凸輪轉子型雙定子葉片泵泄漏與容積效率分析

聞德生,陳帆,甄新帥,柴偉超,王京,周聰

(燕山大學機械工程學院,066004,河北秦皇島)

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凸輪轉子型雙定子葉片泵泄漏與容積效率分析

聞德生,陳帆,甄新帥,柴偉超,王京,周聰

(燕山大學機械工程學院,066004,河北秦皇島)

針對傳統液壓泵難以輸出多種流量和壓力的問題,結合凸輪轉子葉片泵的結構及雙定子的思想,提出一種新型凸輪轉子型雙定子葉片泵。該泵含有凸輪轉子、外定子及內定子并在一個殼體內形成了兩泵,兩泵流量成比例,從而實現了多個壓力、不同流量的輸出,或者驅動多個壓力、不同流量的液壓系統同時工作。通過對凸輪轉子型雙定子葉片泵內部結構的分析,歸納出內、外泵在不同組合方式下的理論排量計算式,得出主要內泄漏途徑。內泵單獨供油、外泵單獨供油和內外泵聯合供油3種工作狀態的比較表明,隨著負載壓力的增大,所提泵的容積效率隨之降低,在同一輸出壓力下內泵單獨工作時的容積效率最低,外泵單獨工作時容積效率最高。該結果可為凸輪轉子型雙定子葉片泵的設計及應用提供參考。

葉片泵;雙定子;凸輪轉子;泄漏;容積效率

隨著工業的不斷發展,液壓傳動技術已成為一項重要傳動方式[1]。作為液壓系統動力元件的液壓泵是將機械能轉化為液壓能,其直接影響到整個液壓系統的性能。凸輪轉子葉片泵是一種液壓泵,具有低噪聲、長壽命、高性能等優點,常應用于機床、壓鑄等機械領域。傳統液壓泵是在一個殼體內設置一個轉子和一個定子,難以輸出多種流量和壓力[2]。所謂雙定子是在一個殼體內設置一個轉子和兩個定子,形成多個相互獨立的泵,這些泵既可單獨輸出,又可聯合輸出,達到了一體多泵的目的[3]。本文結合凸輪轉子葉片泵的結構及雙定子的思想,提出了一種新型凸輪轉子型雙定子葉片泵。

1 泵的結構和工作原理

1.1 凸輪轉子型雙定子葉片泵的結構

圖1為凸輪轉子型雙定子葉片泵的剖面圖[4]。該泵含有一個凸輪轉子、一個外定子以及一個內定子,并在一個殼體內形成了兩組泵:內泵,由凸輪轉子、內定子、內泵葉片、側板、配流裝置形成;外泵,由凸輪轉子、外定子、外泵葉片、側板、配流裝置形成。凸輪轉子中心與內、外定子中心重合,轉子的內、外表面由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和四段過渡曲線(等加速、等減速曲線)組成,葉片在轉子內、外表面可光滑平穩地運動。

1:右端蓋;2:右泵體連接套;3:左泵體連接套;4:右端蓋;5:凸輪轉子;6:外定子;7:內定子;8:內泵葉片;9:外泵葉片圖1 凸輪轉子型雙定子葉片泵剖面圖

1.2 凸輪轉子型雙定子葉片泵的工作原理

圖2為凸輪轉子型雙定子葉片泵的原理簡圖。圖2a與圖2b的定子相差90°。內泵形成的4個密封容腔分別設為a、b、c、d,外泵形成的4個密封容腔分別設為A、B、C、D。當凸輪轉子順時針旋轉時,對于內泵,容腔b、d的容積增大,吸入油液,容腔a、c的容積減小,壓出油液;對于外泵,容腔B、D的容積增大,吸入油液,容腔A、C的容積減小,壓出油液。凸輪轉子每轉一周,每個工作空間要完成兩次吸油或壓油,內、外泵都有兩個吸油口和兩個壓油口,故該泵為雙作用泵。由于內、外泵幾何尺寸不同,所以會輸出不等的流量,這些流量既可單獨輸出,又可聯合輸出,從而實現了多種壓力、不同流量的輸出,也可驅動需要多個壓力、不同流量的液壓系統同時工作。

(a)定子1 (b)定子21:外定子;2:凸輪轉子;3:內定子;4:內泵葉片;5:外泵葉片圖2 凸輪轉子型雙定子葉片泵原理簡圖

2 泵的理論流量

圖3 凸輪轉子型雙定子葉片泵的主要幾何參數

ab曲線失徑

(1)

(2)

hi曲線失徑

(3)

(4)

由對稱結構可得Sabcdega=2Sabg+Sbceg,Sabg和Sbceg分別為

(5)

(6)

(7)

同理,Shijklmh=2Shim+Sijlm,Shim和Sijlm分別為

(8)

(9)

(10)

所以,當凸輪轉子旋轉一周時,外泵排量q1、內泵排量q2分別為

(11)

(12)

式中:B為葉片寬度;Z為葉片數;x為凸輪凸起數。

理論流量Qt=nq,外泵的理論流量為Qt1=nq1,內泵的理論流量為Qt2=nq2,其中n為凸輪轉子的轉速[5]。表1為凸輪轉子型雙定子葉片泵樣機參數。

表1 凸輪轉子型雙定子葉片泵樣機的主要參數

3 泵的容積效率

工作時液壓泵的壓力分布、幾何尺寸、運動特征等特性都會發生變化[6],所以對凸輪轉子型雙定子葉片泵做如下假設:①不考慮泵中各運動部件的磨損對泄漏產生的影響;②流動過程中油液是穩定且為不可壓縮的層流流動;③不考慮葉片根部彈簧力對泄漏產生的影響;④流動過程中油液的物理特性保持不變且無熱傳遞。

容積效率ηv為液壓泵輸出的實際流量Q與理論流量nq之比,即

(13)

凸輪轉子型雙定子葉片泵的泄漏途徑主要有:①葉片與內、外定子上葉片槽的間隙泄漏;②凸輪轉子端面與兩側端板的間隙泄漏;③凸輪轉子外圈大圓弧面與外定子內輪廓面的間隙泄漏,及凸輪轉子內圈小圓弧面與內定子外輪廓面的間隙泄漏;④葉片頂端與凸輪轉子曲線表面的接觸密封泄漏。

由于該泵的外泵和內泵存在相似結構,下面僅以外泵為例計算各間隙泄漏量,計算各泄漏量時壓差均取額定壓力,為16 MPa。

(1)葉片與葉片槽的間隙泄漏[7]。如果忽略葉片在容腔內伸出部分受一側高壓油、另一側低壓油作用而產生的傾角變化,該間隙則可簡化為兩固定平行平板型間隙,此時葉片與葉片槽的間隙泄漏量

(14)

式中:Z為葉片數,Z=2;h1為葉片與外定子葉片糟的間距;Δp為作用在葉片頂端和根部的壓力差;μ為油液動力黏度;L1為葉片最小密封長度。h1=2×10-2mm,L1=9.8 mm,μ=2.65×10-8MPa·s,可得qcw=0.222 L/min。

(2)凸輪轉子端面與兩側端板的間隙泄漏。該間隙泄漏可簡化為壓差流動造成的,如果高壓區所占角度為π,泄漏路徑沿間隙兩側,則凸輪轉子軸向泄漏量

(15)

式中:h2為凸輪轉子與端面間的軸向間隙間距;R為凸輪轉子外圈大圓弧半徑;r為軸孔半徑。h2=2.75×10-2mm,qzw=2.163 L/min。

(3)凸輪轉子上的兩個大圓弧與外定子內輪廓的間隙泄漏。該間隙各處是等距的,可簡化為具有相對運動的兩平行平板型間隙,此時凸輪轉子徑向泄漏量

(16)

式中:K1為凸輪轉子泄漏區段數目,K1=2;h3為凸輪轉子徑向配合時的間隙間距;L3為凸輪轉子徑向封油長度;U1為凸輪轉子外圈大圓弧徑向速度。h3=2.25×10-2mm,L3=28 mm,U1=4 710 mm/s,qjw=0.397 L/min。

(4)葉片頂端與凸輪轉子表面的間隙泄漏。該間隙可簡化為具有相對運動的兩平行平板型間隙,此時葉片頂端與凸輪轉子表面的接觸密封泄漏量

(17)

式中:h4為葉片與凸輪轉子表面的密封間隙間距;L4為葉片徑向封油長度;U2為凸輪轉子小圓弧徑向速度。h4=1×10-2mm,L4=1 mm,U2=3 925 mm/s,qyw=0.378 L/min。

表2為額定壓力為16 MPa、電機理論轉速為1 440 r/min時,內外泵的流量、泄漏量和容積效率的計算結果。從表中可以看出,內泵單獨工作時的容積效率最低,外泵單獨工作時的容積效率最高。

表2 內外泵流量、泄漏量和容積效率的計算結果

4 實 驗

凸輪轉子型雙定子葉片泵容積效率實驗是根據國家標準進行的。圖4為典型樣機的實驗回路原理圖[8-10],圖中數字6為實驗泵,其左側為內泵,右側為外泵,泵內的雙箭頭表示輸出口數。節流閥用來調節負載壓力,調節換向閥可實現內泵單獨工作、外泵單獨工作和內外泵同時工作[11-13]。圖5為凸輪轉子型雙定子葉片泵主要零件及裝配樣機。實驗結果如表3所示。

1:過濾器;2:溫度計;3:截止閥;4:電機;5:溢流閥;6:實驗泵;7:單向閥;8:電磁換向閥;9:壓力表;10:節流閥;11:流量計圖4 典型樣機的實驗回路原理圖

(a)零部件

(b)樣機圖5 凸輪轉子型雙定子葉片泵主要零件及裝配樣機

圖6～圖8分別為內泵單獨供油、外泵單獨供油、內外泵同時供油時容積效率與壓力的關系曲線圖。由圖可以看出,負載壓力增大,泵的容積效率降低。在同一輸出壓力下,

泵的輸出流量隨著供油方

式的不同而改變,其中內、外泵同時供油時的輸出流量最大,外泵單獨供油時其次,內泵單獨供油時最小;在同一輸出壓力下,內泵單獨供油時的容積效率最低,內、外泵同時供油時其次,外泵單獨供油時最高。

圖6 內泵容積效率與壓力的關系曲線

圖7 外泵容積效率與壓力的關系曲線

圖8 內、外雙泵容積效率與壓力的關系曲線

可以看出,實驗結果與理論分析存在一定誤差,原因主要有以下幾個方面:①油溫稍高或油液黏度較低;②測量儀器存在誤差;③泄漏分析時沒有考慮油液壓縮引起的流量損失;④實際的密封配合精度較低;⑤實驗中某些運動部件出現磨損造成了更大的泄漏;⑥其他人為因素等。結合以上分析,在液壓泵的實際應用中應該做好合理設計和加工,包括正確的裝配以及定期的維護和保養等。

5 結 論

(1)凸輪轉子型雙定子葉片泵在一個殼體內形成了兩個泵,兩泵的流量成比例可實現多個壓力、不同流量的輸出,也可驅動多個壓力、不同流量的液壓系統同時工作。

(2)通過對凸輪轉子型雙定子葉片泵內部結構的分析,歸納出內、外泵在不同組合方式下工作的理論排量的一般公式。

(3)通過對凸輪轉子型雙定子葉片泵結構的分析,得出主要內泄漏途徑。

(4)隨著負載壓力的增大,泵的容積效率會隨之降低。內泵單獨供油,外泵單獨供油和內、外泵聯合供油狀態下,在同一輸出壓力時內泵單獨工作的容積效率最低,外泵單獨工作的容積效率最高。

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(編輯 苗凌)

Analysis of Leakage and Volumetric Efficiency for Cam-Rotor Double-Stator Vane Pump

WEN Desheng,CHEN Fan,ZHEN Xinshuai,CHAI Weichao,WANG Jing,ZHOU Cong

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China)

In view of that the traditional hydraulic pump is difficult to output many kinds of flow and pressure, a new type of cam-rotor double-stator vane pump is put forward, which combines the structure of cam-rotor vane pump with the thought of double-stator. This pump contains a cam-rotor, an outer-stator and an inner-stator to set two pumps in one case. The flows of two pumps are proportional so as to realize to output different pressures and flows or to drive hydraulic systems with different pressures and flows to work at the same time. Analyzing the internal structure of cam-rotor double-stator vane pump, the theoretical flow calculation formulas of inner and outer pumps under different combinations are summed up and the main internal leakage paths are obtained. The comparison of the three kinds of working state i.e. the supply by inner pump alone, the supply by outer pump alone and the supply by both inner and outer pumps, shows that the volumetric efficiency of the mentioned pumps decreases with the increasing load pressure. Under the same output pressure, the volumetric efficiency of inner pump working alone is the lowest, while the volumetric efficiency of outer pump working alone is the highest.

vane pump; double-stator; cam-rotor; leakage; volumetric efficiency

2016-02-17。 作者簡介:聞德生(1954—),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(50975246)。

時間:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609003

TH137.51

A

0253-987X(2016)09-0020-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160614.1718.008.html