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由图 5可见高压叶片泵的瞬时流量存在很大的流 量脉 动, 经 计 算 工 作 介 质 的 气 穴 的 体 积 含 量 x 0 为 0 5% 时其流量不均匀系数为 9 4% 。 同理可得在取 工作介 质的 气穴 的体 积含 量 x0 为 0 25% 、 1 0% 时泵的瞬时流量如图 6 所示。 由图 6可 见, 当 工作 介质 的气 穴 的体 积 含量 x0 小于 0 5% 时泵的瞬时流量 的最小值 不变, 所以 此时 x 0 的变化对泵 的瞬时 流量脉 动的 影响不 大, 当 x 0 大 于 0 5% 时, 随 着 x 0 的增 大, 泵的 瞬 时流 量 脉动 变 大。 5 结论
图 2 阀配流式柱塞泵仿真模型
3 1 典型实例的仿真 仿真参数见表 1。
表 1 仿真参数 参数名称 电机转速 偏心距 柱塞直径 泵出口压力 通径 限位 弹簧刚度 预压缩量 阀芯质量 通径 限位 弹簧刚度 预压缩量 阀芯质量 取值 3000 r/m in 2mm 8mm 4M P a 3mm 1mm 0 1kg /mm 2mm 0 3g 3mm 1mm 0 1kg /mm 2mm 0 3g
0 前言 采用座阀配流 的径向 柱塞泵, 由于其 结构 简单、 输出压力高等优点而得到广泛应用。但其设计过程中 [ 1] 常常出现吸油不足、机械噪声大等问题 。这主要是 由于吸 /排油阀的参数 与柱 塞的几 何、运动 参数 不匹 配造成的。为了 获得最 佳性能, 吸 /排油阀 的弹 簧刚 度及预紧力、阀口通径、泵转速、柱塞直径和行程等 参数之间存在着一个最佳匹配关系, 必须通过仿真和 试验对上述参数进行优化设计, 本文以图 1 所示的单 柱塞泵为例, 建立其数学模型, 并通过仿真研究上述 参数对泵的容积 效率、噪 声、自吸 能力之 间的 影响, 以及它们之间的匹配关系。 1 结构原理 图 1所 示为 阀配 流 式 径向 柱 塞 泵 简 化 原 理 图, 电机驱动 偏心 轮 1 做旋 转 运动, 进 而顶 动柱塞 2 沿 柱塞 腔 做 往 复 直 线 运 动。 当柱塞向 下 运动 时, 柱 塞 腔在弹簧 力作 用下 形成 负 图 1 阀配流式径向 柱塞泵原理图 压, 吸油阀 在零 压 ( 大 气 压力 ) 油液作用 下打 开, 油 液 通过 吸 油阀 填 充柱 塞 腔。当柱塞向上运动时, 压缩油液产生足够的压力迫 使排油阀 4 打开 ( 此时 吸油 阀在 高压 作用 下关 闭 ), 向系统供油。 2 数学模型 按图 1所示物理模型进行动力学分析, 可用如下 一组方程对其动态特性进行描述: 2 p v d1 d x1 - K 1 ( x1 + x 0, 1 ) = m 1 2 ( 1) 4 dt (吸油阀阀芯的动力学方程 )
《 机床与液压 》 2005 N o 8
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阀配流式径向柱塞泵动态性能的仿真研究
岳艺明, 孔晓武
(浙江大学国家电液控制工程技术研究中心, 杭州 310027)
摘要 : 针对一种结构紧凑 的阀配流式径向柱塞泵的动态性能进行理论分 析。建立其数 学模型 , 通过 仿真研究了 此类泵 的设计过程中常见的吸油不足 、输出压 力脉动以及容积效率低下等问题与其结 构参数以及 运行状态的 关系。对此类 泵的生 产设计具有重要参考 价值。 关键词 : 阀配流 ; 径向柱塞泵 ; 动态仿真 中图分类号 : TG 156 文献标识 码 : A 文章编号 : 1001- 3881 ( 2005) 8- 103- 3
dy 2 dt
( 5)
( 6)
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D 柱塞直径; y 柱塞位移 ( 向下为 正方向, 当柱塞 位于 最上 端位置时为零点 ); e o 8
和阀口开度限位等参数进行仿真, 以验证上述分析并 对表 1所列的设计参数进行优化。
3 动态特性仿真 根 据 上 述 方 程, 利 用 M atlab /S m i u link 的 S [ 3] Function 函数建立阀配流式 柱塞泵的 仿真模 型 , 如 图 2所示。
图 3 典型实例仿真结果
3 2 参数优化 ( 1 ) 吸 /排油阀口开度的影响 将进油 /排油阀阀口开度限位 改为 0 2mm 且其它 参数保持不变进行仿真, 所得结果如图 4所示。
排 油 阀
吸 油 阀
由图 3所示的仿真结果可以看出, 按表 1 设计的 柱塞泵存在以下几个问题: ( 1) 吸 /排油阀在吸油过程 或排油过 程中存 在高 频开关振荡, 进而导致输出流量存在高频脉动。这使 得泵运行噪声较大, 且吸入油液中容易析出气体。 ( 2 ) 吸油 过程 柱塞 腔压 力存 在较 大真 空 度, 这 会导致吸油不足的问题。 通过对上述仿真曲 线的 分析 可知: 吸 /排 油阀 的 高频振荡现象主要 是由吸 /排油 阀通 径以及 复位 弹簧 作用力与泵的输出流量不匹配所导致, 当吸油阀或排 油阀完全打开时, 吸 入 /排出流 量在 阀口上 的压 差不 足以平衡复位弹簧的作用力, 于是阀口关闭, 进而导 致柱塞腔 的压 力再 次 下降 或上 升 并打 开 吸 /排油 阀。 上述过程反复进行导致振荡。下面通过改变弹簧刚度
( 3)
( 4)
2
(排油阀阀口的连续性方程 ) 2 dpv Ey D = Q Q in out 4 dt ( V0 + D 2y /4 ) (活塞腔的流量连续性方程 ) y = e ( 1- cos t) (柱塞运动学方程 ) 上述方程中各符号含义如下: pv d1 K1 x1 x 0, 1 m1 Q in Cd p out d2 K2 x2 x 0, 2 m2 Q out Ey V0 活塞腔压力; 吸油阀阀口通径; 吸油阀复位弹簧刚度; 吸油阀阀口开度; 吸油阀复位弹簧的预压缩量; 吸油阀阀芯质量; 吸入流量; 阀口流量系数; 泵出口压力; 排油阀阀口通径; 排油阀复位弹簧刚度; 排油阀阀口开度; 排油阀复位弹簧的预压缩量; 排油阀阀芯质量; 输出流量; 油液弹性模量; 柱塞腔最小容积;
Abstrac t : D ynam ic pe rfo r m ance of a compact p iston pump was ana ly zed Its m athe m atic m ode l w as estab lished and the comm on design proble m s o f insuffic ient o il suction, output pressure fluctua tion and low e fficient w ere stud ied by si m u la tion The m a tch relationsh ip between structure param eters o f pum p w as put forward , wh ich is i m portant to the design o f this k ind o f pump K eyword s : F lat va lv e ; R adia l p iston pump; D ynam ic si m ulation
收稿时间: 2005- 06- 10
( 1 ) 预升 压过 程中 工作腔 通过 阻尼 消耗 高 压油 和工作腔机械闭死压缩是高压叶片泵产生流量脉动的 主要因素。 ( 2 ) 为减小 流量 脉 动、提 高供 油 品质, 应 严格 控制高压泵所使用的油液中气穴的体积含量, 其数值 应控制在 0 5 % 以下。 参考文献
图 5 弹簧刚度的影响
4 结论 通过对阀配流径向柱塞泵的动力学分析, 得到其 数学模型, 进而通过仿真得到以下结论: ( 1 ) 当配 流阀 通径、复 位弹 簧作 用 力与 泵输 出 流量不匹配时, 配流 阀在 泵的吸 /排 油过程 中很 容易 ( 上接第 90页 ) 的体积含量 x 0 为 0 5% 时泵的 瞬时 流量 qV 如图 5 所 示。
图 4 阀口开度的影响
由仿真结 果可以 看出, 通 过减小 吸 /排油阀 的阀 口开度有效削弱了振荡现象, 再减小阀口开度可以进 一步削弱甚至消除振荡, 但仿真表明这样做将使吸油 过程的真空度增加, 使排油过程的阻力增加, 从而导 致容积效率和机械效率的大幅度下降, 限于篇幅本文 没有给出此种情况下的仿真结果。 ( 2 ) 复位弹簧刚度的影响 将进油 /排 油 阀复 位 弹 簧 刚度 改 为 0 01mm、阀 口开度限制改 为 0 4mm 且 其它参 数保 持不 变进 行仿 真, 所得结果如图 5所示。由仿真结果可以看出, 通
D ynam ic Sim u lation of a F lat V alve Type R adial P iston Pump