始端的三角槽尖角處開設阻尼孔2;在吸油槽始端的三角槽前端靠近錯配角位置處開設阻尼孔3，孔3與殼體接通。

阻尼孔1的作用是在柱塞吸油階段末期補充少量高壓油液，以避免柱塞泵可能出現的吸空現象。當在吸油階段末期時，柱塞腔逐漸與吸油腰形槽脫離，吸油通流面積逐漸減小，同時柱塞腔運動速度逐漸接近于0。只有當吸油通流面積的減小速率和柱塞腔速度降低速率相匹配時才可完全避免柱塞腔的閉死膨脹，即吸空現象。然而，在實際工況中，這種理想狀態是很難實現的。因此，通過阻尼孔1的油液可以防止柱塞腔在閉死膨脹階段的壓降。

阻尼孔2的作用是適當提前倒灌流量的峰值位置，從而達到降低總體流量脈動幅值的效果。在排油三角槽始端的尖角處，過流面積較小，倒灌的油液流量較小。開設阻尼孔2后，增加了過流面積，可以使得流量倒灌初期的瞬時流量較大。在預升壓過程中，隨著排油腰形槽和柱塞腔之間的壓差逐漸降低，倒灌流量則呈遞減趨勢。因此可以使得倒灌流量的峰值位置較之無阻尼孔2要提前。

阻尼孔3的作用是在柱塞排油階段末期釋放少量柱塞腔油液以加強預降壓的效果。柱塞腔處于閉死壓縮階段時將造成柱塞腔壓力升高，此時柱塞腔與阻尼孔3接通，腔內高壓油液即可流入殼體，以抵消柱塞腔的壓力升高，起到預降壓的效果。

對于優化后的流量脈動模型，與原配流盤的區別在于開設的3個阻尼孔將在節流環節引入阻尼孔的節流效果，阻尼孔節流公式為:

其中:μ為油液黏度;d為阻尼孔直徑;l為阻尼孔長度。

4 流量脈動仿真結果

將流量脈動的數學模型在MATLAB中進行數值仿真，相關參數代入具體數值，可以得到柱塞腔流量脈動結果和柱塞泵出口流量脈動結果。分別對原配流盤和優化后配流盤的模型進行仿真，可得到以下仿真結果。

圖3為單柱塞腔的流量脈動，由仿真曲線可知:優化后配流盤與原配流盤的不同主要在于吸排油的過渡區域。在吸油向排油過渡時，首先，優化配流盤中由于阻尼孔1的存在，單柱塞腔吸油量略大于原配流盤柱塞腔;其次，當柱塞腔通油孔開始接通阻尼孔2，優化配流盤從排油腰形槽倒灌進入柱塞腔的流量大于原配流盤，同時預升壓效果要優于原配流盤，因此流量倒灌的峰值較原配流盤小，且相位也稍有提前。在排油向吸油過渡時，首先優化配流盤中由于阻尼孔3的存在，柱塞腔內的高壓油液流入殼體，單柱塞腔排油量略大于原配流盤柱塞腔;其次柱塞腔接通阻尼孔3和三角槽，預降壓效果優于只有三角槽的原配流盤，過渡過程相對原配流盤稍有提前。

圖4為柱塞泵出口流量脈動，由仿真結果可知:優化配流盤的柱塞泵整體流量脈動幅值較原配流盤柱塞泵有明顯降低，這主要是由于優化方案中阻尼孔2的加入改變了從排油槽倒灌到柱塞腔的流量峰值分布位置，各柱塞腔的流量疊加產生的總體效果較為明顯。

圖3 單柱塞腔流量脈動

圖4 柱塞泵出口流量脈動

在給出的優化方案中，阻尼孔1的位置位于錯配角處，偏離上死點5°。該值是參考相關學者的研究［7－8］定的一個經驗值。可以在仿真時改變阻尼孔1的位置，通過仿真結果驗證該經驗值的可靠性。如圖5(a)、(b)所示為改變阻尼孔1位置 (以偏離外死點的角度值衡量)的流量脈動仿真結果。

圖5 阻尼孔1不同位置的流量脈動仿真

從仿真結果可以看出:阻尼孔1在不同位置處的流量脈動曲線整體趨勢較為一致。當孔1較接近三角槽 (偏離外死點10°)或較接近外死點 (偏離外死點0°)，流量脈動效果均不如優化配流盤。其中，阻尼孔較接近外死點時的流量脈動要好于阻尼孔較接近三角槽時的流量脈動。這是因為當阻尼孔愈接近三角槽時，為避免吸空現象而開設的阻尼孔1將起不到防吸空的作用;當阻尼孔愈接近外死點時，可以有效避免吸空現象。從仿真結果上看，阻尼孔1開設在接近外死點處對優化配流盤流量脈動的影響不大?？紤]到決定阻尼孔的位置的因素 (如柱塞泵工作轉速)過于復雜［9］，由經驗值確定的阻尼孔1的位置仿真結果較為理想，可以認為由此確定的阻尼孔1的位置是合理的。

5 結論

(1)對配流盤結構進行優化改進后，柱塞泵單柱塞腔的排油區倒灌流量幅值降低，吸油區倒灌流量幅值升。

(2)對配流盤結構進行優化改進后，軸向柱塞泵的出口流量脈動幅值明顯降低，流量脈動波形有較明顯的改變。由此可知，柱塞泵的出口流量脈動率有顯著降低，這對柱塞泵的壓力脈動有一定的抑制效果。

［1］董繼先.流體傳動與控制［M］.北京:國防工業出版社，2012.

［2］那成烈.軸向柱塞泵可壓縮流體配流原理［M］.北京:兵器工業出版社，2003.

［3］徐兵，陳媛，張軍輝.軸向柱塞泵減振降噪技術研究現狀及進展［J］.液壓與氣動，2014(3):1－10.

［4］CHO J，ZHANG X，MANRING N D，et al.Dynamic Modeling and Parametric Studies of an Indexing Valve Plate Pump［J］.International Journal of Fluid Power，2002，3(3):37－48.

［5］李鑫，王少萍，黃伯超.航空柱塞泵流量脈動仿真分析與結構優化［J］.蘭州理工大學學報，2010，36(3):60 －64.

［6］邢科禮，那成烈.軸向柱塞泵配流盤減振結構對壓力流量的影響［J］.甘肅工業大學學報，1997，10(1):11 －13.

［7］馬吉恩.軸向柱塞泵流量脈動及配流盤優化設計研究［D］.杭州:浙江大學，2009.

［8］徐兵，張軍輝，葉紹干.軸向柱塞泵新型低敏感度降噪配流結構研究現狀［C］//2012年機械工程全國博士生學術論壇.哈爾濱，2012:25 －27.

［9］劉曉紅，楊志軍，吳文海.軸向柱塞泵配流盤上阻尼孔對其空蝕特性的影響［J］.機床與液壓，2010，38(15):28－31.