雙聯軸向柱塞泵配流盤優化與流量脈動特性的分析

張棟棟

摘要：當前，隨著我國機電工程技術水平的不斷提高，為了更好地降低新機械產品的開發成本，應進一步解決雙聯軸向柱塞泵存在的流量突變問題。基于此，本文就雙聯軸向柱塞泵配流盤的優化方案進行分析，并探討其流量脈動特性，同時對仿真實驗和驗證試驗的結果進行分析對比，以供參考。

關鍵詞：雙聯軸向柱塞泵;配流盤;流量脈動

引言：流量脈動在負載阻抗的作用下會轉化為壓力脈動并引起液壓元件的振動，產生噪聲，國內外研究人員和學者對柱塞泵配流盤進行了海量的研究，雖然顯著降低了流量脈動壓力，但降噪效果仍有待提升，應進一步以應用型挖掘機械地串聯雙泵為研究對象，改進配流盤結構。

1雙聯軸向柱塞泵配流盤優化方案

為了有效優化配流盤，本方案以選擇配流盤過渡區增設配錯角，使其縱軸與死點軸處于不重合狀態，并在排油過渡區設置三角阻尼槽，以實現預升壓，并在吸油過濾去設置U型阻尼槽進行預卸壓。在操作中發現，當柱塞腔脫離吸油槽時，柱塞腔的閉死壓縮階段會引起壓力正超調;當柱塞脫離排油槽時，在柱塞腔內的閉死膨脹階段會引起壓力負超調，并產生氣穴。考慮到這一因素，在配流盤優化中需要針對性解決這一難題。基于此應從數學模型和物理仿真模型入手，進一步優化雙聯軸向柱塞泵配流盤[1]。

1.1柱塞泵流體脈動數學模型

考慮到軸向柱塞泵是通過主軸來帶動2個缸體的旋轉，并構成串聯雙泵，且每個泵中都有9個柱塞。因此，柱塞在柱塞口孔內會受到柱塞腔油液壓力、缸體等元件作用和影響，進而改變流體狀態、流量及壓力。因而，需將柱塞外死點設置為初始位置，并進一步獲得柱塞軸向位移及速度的方程、柱塞腔容積變化率表達式。通過方程和表達式可知，配流盤的過流面積時期因柱塞腔壓力變化的主要因素，因此需要在合理設計配流盤的基礎上降低流體脈動。

1.2配流盤特性仿真物理模型

考慮到新配流盤結構優化，有三角槽、阻尼孔以及腰型流通槽組成過流面積會隨著柱塞腔以及配流盤接觸面積的變化而變化，需要以外死點為起點，對不同階段的柱塞腔和優化后的配流盤基礎面積進行重新計算。同時還要掌握不同階段的配流口流通面積變化特點。在第一階段，由于柱塞腔未與阻尼孔發生接觸，且柱塞腔未離開吸油槽;第二階段，柱塞腔脫離吸油槽，柱塞腔與三角減振操接觸;第三階段，柱塞腔進入排油腰型槽，并變為截面區域;第四階段，柱塞腔退出三角槽區域，配流口流通面積應減去部分三角減振槽的流通面積。

2流量脈動特性分析

2.1配流盤改進前后的綜合對比分析

在對比改進前后流量壓力脈動過程中，通過觀察單個柱塞腔內的壓力變化可以發現，經過改進后的配流盤明顯在排油過渡區出現的壓力沖擊現象得到了緩解，且在吸油過渡區雖然仍存在壓力沖擊現象，但對比原版配流盤沖擊壓力得到了顯著檢定，由此可以證明性配流盤能夠有效降低過渡區的壓力沖擊。在分析改進前泵出口流量時，截取2個周期，與改進后的泵出口流量進行對比，可以看出改進后的泵出口流量在過渡區產生的流量倒灌現象被明顯減弱，且流量脈動也更低于原配流盤由此可以表明新配流盤具有顯著降低流量脈動的功能特性。

2.2三角阻尼槽對流量脈動的影響分析

為了更好地對改進前后的配流盤流量和壓力進行真實的對比分析，同時進一步驗證新配流盤具備降低流體噪聲的特性，考慮到過渡區主要是通過設置三角阻尼槽來降低壓力沖擊，還需要相關技術人員對三角阻尼槽的整體結構進行科學優化配比，以確保能夠獲得最優的結構參數。

開口角與截面頂角是三角阻尼槽的重要參數，結合配流盤改進需要將三角阻尼槽開口角控制在14°-18°，將截面頂角控制在了80°-100°，選取不同指數的開口角與截面頂角進行流量脈動的仿真處理，可以發現在不同取值范圍下，隨著角度指數的增加，柱塞泵的流量變化有趨同的態勢，且當三角阻尼槽的開口角與截面頂角分別處于15°和85°時，柱塞泵流量的脈動幅值和脈動率最低。基于這組數據下的流量脈動特性，在新配流盤的三角阻尼槽設置中，為了確保流量脈動處于最小值，開口角應選擇15°，截面頂角為85°。

3仿真實驗及驗證結果對比

為了更精確地驗證新配流盤對流量動脈的影響，還需要借助液壓仿真軟件進一步建立恒功率變量雙泵模型，通過將原配流盤和新配流盤帶入到仿真模型中，更深層次地對比和分析二者對泵出口流量、壓力及動態特征[2]。

3.1仿真實驗

在仿真實驗中繼續以相同類型挖掘機的雙聯柱塞泵為研究對象，考慮到該挖掘機有2個主泵和1個先導泵，且每個主泵都有獨立的變量調節機制，包括變量調節缸、變量調節閥、恒功率調節器及2個測量彈簧等主要構成。其中，2個測量彈簧能夠實現雙曲線恒功率特性曲線。結合雙聯柱塞泵的物理結構和工作原理，以液壓元件設計庫中的元件分別構建單柱塞模型、主泵模型以及恒功率調節器等構件組成整泵模型，該模型共有9個柱塞，通過建第三部分的配流盤面積導入單個柱塞模型中，保證起始位置的設置合理性，并封裝成超級元件。將模擬負載壓力控制在0-30MPa的過程中，可以得到泵出口流量的壓力變化情況，由此證明雙聯柱塞泵能夠實現變量泵恒功率調節功能，且符合泵控制原理。

3.2驗證結果對比

為了確保上述仿真實驗模型的準確性，還要進行試驗測試結果與仿真實驗結果的分析對比。其中，在主油路的基礎上還加設了輔助油路，通過主油路完成對泵性能的整體測試，再由輔助油路對先導油路、冷卻過濾油路和輔助回油油路進行測試。該測試實驗的轉速控制在1500r/min，工作壓力20Mp，采樣頻率1000Hz，以此來分別測試泵出口流量和壓力情況。

在實驗數據結果與仿真實驗結果進行對比，可以發現泵出口壓力大于工作設置壓力，且形成這一情況的主要原因，與泵出口與壓力系統中的閥和彈簧有關。在數據整合分析中可以發現仿真結果和實驗測試結果的吻合性較好，可以說明柱塞泵模型具有較高的精度水平。此外，驗證結果和對比中發現，理論計算出的流量普遍比仿真及實驗測試的結果較大，產生這一情況的主要原因與泵地泄露有關，在這三者流量變化規律相同的前提下，可以確定仿真分析與實驗測試的結果吻合較好。

結語：綜上所述，應通過柱塞泵流體脈動數學模型和仿真物理模型的建立，進一步研究有效降低流體脈動壓力的配流盤優化方案，以確保有效避免配流過程中存在的閉死壓縮和膨脹階段。

參考文獻：

[1]張斌，程國贊，洪昊岑，等.基于SVR的軸向柱塞泵配流盤三角槽結構優化[J].吉林大學學報（工學版），2021，51（04）：1213-1221.

[2]宋宇寧，徐曉辰.雙卸荷槽式柱塞泵配流盤流場優化研究[J].機床與液壓，2020，48（03）：159-163.