双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性的分析

张栋栋

摘要：当前，随着我国机电工程技术水平的不断提高，为了更好地降低新机械产品的开发成本，应进一步解决双联轴向柱塞泵存在的流量突变问题。基于此，本文就双联轴向柱塞泵配流盘的优化方案进行分析，并探讨其流量脉动特性，同时对仿真实验和验证试验的结果进行分析对比，以供参考。

关键词：双联轴向柱塞泵;配流盘;流量脉动

引言：流量脉动在负载阻抗的作用下会转化为压力脉动并引起液压元件的振动，产生噪声，国内外研究人员和学者对柱塞泵配流盘进行了海量的研究，虽然显著降低了流量脉动压力，但降噪效果仍有待提升，应进一步以应用型挖掘机械地串联双泵为研究对象，改进配流盘结构。

1双联轴向柱塞泵配流盘优化方案

为了有效优化配流盘，本方案以选择配流盘过渡区增设配错角，使其纵轴与死点轴处于不重合状态，并在排油过渡区设置三角阻尼槽，以实现预升压，并在吸油过滤去设置U型阻尼槽进行预卸压。在操作中发现，当柱塞腔脱离吸油槽时，柱塞腔的闭死压缩阶段会引起压力正超调;当柱塞脱离排油槽时，在柱塞腔内的闭死膨胀阶段会引起压力负超调，并产生气穴。考虑到这一因素，在配流盘优化中需要针对性解决这一难题。基于此应从数学模型和物理仿真模型入手，进一步优化双联轴向柱塞泵配流盘[1]。

1.1柱塞泵流体脉动数学模型

考虑到轴向柱塞泵是通过主轴来带动2个缸体的旋转，并构成串联双泵，且每个泵中都有9个柱塞。因此，柱塞在柱塞口孔内会受到柱塞腔油液压力、缸体等元件作用和影响，进而改变流体状态、流量及压力。因而，需将柱塞外死点设置为初始位置，并进一步获得柱塞轴向位移及速度的方程、柱塞腔容积变化率表达式。通过方程和表达式可知，配流盘的过流面积时期因柱塞腔压力变化的主要因素，因此需要在合理设计配流盘的基础上降低流体脉动。

1.2配流盘特性仿真物理模型

考虑到新配流盘结构优化，有三角槽、阻尼孔以及腰型流通槽组成过流面积会随着柱塞腔以及配流盘接触面积的变化而变化，需要以外死点为起点，对不同阶段的柱塞腔和优化后的配流盘基础面积进行重新计算。同时还要掌握不同阶段的配流口流通面积变化特点。在第一阶段，由于柱塞腔未与阻尼孔发生接触，且柱塞腔未离开吸油槽;第二阶段，柱塞腔脱离吸油槽，柱塞腔与三角减振操接触;第三阶段，柱塞腔进入排油腰型槽，并变为截面区域;第四阶段，柱塞腔退出三角槽区域，配流口流通面积应减去部分三角减振槽的流通面积。

2流量脉动特性分析

2.1配流盘改进前后的综合对比分析

在对比改进前后流量压力脉动过程中，通过观察单个柱塞腔内的压力变化可以发现，经过改进后的配流盘明显在排油过渡区出现的压力冲击现象得到了缓解，且在吸油过渡区虽然仍存在压力冲击现象，但对比原版配流盘冲击压力得到了显著检定，由此可以证明性配流盘能够有效降低过渡区的压力冲击。在分析改进前泵出口流量时，截取2个周期，与改进后的泵出口流量进行对比，可以看出改进后的泵出口流量在过渡区产生的流量倒灌现象被明显减弱，且流量脉动也更低于原配流盘由此可以表明新配流盘具有显著降低流量脉动的功能特性。

2.2三角阻尼槽对流量脉动的影响分析

为了更好地对改进前后的配流盘流量和压力进行真实的对比分析，同时进一步验证新配流盘具备降低流体噪声的特性，考虑到过渡区主要是通过设置三角阻尼槽来降低压力冲击，还需要相关技术人员对三角阻尼槽的整体结构进行科学优化配比，以确保能够获得最优的结构参数。

开口角与截面顶角是三角阻尼槽的重要参数，结合配流盘改进需要将三角阻尼槽开口角控制在14°-18°，将截面顶角控制在了80°-100°，选取不同指数的开口角与截面顶角进行流量脉动的仿真处理，可以发现在不同取值范围下，随着角度指数的增加，柱塞泵的流量变化有趋同的态势，且当三角阻尼槽的开口角与截面顶角分别处于15°和85°时，柱塞泵流量的脉动幅值和脉动率最低。基于这组数据下的流量脉动特性，在新配流盘的三角阻尼槽设置中，为了确保流量脉动处于最小值，开口角应选择15°，截面顶角为85°。

3仿真实验及验证结果对比

为了更精确地验证新配流盘对流量动脉的影响，还需要借助液压仿真软件进一步建立恒功率变量双泵模型，通过将原配流盘和新配流盘带入到仿真模型中，更深层次地对比和分析二者对泵出口流量、压力及动态特征[2]。

3.1仿真实验

在仿真实验中继续以相同类型挖掘机的双联柱塞泵为研究对象，考虑到该挖掘机有2个主泵和1个先导泵，且每个主泵都有独立的变量调节机制，包括变量调节缸、变量调节阀、恒功率调节器及2个测量弹簧等主要构成。其中，2个测量弹簧能够实现双曲线恒功率特性曲线。结合双联柱塞泵的物理结构和工作原理，以液压元件设计库中的元件分别构建单柱塞模型、主泵模型以及恒功率调节器等构件组成整泵模型，该模型共有9个柱塞，通过建第三部分的配流盘面积导入单个柱塞模型中，保证起始位置的设置合理性，并封装成超级元件。将模拟负载压力控制在0-30MPa的过程中，可以得到泵出口流量的压力变化情况，由此证明双联柱塞泵能够实现变量泵恒功率调节功能，且符合泵控制原理。

3.2验证结果对比

为了确保上述仿真实验模型的准确性，还要进行试验测试结果与仿真实验结果的分析对比。其中，在主油路的基础上还加设了辅助油路，通过主油路完成对泵性能的整体测试，再由辅助油路对先导油路、冷却过滤油路和辅助回油油路进行测试。该测试实验的转速控制在1500r/min，工作压力20Mp，采样频率1000Hz，以此来分别测试泵出口流量和压力情况。

在实验数据结果与仿真实验结果进行对比，可以发现泵出口压力大于工作设置压力，且形成这一情况的主要原因，与泵出口与压力系统中的阀和弹簧有关。在数据整合分析中可以发现仿真结果和实验测试结果的吻合性较好，可以说明柱塞泵模型具有较高的精度水平。此外，验证结果和对比中发现，理论计算出的流量普遍比仿真及实验测试的结果较大，产生这一情况的主要原因与泵地泄露有关，在这三者流量变化规律相同的前提下，可以确定仿真分析与实验测试的结果吻合较好。

結语：综上所述，应通过柱塞泵流体脉动数学模型和仿真物理模型的建立，进一步研究有效降低流体脉动压力的配流盘优化方案，以确保有效避免配流过程中存在的闭死压缩和膨胀阶段。

参考文献：

[1]张斌，程国赞，洪昊岑，等.基于SVR的轴向柱塞泵配流盘三角槽结构优化[J].吉林大学学报（工学版），2021，51（04）：1213-1221.

[2]宋宇宁，徐晓辰.双卸荷槽式柱塞泵配流盘流场优化研究[J].机床与液压，2020，48（03）：159-163.