重卡電動(dòng)泵吸油閥的改進(jìn)設(shè)計(jì)及仿真分析

楊 嚴(yán)， 葉小華,， 岑豫皖

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032； 2.液壓振動(dòng)與控制教育部工程研究中心， 安徽 馬鞍山 243032)

引言

液壓傳動(dòng)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中起著相當(dāng)重要的作用[1-3]，因其具有功率密度大、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在汽車、飛機(jī)、船舶等領(lǐng)域中[4-5]。其中重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用液壓傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了駕駛室的翻轉(zhuǎn)和舉升動(dòng)作，極大地方便了駕駛?cè)藛T查看、檢查駕駛室底部的狀況[6-7]。液壓泵作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力元件，是貨車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的核心部件， 提供帶有壓力的流體通過(guò)控制元件傳給液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件液壓舉升缸[8]，以確保貨車駕駛室能夠順利完成翻轉(zhuǎn)。電動(dòng)泵性能的優(yōu)劣常常會(huì)直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作可靠性[9-10]。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的電動(dòng)泵大多是偏心輪結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，但由于其吸油閥采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的球閥結(jié)構(gòu)，隨著柱塞高頻快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，球閥不能快速穩(wěn)定的啟閉，使得吸油閥的反沖流量過(guò)大，從而造成泵的容積效率較低，使駕駛室翻轉(zhuǎn)舉升的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響維修效率。為此，本研究提出滑錐閥結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案來(lái)對(duì)原吸油閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立吸油閥、電動(dòng)泵及其液壓翻轉(zhuǎn)舉升系統(tǒng)的AMESim仿真模型，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真分析，為高性能電動(dòng)泵的研究提供理論參考。

1 重卡電動(dòng)泵的工作原理

重卡電動(dòng)泵的液壓原理圖如圖1所示。由于偏心輪5和傳動(dòng)軸4之間存在偏心距，偏心輪5在直流電機(jī)傳動(dòng)軸4的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。在其前半個(gè)周期，偏心輪對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，使得柱塞向下運(yùn)動(dòng)；在后半個(gè)周期，柱塞在彈簧力的作用下又向上運(yùn)動(dòng)，這樣形成了柱塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.缸體 2.鎖合彈簧 3.托盤 4.傳動(dòng)軸 5.偏心輪 6.柱塞 7.壓油閥 8.吸油閥 9.油箱圖1 重卡電動(dòng)泵液壓原理圖

當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)柱塞腔內(nèi)的容積增大，壓力降低形成負(fù)壓，與此同時(shí)吸油閥在外界大氣壓的作用下打開，油箱中的油液進(jìn)入柱塞腔，完成吸油動(dòng)作，吸入低壓油，此過(guò)程排油閥關(guān)閉；當(dāng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)柱塞的容積減小，壓力升高，當(dāng)高于負(fù)載壓力時(shí)打開壓油閥，而此時(shí)吸油閥關(guān)閉，完成排油動(dòng)作，排出高壓油。

2 吸油閥建模

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，偏心輪結(jié)構(gòu)電動(dòng)泵的額定壓力為25 MPa，額定流量為8 L/min。在不改變偏心輪泵吸油閥塊(球閥)結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，將其設(shè)計(jì)為滑錐閥結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 滑錐結(jié)構(gòu)吸油閥模型圖

2.1 閥座孔徑ds的確定

根據(jù)閥座孔最大流速初步確定閥座孔徑：

(1)

其中：

(2)

將式(2)代入式(1)中得：

(3)

式中,ds—— 閥座孔徑，m

A—— 柱塞的橫截面積，m2

h—— 柱塞行程，m

d0—— 柱塞直徑，m

n—— 泵的轉(zhuǎn)速，r/min

v1max—— 錐閥入口處的最大流速，m/s

2.2 最大開啟高度hmax的確定

通過(guò)閥口的流量應(yīng)等于柱塞壓出的瞬時(shí)流量，由連續(xù)性方程知：

(4)

式中，d0—— 柱塞直徑，m

v—— 柱塞的運(yùn)動(dòng)速度，m/s

cq—— 配流閥閥口流量系數(shù)

v2—— 油液在閥口縫隙中的流速，m/s

Af—— 配流閥閥口的過(guò)流面積，m2

由于柱塞的運(yùn)動(dòng)速度和柱塞壓出的瞬時(shí)流量是變化的，而配流閥前后壓差變化不大，故閥口處平均流速變化很小，因此閥口的過(guò)流面積隨柱塞運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，故當(dāng)v=vmax時(shí)，Af=Afmax，h=hmax，由式(4)得：

(5)

由圖2所示的幾何關(guān)系可得：

(6)

對(duì)式(6)整理求得：

(7)

將式(5)代入式(7)可得：

(8)

式中,ds—— 閥座孔徑，m

d0—— 柱塞的直徑

vmax—— 柱塞的最大運(yùn)動(dòng)速度

α—— 配流閥閥芯錐角

cq—— 配流閥閥口流量系數(shù)

v2—— 油液在閥口縫隙中的流速

2.3 仿真模型

根據(jù)上述吸油閥數(shù)學(xué)模型，在AMESim中建立了錐閥仿真模型，如圖3所示。

1.油箱 2.錐閥元件 3.柱塞元件 4.質(zhì)量元件 5.彈簧元件圖3 錐閥仿真模型

3 仿真分析及結(jié)果

3.1 重卡電動(dòng)泵及液壓翻轉(zhuǎn)舉升系統(tǒng)建模

重卡電動(dòng)泵仿真模型主要由以下部分組成：凸輪部件、柱塞副、配流閥、液壓缸和外負(fù)載力等模型。在AMESim 中利用Hydraulic 標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)、HCD液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、Signal/Control信號(hào)控制庫(kù)和Mechanicl 機(jī)械庫(kù)搭建的重卡電動(dòng)泵舉升液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

3.2 結(jié)果分析

仿真參數(shù)如表1和表2所示，其仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。圖5為吸油閥流量特性曲線，圖中流量為正時(shí)，其曲線所包圍的面積代表電動(dòng)泵偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，從油箱吸入柱塞腔中的油液容積；而流量為負(fù)時(shí)，其曲線所包圍的面積，代表從柱塞腔倒排入油箱的油液容積(即其大小可用反沖流量與此時(shí)閥口開啟時(shí)間之乘積來(lái)表示)，二者之差實(shí)為電動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)一周所排出的有效油液容積。

表1 吸油閥主要仿真參數(shù)

圖4 重卡電動(dòng)泵及其液壓系統(tǒng)的仿真模型

表2 仿真參數(shù)

由圖5可知，實(shí)線曲線表示改進(jìn)前泵的流量特性，其一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)正、負(fù)流量曲線所包圍的面積之差卻不大，這說(shuō)明改進(jìn)前泵所排出的有效油液容積不大，其容積效率不高。圖中虛線則表示改進(jìn)后泵的流量特性，當(dāng)流量為正時(shí)，改進(jìn)后泵與改進(jìn)前泵的曲線幾乎重合，說(shuō)明二者具有相同的吸油能力；當(dāng)流量為負(fù)時(shí)，其反沖流量最大值較改進(jìn)前明顯減小，且油液反沖時(shí)其閥口開啟時(shí)間卻更短；一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)流量曲線所包圍的面積之差遠(yuǎn)大于改進(jìn)前的泵，這說(shuō)明改進(jìn)后的泵所排出的有效油液容積更大，容積效率明顯更高，且具有相同的吸油能力，說(shuō)明改進(jìn)方法正確有效。

圖5 吸油閥流量特性曲線

造成改進(jìn)前的泵容積效率不高的主要原因是：原吸油閥采用球閥結(jié)構(gòu)，閥芯為鋼球，由于鋼球加工誤差和液流力的作用極易產(chǎn)生鋼球的轉(zhuǎn)動(dòng)，延長(zhǎng)閥口關(guān)閉的時(shí)間和造成鎖閉不夠嚴(yán)實(shí)，結(jié)果導(dǎo)致泵的容積效率低下；而改進(jìn)后的吸油閥采用滑錐閥結(jié)構(gòu)，利用滑閥的導(dǎo)向性好和錐閥的密封性能優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)， 避免了閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了閥口鎖閉性能、降低了反沖流量最大值，縮短了存在反沖流量時(shí)閥口的開啟時(shí)間，有效地提高了泵的容積效率。

圖6為泵的出口壓力特性曲線，從圖6中可以看出，吸油閥改進(jìn)后的滑錐閥結(jié)構(gòu)電動(dòng)泵的壓力升高速率明顯快于原球閥結(jié)構(gòu)電動(dòng)泵，這說(shuō)明改進(jìn)后的電動(dòng)泵的容積效率更高，排出的油液平均流量更大，壓力升高更快。

圖6 泵的出口壓力特性曲線

圖7為液壓缸舉升速度曲線，由圖可知，改進(jìn)后的電動(dòng)泵所驅(qū)動(dòng)的液壓缸平均速度明顯高于改進(jìn)前原球閥結(jié)構(gòu)電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的液壓缸平均速度，這說(shuō)明改進(jìn)后的電動(dòng)泵排出的流量更大，容積效率更高。

圖7 液壓缸舉升速度曲線

4 結(jié)論

為了降低原重卡電動(dòng)泵的反沖流量和提高泵的容積效率，利用滑閥和錐閥的性能優(yōu)勢(shì)，提出了滑錐結(jié)構(gòu)的方法對(duì)原球閥結(jié)構(gòu)的吸油閥進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)。建立了重卡電動(dòng)泵及其液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型，且對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真研究，并與球閥結(jié)構(gòu)的電動(dòng)泵進(jìn)行了比較分析。分析結(jié)果表明，本研究所提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法是正確可行的，能顯著降低重卡電動(dòng)泵的反沖流量和有效提高泵的容積效率，可為高性能電動(dòng)泵的研究提供理論參考。