平衡式兩排軸向柱塞泵變量機(jī)構(gòu)特性分析

鄧海順　黃坤　王傳禮　李剛

摘要：由于平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤具有多個(gè)斜面而變量困難，比較適合被用于定量供液的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，成為制約平衡式兩排軸向柱塞泵拓寬應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過分析軸向柱塞泵各種變量方式的優(yōu)缺點(diǎn)，指出對(duì)平衡式兩排軸向柱塞泵而言，改變斜盤與配流盤間的相位角實(shí)現(xiàn)變量可行性較高。以旋轉(zhuǎn)配流盤為例，建立了平衡式兩排軸向柱塞泵變量機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩方程，并研究了其對(duì)泵流量脈動(dòng)的影響，結(jié)果表明：斜盤雙側(cè)受脈動(dòng)壓力，旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩小；隨著斜盤與配流盤相位角的增大，其流量脈動(dòng)增大，但由于平衡式兩排軸向柱塞泵內(nèi)外瞬態(tài)流量的疊加，可使該缺陷得到一定程度的彌補(bǔ)。

關(guān)鍵詞：平衡式兩排軸向柱塞泵；變量；斜盤；驅(qū)動(dòng)力矩；流量脈動(dòng)

中圖分類號(hào)：THl37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2016）04-0042-05

平衡式兩排軸向柱塞泵是一種新型軸向柱塞泵，除具備普通軸向柱塞泵的特點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向液壓力平衡、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤具有多個(gè)斜面而變量困難，比較適合被用于定量供液的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，成為制約平衡式兩排軸向柱塞泵拓寬應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，有必要分析軸向柱塞泵各種變量方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出其與平衡式兩排軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)的契合度，最終選定平衡式兩排軸向柱塞泵變量方式，并對(duì)該變量結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確立該變量機(jī)構(gòu)的基本特性。

1.變量方式可行性分析

（1）改變斜盤多斜面的角度

改變斜盤傾角是一種最常用、同時(shí)也是成熟度最高的變量方式，可在零流量到最大流量之間無極調(diào)節(jié)，變量范圍大。增加適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種變量模式，如恒功率、恒壓、功率適應(yīng)等控制策略。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)斜盤所需的力和力矩較大，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。

將該變量方式應(yīng)用于平衡式兩排軸向柱塞泵，存在如下兩種實(shí)現(xiàn)方式：第一，將斜盤多斜面作為一個(gè)零件（圖1a），變量時(shí)一個(gè)斜面傾角減小，另一個(gè)斜面傾角變大，即內(nèi)排、外排排量變化的方向總是相反的。要實(shí)現(xiàn)變量，必須使內(nèi)排、外排的排量變化率不一樣。內(nèi)排、外排排量的變化方向相反也減小了變量的范圍，同時(shí)也不利于有效控制軸向液壓力的平衡。第二，將斜盤多斜面的結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)斜盤相互嵌套結(jié)構(gòu)（圖1b），分別用單獨(dú)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，該結(jié)構(gòu)有利于變量范圍的擴(kuò)大和軸向液壓力的平衡，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度較大。

上述兩種變量方式都極易導(dǎo)致斜盤斜面、內(nèi)排、外排滑靴副等零部件之間的互相干涉，設(shè)計(jì)難度大，甚至難以得到合適的零部件結(jié)構(gòu)和尺寸。

（2）改變柱塞有效行程

實(shí)質(zhì)上，改變斜盤傾角也是間接的改變柱塞中缸體柱塞孔中的往復(fù)行程。將缸體嵌套在一個(gè)缸筒中，通過軸向移動(dòng)改變缸體孔與缸筒泄漏孔的配合位置，使柱塞的一部分行程排油直接排入泵體內(nèi)后，再泄漏出泵體，即形成局部空行程，從而減小液壓油的排出量。這種變量方式的優(yōu)點(diǎn)是不改變軸向柱塞泵主體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)缸筒的力較小，響應(yīng)快。缺點(diǎn)是增加了缸體的加工難度，增加了泵整機(jī)尺寸。

將此種變量方式應(yīng)用于平衡式兩排軸向柱塞泵難度較大。首先該變量方式增加一個(gè)缸體與缸筒配合的摩擦副，增加了缸體的加工難度。其次，該變量要求在缸體的徑向加工泄漏孔與缸筒泄漏孔相配合，對(duì)雙排柱塞而言，難以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

（3）配流盤與斜盤錯(cuò)位采用配流盤和斜盤斜面的相互錯(cuò)位閘掉部分液壓油，這種方式對(duì)采用端面配流的液壓泵都是一個(gè)可采用的變量方式。對(duì)軸向柱塞泵可有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是旋轉(zhuǎn)斜盤，二是選擇配流盤。這種變量方式的優(yōu)點(diǎn)是：不改變軸向柱塞泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)泵的加工工藝及性能不產(chǎn)生額外要求，且斜盤或配流盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。缺點(diǎn)是易導(dǎo)致其封油角的增大，將增大軸向柱塞泵的振動(dòng)和噪聲。

將該種變量方式應(yīng)用于平衡式兩排軸向柱塞泵，相對(duì)于前述改變斜盤傾角和柱塞的有效行程而言，不需要改變平衡式兩排軸向柱塞泵本身就相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，相比較而言是一種較為適合平衡式兩排軸向柱塞泵的變量方式。

2.力學(xué)特性

為進(jìn)一步研究平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤與配流盤錯(cuò)位變量機(jī)構(gòu)的特性，有必要對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析。其變量方式為選擇斜盤旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

該變量機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)主要克服三個(gè)接觸面的摩擦力矩以及自身重量而形成的慣性力矩，三個(gè)摩擦力矩分別指的是滑靴副與斜盤表面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成的摩擦力矩、斜盤端面與泵體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成的摩擦力矩以及斜盤孔與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成的摩擦力矩，分述如下。

斜盤孔與傳動(dòng)軸之間的摩擦力矩主要與斜盤的軸向液壓力相關(guān)，對(duì)于普通軸向柱塞泵，斜盤單側(cè)存在軸向液壓力，使斜盤孔與傳動(dòng)軸之間存在單側(cè)卡緊現(xiàn)象；對(duì)于平衡式兩排軸向柱塞泵而言，由于雙側(cè)存在軸向液壓力，如式（4）所示，且雙側(cè)液壓力均存在一定的脈動(dòng)性（處于高壓區(qū)的柱塞數(shù)m_i會(huì)變化，且高壓區(qū)的壓力p也存在一定程度的波動(dòng)），有利于防止斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被卡緊，使該摩擦力矩大大降低，其計(jì)算公式可按環(huán)形縫隙進(jìn)行處理，可得

（2）慣性力矩平衡式兩排軸向柱塞泵斜盤存在一定的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生慣性力矩，可表達(dá)如下

由式（8）可知：不同于普通軸向柱塞泵轉(zhuǎn)動(dòng)斜盤需克服高壓油液的壓力，只能采用液壓力驅(qū)動(dòng)或在泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)，平衡式雙排軸向柱塞泵推動(dòng)斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)的合力矩主要為摩擦力矩，相當(dāng)高壓油液壓力乘以摩擦系數(shù)，其力的大小減小為實(shí)際大小百分之幾。若在泵體與斜盤接觸面采用推力軸承，在斜盤與傳動(dòng)軸之間采用角接觸軸承，將斜盤的滑動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸承滾子的滾動(dòng)，可進(jìn)一步降低斜盤的驅(qū)動(dòng)力矩，能在泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)斜盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可利用外負(fù)載形成的反饋液壓力進(jìn)行恒壓、恒功率或恒功率控制，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將大大優(yōu)于普通軸向柱塞泵。

3.流量脈動(dòng)

改變斜盤與配流盤相位角變量方式的缺陷是形成較大的封油角，導(dǎo)致壓力和流量脈動(dòng)加劇，產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。故有必要研究該變量機(jī)構(gòu)對(duì)平衡式兩排軸向柱塞泵瞬態(tài)流量的影響。

設(shè)置平衡式兩排軸向柱塞泵內(nèi)排、外排的平均流量相等，即K₁=K₁，考慮斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響對(duì)其瞬態(tài)流量進(jìn)行仿真，可得瞬態(tài)流量曲線如圖4和圖5。

圖4為斜盤旋轉(zhuǎn)角分別為0°、5°、10°和15°時(shí)，平衡式兩排軸向柱塞泵總的瞬態(tài)流量隨缸體轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。由圖4可見，隨著斜盤旋轉(zhuǎn)角度的增大，平衡式兩排軸向柱塞泵的瞬態(tài)流量曲線向下移動(dòng)，平均流量不斷減小，從而實(shí)現(xiàn)了變量，但同時(shí)其瞬態(tài)流量曲線的脈動(dòng)也相應(yīng)加劇。由此可見，改變斜盤與配流盤相位角變量是以增大閉死角而引發(fā)更大的流量脈動(dòng)為基礎(chǔ)的。

圖5為平衡式兩排軸向柱塞泵內(nèi)排、外排和總的瞬態(tài)流量隨缸體轉(zhuǎn)角變化的曲線圖，且斜盤相對(duì)配流盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度均為5°。由圖5可見，由于斜盤和配流盤的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使平衡式兩排軸向泵內(nèi)排、外排的瞬態(tài)流量每個(gè)周期中均產(chǎn)生了一個(gè)突變（單獨(dú)內(nèi)排或外排類似一個(gè)普通軸向柱塞泵）。但平衡式雙排軸向柱塞泵總的瞬態(tài)流量由于內(nèi)、外排瞬態(tài)流量的疊加，其突變值變小為內(nèi)排或外排突變值的一半，即為普通軸向柱塞泵的一半，從而緩解了流量突變而形成的振動(dòng)和噪聲。

4.小結(jié)

在分析了傳統(tǒng)軸向柱塞泵三種變量方式的基礎(chǔ)上，確定改變斜盤與配流盤相位角的變量方式較適合平衡式兩排軸向柱塞泵。并以旋轉(zhuǎn)斜盤為例，進(jìn)一步分析了該變量方式的力學(xué)特性及其對(duì)平衡式兩排軸向柱塞泵流量脈動(dòng)的影響。最終指出，該變量方式驅(qū)動(dòng)斜盤所需力較小，斜盤兩側(cè)承受的脈動(dòng)壓力能有效避免斜盤卡緊。隨著斜盤轉(zhuǎn)角的增大，流量脈動(dòng)加劇，這一缺陷也可由平衡式兩排軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)有所緩解。