數字閥配流低速大扭矩徑向柱塞泵性能分析

李 雙，楊 楠

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

當前，經濟發展的迅速使得環境問題愈發嚴峻，有限資源的開采不僅造成了能源逐漸短缺的現狀，同時也對環境帶來了一定污染。因此能源開發開采也逐漸轉向可再生自然能源方向，風力發電和海洋能發電等成為了當下的研究重點。但這些可再生自然能源都具有一定的不確定性，導致原動力轉換和發電設備的開發面臨重重困難。而液壓技術憑借著輸出功率大、控制實效性高、體積小等優勢，在風力發電等領域獲得了廣泛應用，但定量液壓泵多根據恒定高轉速驅動原理設計，面對風力發電存在的不確定性很難確保連續長時間運作。風能吸功泵是液壓型風力發電的關鍵構成，所以基于風能吸功泵的柱塞泵或將成為一個可行的研究方向。

1 風能吸功泵結構及原理分析

1.1 風能吸功泵結構

依照風能吸功泵的運作需要，風能吸功泵的液力端選擇數字閥配流的結構方式，動力端則以曲柄連桿結構為主，泵座中每排徑向設計4個雙作用泵缸，而且位置布設間距一致。曲軸選擇兩支乘三曲拐結構，三個曲柄等相位設計。從結構方面來看，風能吸功泵由連桿、十字頭、活塞桿、曲軸等構成，曲軸前后端則通過軸承支承安裝于泵座，連桿大頭利用擋環和曲軸連接，在曲軸和連桿大頭間具有軸瓦。十字頭兩側和連桿小頭以及活塞桿連接，十字頭具有傳遞活塞的效果。在風能系統泵動力端及液力端之間進行密封設計，活塞利用鎖緊螺母固定于活塞桿，在活塞桿運作過程中將雙作用泵缸分為吸油及排油兩個腔體，其中的液體流動通過配流閥來調控。

1.2 風能吸功泵運作原理

在工作瞬時曲柄連桿結構帶動活塞進行運動，雙作用泵缸無桿腔位置的油液會進行壓縮，壓縮過程中壓力也會不斷提高，排出閥打開且吸入閥壓緊，油液經過排出閥排出，并且有桿腔位置的腔體形成吸空。活塞運動方向變化過程中，無桿腔位置的排出閥關閉，轉變為吸油狀態，有桿腔位置的吸入閥關閉排出閥打開，進入排油狀態。這一系列過程中，數字配流閥都會在活塞頻繁運作過程中反復啟停，交替聯通和截斷活塞工作腔與進排管間的通道，實現風能吸功泵的吸進和排出[1]。

2 數字閥配流泵的原理與過程

2.1 數字閥配流泵原理分析

數字閥配流徑向柱塞泵的實現主要利用多個二位三通高速電磁開關閥與1個絕對值旋轉編碼器，從而形成一個配流系統，與液壓泵解耦股銜接。數字閥配流徑向柱塞泵在運作期間，與泵軸銜接的編碼器檢測泵軸的運作信息，之后將信息傳輸到控制器，控制器根據信息中標識的轉動方向、轉速等確定液壓泵柱塞的工作情況，進而對高速電磁開關閥進行控制。若泵軸逆時針旋轉角度不足于36°，那么居中的兩個二位三通高速電磁開關閥將會得電，與此同時和得電的兩個二位三通高速電磁開關閥對應的液壓泵柱塞腔開始排油，其他柱塞腔連通油箱，排油的兩個柱塞腔在協同作用之下，液壓泵開始向負載輸出流量。

2.2 數字閥配流泵配流過程

泵軸在完成一周運作后，柱塞在運動期間可能會存在上下死點。由下死點到上死點的過程中，柱塞腔會進行排油，反之則為吸油。液壓泵結構中臨近的柱塞間角度為72°，所以柱塞轉角角度便是72°以內，若泵軸轉角為0°，那么對應的柱塞腔會處于死點位置[2]。

3 風能吸功泵配流閥動態響應特性

風能系統泵可以設計為容積式往復泵，配流閥作為泵的關鍵構成，配流閥的運作響應也會對其流量情況起到一定作用。對此需要結合風能吸功泵配流閥的具體運作情況建立仿真模型，對其影響因素進行分析。

3.1 配流閥數學模型及假設條件

在預期條件下，活塞運動期間，方向轉變的同一時間排出閥會馬上關閉并且開啟吸入閥，相比于活塞運動來說是同步實現的。但在實踐中卻很難實現同步運作的目標，配流閥的運動規律可能會被活塞腔中的壓力和配流閥荷載影響，使得配流閥停啟存在一定的延遲，往往需要在活塞運動方向轉變后一小段時間后才能發生動作。同時導致活塞腔中壓力及配流閥荷載變化的因素較多，比如油液中的含氣量和活塞密封度等都可能會成為主要因素。

在風能吸功泵配流閥運動過程中難以考慮到所有因素，在建立配流閥數學模型時需要確定以下幾項假定條件：（1）滿足流體連續性條件時，可以暫定油液含氣量不足以影響開啟閥和吸入閥的運作，而且活塞密封位置與泵閥關閉過程中不存在泄漏，油液也不會和活塞脫離；（2）忽略閥芯運作過程中存在的摩擦力；（3）忽略泵缸與活塞的變形情況。

因為配流閥中的排出閥及吸入閥在動態響應特性方面一致，所以不需要對無桿腔位置的排出因素進行分析。在配流閥的數學建模方面，主要方向便是將配流閥口作為分界點，將配流閥中的流場劃分上下兩個結構，這兩個結構都具有不同的流態及靜壓力，若閥芯在液壓作用下升起，那么液體會進入管道內部，經過閥芯的表面時，其值會跟隨閥芯的運動而發生改變。

3.2 配流閥仿真模型

MATLAB/Simulink模塊可以對非線性的變化進行模擬，讓Simulink變為一種動態仿真的有效輔助工具，可以用其建立風能吸功泵配流閥的仿真模型。

3.2.1 仿真模型的構建

根據配流閥的數學模型，通過Matlab/Simulink平臺來建立動態系統的仿真模型，仿真期間需要在Matlab的有關文件中錄入風能吸功泵配流閥的動態響應參數，之后發送仿真模型的輸入信號。同時還需要在仿真精度方面采取ode45算法，之后點擊Run便可以實現仿真。在完成仿真模型的構建后，在示波器中提出配流閥位移及閥口流量的變量情況，制作動態曲線圖，調整配流閥參數后能夠得出各參數條件下的曲線圖。

3.2.2 仿真結果

在曲柄轉角旋轉角度達到180°時，活塞運動的方向就會出現變化，這時候配流閥未能及時開啟，相較于活塞運動大概滯后8°左右。而曲柄轉角達到360°的情況下，活塞運動方向轉變但配流閥卻沒有及時關閉，相較于活塞滯后大概7°左右。配流閥相較于活塞運動動作滯后的成因可能因為液體流動在壓力的影響下壓縮性提高，也可能因配流閥為被動壓力敏感法，驅動力來源便是兩側存在的壓力差，所以閥芯位置的彈簧系統滯后現象較為明顯，只有閥芯兩側壓力差高于開啟壓力且達到一定程度的情況下才會打開。開啟滯后角高于關閉主要由于在閥芯開啟時，活塞腔中的油液被壓力影響，同時閥芯彈簧系統本身也具有滯后性，而關閉時則不受活塞腔中的油液壓力因素影響。

配流閥滯后可能會對罰扣流量帶來影響，所以也決定了風能吸功泵的出口流量，所以需要針對不同的影響因素以及動態響應性能進行分析，降低配流閥在運行期間存在的滯后效果，加強配流閥的流通效果[3-4]。

4 結語

數字配流徑向柱塞恒流泵在風力發電中已經獲得了較為普遍的應用，吸收能量后可以轉變為恒定流量輸出到負載，但風能吸功泵的設計需要考慮的因素較多，也涉及了多個學科和領域的專業知識，對此仍然具有較大的研究空間。但隨著數字閥配流低速大扭矩徑向柱塞泵的不斷研究，相應的技術也將會越來越成熟，風力發電和潮汐發電也會創造出更高的經濟和生態效益。