軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法

宮妍

摘要：液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中;而在現(xiàn)代液壓傳動(dòng)中，柱塞泵則是使用最廣的液壓動(dòng)力元件之一，按柱塞的排列方向的不同，柱塞泵又可以分為徑向柱塞泵和軸向柱塞泵兩大類。徑向柱塞泵徑向尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，泄漏較大且自吸能力差，限制了其轉(zhuǎn)速和工作壓力范圍;軸向柱塞泵由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，工作壓力高，容易實(shí)現(xiàn)變量等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，幾乎都采用軸向柱塞泵作為油源。在柱塞泵的工作過程中，當(dāng)內(nèi)部壓力較低時(shí)，易形成氣穴，產(chǎn)生大量氣泡，氣泡被帶到高壓區(qū)后，受到急劇的壓縮便會(huì)潰滅，產(chǎn)生壓力沖擊或微射流，對(duì)元件表面造成破壞，發(fā)生氣蝕。

關(guān)鍵詞：軸向柱塞泵;液壓回沖;控制;

對(duì)典型的軸向柱塞泵杭液壓配油沖擊的方法進(jìn)行了分析和研究，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，對(duì)軸向柱塞泵抗液壓配油沖擊新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究具有一定的參考價(jià)值。

一、液壓回沖現(xiàn)象的產(chǎn)生和不良影響

軸向柱塞泵的柱塞油缸在工作時(shí)不斷進(jìn)行高低壓配流轉(zhuǎn)換。充滿低壓油的柱塞油缸突然和排油腔接通時(shí)，缸中的油液瞬間被壓縮，會(huì)引起高壓油向缸中倒流，造成強(qiáng)烈的液壓沖擊和噪聲，同時(shí)也會(huì)使油泵排油量瞬間減小，流量均勻性變壞。同樣，充滿高壓油的柱塞油缸突然和吸油腔接通時(shí)，缸中的高壓油也會(huì)瞬間向低壓腔膨脹，釋放能量，產(chǎn)生液壓沖擊和噪聲。這兩種現(xiàn)象本文稱為液壓回沖現(xiàn)象。它們是決定泵的噪聲特性和工作平穩(wěn)性的基本因素之一。

二、定壓、定量軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法

控制液壓回沖的方法很多，其基本原理是對(duì)柱塞油缸的油液實(shí)現(xiàn)預(yù)升壓和預(yù)釋壓，使油缸中的油壓和待接通的油腔油壓相等時(shí)再接通，就沒有液壓沖擊了。對(duì)柱塞油缸中的油液實(shí)現(xiàn)預(yù)升、釋壓的基本方法有兩種：一種是將油缸進(jìn)行閉死壓縮或膨脹，使缸中的油液升壓或釋壓，另一種方法是通過阻尼槽向缸中慢慢引進(jìn)，引出高壓油，使缸中油壓慢慢向待接通的油腔油壓過渡。這兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用，現(xiàn)代軸向柱塞泵的抗噪聲配流盤中多半是兩種方法同時(shí)使用。近年來國外一些新產(chǎn)品中，對(duì)油缸的閉死壓縮量可隨工況調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，使抗噪聲效果更加理想，這是第一種方法的新發(fā)展。具有正遮蓋度的配流盤的過渡區(qū)中心線和斜盤上、下死點(diǎn)聯(lián)線位置重合的情況，在前 閉死角內(nèi)，缸中的油液處于閉死膨脹狀態(tài)，油壓低于吸油壓力，加激真空和氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，在后 閉死角內(nèi)，油液又重新被壓縮，恢復(fù)到吸油壓力，當(dāng)油缸突然和排油腔接通時(shí)，不僅存在巨大的沖擊壓差，而且還會(huì)因氣穴現(xiàn)象加激振動(dòng)和噪聲的強(qiáng)度。一般泵在2 0 0 k g f c/m“的壓力下工作，噪聲可達(dá)9 0分貝以上。

三、恒壓變量軸向柱塞泵利用斜盤具有固定的橫向傾角的方法來控制液壓回沖?φ/2

具有固定錯(cuò)配角的柱塞油缸的閉死壓縮、膨脹過程不能滿足變量泵的需要，因此諸如美國生產(chǎn)的丹尼遜型恒壓變量軸向柱塞泵P IV O7和P IV 0 9，便利用斜盤的橫向傾角對(duì)油缸的閉死壓縮、膨脹量進(jìn)行補(bǔ)償，使它為常數(shù)值。這樣，斜盤傾角調(diào)節(jié)時(shí)，柱塞油缸的閉死升、釋壓力仍接近于常數(shù)值;保證泵在變量調(diào)節(jié)時(shí)能消除液壓回沖現(xiàn)象。斜盤的調(diào)節(jié)軸與。x軸重合，繞o x軸的轉(zhuǎn)角為”稱縱向調(diào)節(jié)角;斜盤繞。y軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定傾角 稱為橫向傾角。斜盤相對(duì)平面x o y的實(shí)際傾角大于調(diào)節(jié)角y，以y1表示。斜盤平面和柱塞球頭中心所在平面相平行。柱塞球中心所在平面的方程為

（1）

柱塞中心線在x oy平面上的投影軌跡的參數(shù)方程為

（2）

代入上式得柱塞球頭中心的空間軌跡方程為

（3）

式中的 角為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，起始位置為o y軸，按右手定則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。求Z的極值點(diǎn)便得死點(diǎn)的相位角為

（4）

因?yàn)樾北P具有橫向傾角的泵，配流盤的過渡區(qū)中心線是對(duì)正于。y軸放置，死點(diǎn)距o y軸的相位角即為錯(cuò)配角切。，所以（4）式表示錯(cuò)配角隨斜盤的調(diào)節(jié)角近于成反比關(guān)系。斜盤的實(shí)際傾角丫;等于斜盤的法線0 n與o z軸的夾角，為

（5）

由上兩式還可以得到

（6）

（7）

將（5）至（7）式代入（3）式中得

（8）

由于錯(cuò)配角相對(duì)于配流盤的中心線的轉(zhuǎn)向必須和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，泵才能正常工作，也就是如圖1所示的橫向傾角的方向，轉(zhuǎn)子必須順時(shí)針旋轉(zhuǎn)才行。

圖1

以 代入（8）式中即得

（9）

這個(gè)式子與一般計(jì)算式相比，相位超前了一個(gè)錯(cuò)配角。由（8）式可進(jìn)一步得柱塞運(yùn)動(dòng)行程，速度，加速度的表達(dá)式。為減小液壓沖擊壓差，斜盤具有橫向傾角的軸向柱塞泵應(yīng)適當(dāng)增加A值，一般可采用空心柱塞或加長空心柱塞的方法來增加無效空間，也稱死容積。就丹尼遜型恒壓變量軸向柱塞泵來講，它的A值約為1.8 5，工作壓力為250 k g f/c m2，僅采用斜盤具有橫向傾角的方法便可使沖擊壓差的最大值小于5 8 k g f/cm2。這已是屬于中低壓范圍，不會(huì)造成顯著的液壓沖擊現(xiàn)象。該泵還同時(shí)在配流盤上開有減震槽，使實(shí)際的沖擊壓差最大值遠(yuǎn)小于此值。為了不使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加的脈沖載荷，減少原動(dòng)機(jī)的功率耗損，提高效率，特別是避免激發(fā)起機(jī)械振動(dòng)，柱塞油缸閉死升壓時(shí)最好不產(chǎn)生過大的超壓現(xiàn)象。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，額定的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)選擇的預(yù)升壓力可低于泵的額定壓力 。這樣柱塞油缸閉死升壓曲線左移。在排量較小時(shí)，油缸處于過升壓狀態(tài)。不論是欠升或過升壓力的最大數(shù)值都減小了一半.，對(duì)減小液壓沖擊是有利的。如果在配流盤上再開設(shè)減震槽，還可以將過升壓力繼續(xù)減小，使其接近于泵的恒壓調(diào)節(jié)曲線。因此，可以說斜盤帶有橫向傾角的抗沖機(jī)構(gòu)雖然在理論上不能絕對(duì)消除恒壓變量軸向柱塞泵的配流沖擊壓差，但數(shù)值是很小的，工程上近于可以忽略不計(jì)。

四、變壓狀態(tài)下工作的軸向柱塞泵可采用對(duì)錯(cuò)配角伺服補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ淞鳑_擊

對(duì)于連續(xù)或分級(jí)變壓的軸向柱塞泵，在額定壓力下設(shè)計(jì)成無配流沖擊，工作壓力改變后又會(huì)出現(xiàn)配流沖擊。工作壓力低于額定壓力時(shí)，油缸的預(yù)升壓力大于泵的工作壓力，出現(xiàn)液壓正沖現(xiàn)象，油缸的預(yù)釋壓力大于泵的工作壓力，出現(xiàn)真空和氣穴現(xiàn)象。其不良影響是眾所周知的。為了消除這種有害影響，國外研制出一種配流盤的轉(zhuǎn)角可根據(jù)泵的工作壓力進(jìn)行伺服補(bǔ)償?shù)妮S向柱塞泵。具體的方法是以泵的工作壓力為控制信號(hào)，經(jīng)伺服閥，伺服油缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)來控制配流盤的轉(zhuǎn)角。而柱塞油缸的預(yù)升、釋壓力與錯(cuò)配角的正弦成正比，這樣就可以使油缸的預(yù)升、釋壓力與泵的工作壓力自動(dòng)適應(yīng)，從而消除配流沖擊。如英國國立工程實(shí)驗(yàn)室和卡隆公司研制成功的N.E.L型低噪聲軸向柱塞泵便是根據(jù)這種原理工作的。不過這種泵因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，目前還沒有獲得廣泛的應(yīng)用。

五、排量恒定工作壓力可變的軸向柱塞泵可單獨(dú)采用減震槽（孔）來消除液壓配流沖擊

柱塞油缸閉死壓縮（膨脹）體積只與泵的幾何參數(shù)有關(guān)，不能適應(yīng)泵工作壓力的調(diào)節(jié)。采用伺服補(bǔ)償機(jī)構(gòu)又使泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增高。單獨(dú)采用減震槽可以近似地消除配流沖擊，并且能適應(yīng)工作壓力的變化。對(duì)于定量泵，設(shè)額定設(shè)計(jì)工況下通過減震槽流入油缸中的高壓油的體積占油缸預(yù)升壓所需油液壓縮總體積的比例為K：，只要泵的轉(zhuǎn)數(shù)，油溫，工作壓力不變，減震槽通油體積是不變的。泵的工作壓力改變時(shí)，通油體積也變化，一般形狀的減震孔、槽的流量是與壓力成正比的。

總之，只適應(yīng)于泵的一種功率調(diào)節(jié)曲線，如果泵的功率變化較大，仍無法完全適應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕李英，軸向柱塞泵液壓回沖的控制方法探討.2018.

〔2〕張翠平，淺談?shì)S向柱塞泵液壓回沖的控制方法.2018.