新型十字?jǐn)[盤驅(qū)動(dòng)式水液壓軸向柱塞泵閥配流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小龍， 崔 凱， 郭志敏， 張軍輝， 張華揚(yáng)， 岳藝明

(1.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027； 2.林德液壓(中國(guó))有限公司， 山東 濰坊 261061； 3.杭州綠聚科技有限公司 設(shè)計(jì)部， 浙江 杭州 310013)

引言

水壓柱塞泵是水壓傳動(dòng)的核心元件。目前水壓柱塞泵的開發(fā)仍類比傳統(tǒng)油壓柱塞泵[1]，通過(guò)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸液、排液動(dòng)作。新型十字?jǐn)[盤驅(qū)動(dòng)式水液壓軸向柱塞泵的工作介質(zhì)及工作參數(shù)決定了其配流系統(tǒng)需采用密封性好、抗污染能力強(qiáng)、對(duì)水介質(zhì)適應(yīng)性好的閥配流結(jié)構(gòu)[2]。然而，配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞直徑及速度不匹配會(huì)導(dǎo)致配流閥吸入不足、閥芯運(yùn)動(dòng)滯后、泵容積效率低等問(wèn)題[3]。

近年來(lái)，研究人員對(duì)不同結(jié)構(gòu)水壓柱塞泵下的配流閥開展了試驗(yàn)及仿真優(yōu)化研究。胡國(guó)慶等[3]建立了新型三柱塞海水柱塞泵的錐閥配流閥系統(tǒng)的AMESim仿真模型，分析配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其容積效率的影響；韋春輝等[4]建立了超高壓海水泵的球閥配流閥的AMESim仿真模型，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的配流閥系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析；黃國(guó)勤等[5]建立了水壓柱塞泵的平板閥配流閥的AMESim-MATLAB聯(lián)合仿真模型，分析了無(wú)導(dǎo)桿平板閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)配流閥滯后性能的影響；賀曉峰等[6]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了配流閥的結(jié)構(gòu)形式、材料對(duì)水壓泵容積效率的影響。雖然目前還沒有針對(duì)新型泵配流系統(tǒng)的研究分析，但上述的試驗(yàn)研究為新型泵配流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供了有益的參考。

本研究以額定壓力25 MPa、排量180 mL/r、額定轉(zhuǎn)速750 r/min的新型十字?jǐn)[盤驅(qū)動(dòng)式水液壓軸向柱塞泵的配流系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合該新型泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立ADMAS-AMESim聯(lián)合仿真模型，對(duì)新型泵的配流系統(tǒng)進(jìn)行液固耦合分析，比較不同配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵容積效率的影響，并對(duì)其配流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 新型十字?jǐn)[盤軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)原理

傳統(tǒng)斜盤式軸向柱塞泵的滑靴受到的斜盤反力可以分解為柱塞的軸向力和徑向力。軸向力驅(qū)動(dòng)柱塞克服液壓力運(yùn)動(dòng)，而徑向力使得柱塞受到彎矩作用，柱塞與柱塞孔之間產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力[7]，并且水的潤(rùn)滑性能較差，因此該徑向力會(huì)加劇柱塞的磨損。新型泵十字?jǐn)[盤結(jié)構(gòu)中的內(nèi)擺圈和外擺圈削弱了柱塞受到的徑向力 ，因此十字?jǐn)[盤結(jié)構(gòu)對(duì)提高新型泵的可靠性和使用壽命具有重要意義。

1.主軸 2.內(nèi)擺圈 3.外擺圈 4.外擺圈支座 5.柱塞 6.滑靴擺盤圖1 新型柱塞泵十字?jǐn)[盤結(jié)構(gòu)示意圖

新型泵共有10個(gè)柱塞，每個(gè)柱塞腔連接1個(gè)吸液閥和1個(gè)排液閥，且吸液閥與排液閥結(jié)構(gòu)相似。吸液閥和排液閥均為外流式的單向閥，閥座口為錐形、閥芯面為球面，閥芯球面與閥座口錐面相切以實(shí)現(xiàn)密封，如圖2所示。球面與錐面的密封形式可以避免由于閥芯與閥座孔不同心導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題。

1.閥體 2.閥芯 3.圓錐螺旋彈簧 4.擋圈圖2 配流閥尺寸參數(shù)示意圖

2 聯(lián)合仿真分析

2.1 ADAMS-AMESim聯(lián)合仿真模型

配流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣， 而配流閥的動(dòng)態(tài)性能又直接影響泵的容積效率[8]。因此，為了分析在新型泵的額定轉(zhuǎn)速下其配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型泵容積效率的影響，建立了ADAMS-AMESim固液聯(lián)合仿真模型。

圖3 AMESim中固液聯(lián)合仿真模型

首先，在SolidWorks中建立新型泵的三維模型，通過(guò)Motion插件的COSMOSMotion接口生成包含約束信息的.adm文件并導(dǎo)入ADAMS，添加驅(qū)動(dòng)和作用力，建立新型泵的動(dòng)力學(xué)模型。然后，在AMESim中利用液壓元件庫(kù)搭建新型泵配流系統(tǒng)的液壓仿真模型。最后，將基于FMI 2.0(Functional Mock-up Interface)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生成包含ADAMS積分求解器的FMU(Functional Mock-up Units)模型組件[9]導(dǎo)入AMESim，以AMESim作為主控制器建立協(xié)同聯(lián)合仿真模型，如圖3所示。

AMESim與ADAMS FMU模型組件數(shù)據(jù)交換方式如圖4所示。AMESim根據(jù)ADAMS FMU輸出的柱塞速度和位移對(duì)配流系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，同時(shí)將柱塞受到的液壓力傳遞給ADAMS。

圖4 AMESim中單柱塞配流閥模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

新型泵10個(gè)柱塞的直徑為22 mm，主軸轉(zhuǎn)速為750 r/min，泵工作壓力25 MPa，吸液口壓力0.08 MPa，配流閥閥座錐角45°，柱塞副間隙0.01 mm，滑靴副間隙0.01 mm，斜盤傾角25°，柱塞孔分布圓直徑110 mm，柱塞球鉸分布圓直徑115.4 mm，工作介質(zhì)為純水，ADAMS仿真步長(zhǎng)0.0004 s，數(shù)據(jù)交換頻率5000 Hz，AMESim數(shù)據(jù)點(diǎn)打印間隔0.0004 s，配流閥的主要參數(shù)初始設(shè)置如表1所示。

表1 AMESim配流閥系統(tǒng)主要參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

1) 彈簧剛度的影響

排液閥和吸液閥彈簧剛度分別取0.05， 0.5， 5， 10， 20 N/mm，彈簧剛度與容積效率的關(guān)系如圖5所示，增大排液閥、吸液閥彈簧剛度可提高泵的容積效率。排液閥彈簧剛度從0.05 N/mm增大到5 N/mm時(shí)，泵的容積效率增加了0.164%，從5 N/mm增加到20 N/mm時(shí)，泵的容積效率增加了0.024%。

(4)獨(dú)立于耐用品的壽命，在以穩(wěn)定增長(zhǎng)為目標(biāo)的貨幣政策下，相對(duì)其他盯住目標(biāo)而言，如果貨幣政策機(jī)制選擇盯住產(chǎn)出缺口，其所引致的社會(huì)福利損失最高。這一發(fā)現(xiàn)與Chen et al.[10]是一致的。類似的，選擇盯住非耐用品通脹的貨幣政策所引致的社會(huì)福利損失低于以產(chǎn)出缺口為目標(biāo)的貨幣政策；

圖5 彈簧剛度與容積效率的關(guān)系

吸液閥的彈簧剛度從0.05 N/mm增大到5 N/mm時(shí)，泵的容積效率增加了0.281%，從5 N/mm增加到20 N/mm時(shí)，容積效率增加了0.055%。因此，在一定范圍內(nèi)，增大排液閥和吸液閥復(fù)位彈簧剛度均能提高泵的容積效率，當(dāng)彈簧剛度超過(guò)5 N/mm時(shí)，泵的容積效率的增速隨彈簧剛度的增加速度變慢。

對(duì)于排液閥，一方面排液閥彈簧剛度的增加，使得柱塞腔從排液轉(zhuǎn)為吸液時(shí)，排液閥閥芯關(guān)閉滯后時(shí)間縮短，進(jìn)而使得液體從排液閥回流量減小。如圖6所示，在0.13 s附近，由于排液閥關(guān)閉滯后，存在回流現(xiàn)象，且排液閥彈簧剛度為10 N/mm時(shí)，液體回流最少。此外，排液閥閥芯關(guān)閉滯后時(shí)間縮短會(huì)使柱塞腔處于高壓的時(shí)間減少，柱塞腔的泄漏量減少，如圖7所示，在0.13 s附近，當(dāng)排液閥彈簧剛度為10 N/mm時(shí)，柱塞腔在高壓狀態(tài)下的泄漏時(shí)間短，泄漏量小。

圖6 排液閥彈簧剛度與排液閥流量的關(guān)系

另一方面排液閥彈簧剛度的增加使得排液閥開啟壓力與柱塞腔壓力增加，從而加劇柱塞副、柱塞阻尼孔、吸液閥的泄漏，如圖7所示，在0.11 s時(shí)，彈簧剛度為10 N/mm時(shí)，柱塞腔的泄漏量最大。因此，排液閥關(guān)閉滯后時(shí)間縮短有利于容積效率的提高，而開啟壓力增加將使容積效率減小。當(dāng)排液閥彈簧剛度在0.05～20 N/mm范圍內(nèi)增大時(shí)，排液閥關(guān)閉滯后時(shí)間縮短對(duì)容積效率的影響大于開啟壓力增加帶來(lái)的影響，致使泵的容積效率增加。

圖7 排液閥彈簧剛度與柱塞腔泄漏量的關(guān)系

對(duì)于吸液閥，其彈簧剛度在0.05～20 N/mm之間變化時(shí)，彈簧剛度不足以使柱塞腔因閥芯開啟困難而吸液不足，隨著吸液閥彈簧剛度的增加，吸液閥關(guān)閉滯后時(shí)間縮短，當(dāng)柱塞腔由吸液轉(zhuǎn)為排液時(shí)，吸液閥回流量時(shí)間縮短，泵的容積效率增加。如圖8所示，在0.09 s時(shí)，不同彈簧剛度下，吸液閥閥芯關(guān)閉時(shí)間不同，且當(dāng)吸液閥彈簧剛度為0.05 N/mm時(shí)，吸液閥關(guān)閉滯后最嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)配流系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)增加閥芯復(fù)位彈簧剛度，尤其是吸液閥的彈簧剛度，以提高的泵容積效率。

圖8 吸液閥閥芯位移與吸液閥彈簧剛度的關(guān)系

2) 閥芯質(zhì)量的影響

吸液閥閥芯質(zhì)量分別取2, 8, 14, 19, 30 g；排液閥閥芯質(zhì)量分別取1, 6.5, 10, 15, 20 g，閥芯質(zhì)量與容積效率的關(guān)系如圖9所示。隨著吸液閥閥芯質(zhì)量由2 g增加到30 g，泵的容積效率下降了0.194%，隨著排液閥閥芯質(zhì)量從1 g增加到20 g，泵的容積效率下降了0.135%。隨著吸液閥閥芯質(zhì)量的增加，閥芯慣性增加，柱塞腔由吸液轉(zhuǎn)為排液時(shí)，吸液閥閥芯響應(yīng)延遲增加，造成泵的容積效率下降。隨著排液閥閥芯質(zhì)量的增加，排液閥開啟和關(guān)閉滯后時(shí)間增加，進(jìn)而造成泵容積效率下降。

圖9 閥芯質(zhì)量與容積效率的關(guān)系

因此，在設(shè)計(jì)閥芯結(jié)構(gòu)和選材時(shí)，應(yīng)盡量減少配流閥閥芯質(zhì)量。

3) 彈簧預(yù)緊力的影響

排液閥彈簧預(yù)緊力分別取0.5, 1.5, 5, 10, 20 N，吸液閥彈簧預(yù)緊力分別取0.5, 3, 8, 13, 20 N，彈簧預(yù)緊力與容積效率的關(guān)系如圖10所示。

圖10 彈簧預(yù)緊力與容積效率的關(guān)系

排液閥預(yù)緊力增加會(huì)使排液閥開啟滯后增大、關(guān)閉滯后減小。當(dāng)排液閥彈簧預(yù)緊力從0.5 N增加至5 N時(shí)，泵的容積效率增加了0.32%；從5 N增加到20 N時(shí)，容積效率僅增加了0.042%，排液閥彈簧預(yù)緊力在0.5～5 N時(shí)的容積效率增益大于5～20 N時(shí)的增益。吸液閥彈簧預(yù)緊力的增加會(huì)使吸液閥關(guān)閉滯后減小，當(dāng)吸液閥彈簧預(yù)緊力從0.5 N增加3 N時(shí)，泵的容積效率增加了1.398%；從3 N增加到20 N時(shí)，容積效率增加了0.235%，吸液閥彈簧預(yù)緊力在0.5～8 N時(shí)的容積效率增益大于8～20 N時(shí)的增益。

因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中適當(dāng)提高復(fù)位彈簧的預(yù)緊力有利于增加泵的容積效率。但是當(dāng)彈簧預(yù)緊力超過(guò)5 N 時(shí)，容積效率的增益逐漸減小。

4) 閥芯球面直徑的影響

排液閥閥芯球面直徑分別取17.6, 18.0, 19.0, 20.0 mm，進(jìn)液閥閥芯球面直徑分別取29.2, 30.0, 31.0, 32.0 mm，閥芯球面半徑與容積效率的關(guān)系如圖11、圖12所示。排液閥閥芯球面直徑從17.6 mm增加到20 mm 時(shí)，泵的容積效率減少了0.05%；而當(dāng)吸液閥閥芯球面直徑從29.2 mm增加到32 mm時(shí)，泵的容積效率減少了0.46%。

圖11 排液閥閥芯球面直徑與容積效率的關(guān)系

圖12 吸液閥閥芯球面直徑與容積效率的關(guān)系

閥芯球面直徑增大，會(huì)使閥芯球面與閥座錐面的密封環(huán)線直徑增大，即閥芯上下兩腔液壓作用面積增大、閥口過(guò)流截面面積增大。因此，隨著排液閥閥芯球面直徑的增大，排液閥閥芯開啟過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度變緩，關(guān)閉過(guò)程滯后增大，進(jìn)而導(dǎo)致泵的容積效率減小。隨著吸液閥閥芯球面直徑的增大，排液閥開啟過(guò)程閥芯速度變慢；吸液閥開啟過(guò)程的前半段閥芯速度變慢，關(guān)閉過(guò)程滯后增加，因此泵的容積效率逐漸下降。因此，在設(shè)計(jì)配流閥閥芯時(shí)，其閥芯球面直徑應(yīng)在滿足密封的條件下選取較小值。

3 優(yōu)化實(shí)例

結(jié)合前述仿真分析，對(duì)配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)為：吸液閥彈簧剛度取4 N/mm，預(yù)緊力取3 N，閥芯質(zhì)量取3 g，閥芯球面直徑取29 mm。排液閥彈簧剛度取6 N/mm，預(yù)緊力取1.5 N，閥芯質(zhì)量取 1 g，閥芯球面直徑取17.6 mm。優(yōu)化后泵的容積效率為95.578%，比優(yōu)化前增加了0.816%，平均流量增加1.13 L/min。

4 結(jié)論

本研究基于ADAMS-AMESim聯(lián)合仿真模型，對(duì)新型十字?jǐn)[盤驅(qū)動(dòng)式水液壓軸向柱塞泵的配流系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，討論了排液閥和吸液閥的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵容積效率的影響，結(jié)論如下：

(1) 泵的容積效率隨著排液閥、吸液閥彈簧剛度、預(yù)緊力的增加而增加，隨著閥芯質(zhì)量和閥芯球面直徑的增加而減小。當(dāng)排液閥、吸液閥的彈簧剛度和預(yù)緊力增加到一定值之后，泵容積效率的增益趨于0。

(2) 吸液閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)泵的容積效率的影響大于排液閥。