轴向柱塞变量泵斜盘小摆角的稳定性分析.pdf
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1、第48 卷第1 期2024年1 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.002液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics轴向柱塞变量泵斜盘小摆角的稳定性分析Vol.48 No.1January.2024张广成,胡德,左强,沈伟,陈浩毅(1.上海理工大学机械工程学院,上海2 0 0 0 93;2.浙大城市学院工程学院,浙江杭州3 1 0 0 1 5)摘要:以斜盘式轴向柱塞变量泵作为系统动力源的液压系统,由于节流损失较低,相较于阀控的液压系统具有良好的节能效果。其在斜盘小摆角工况下的工作稳定性是影响其应用的关键问题之一。根据轴向柱塞变
2、量泵的变量原理,将变量泵稳定性转化为变量缸的稳定性分析。首先分析斜盘的受力情况,得出斜盘所受到的平衡力矩方程,从而得出变量缸的负载,再通过变量缸的流量方程与动力学方程推导变量缸的传递函数,最后运用灵敏度分析方法,分析出影响变量泵稳定性的关键因素,为后续优化轴向柱塞变量泵提供了理论基础。关键词:斜盘小摆角;稳定性;力矩方程;传递函数中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:1 0 0 0-48 58(2 0 2 4)0 1-0 0 1 0-1 0Stability Analysis of Swashplate with Small Swing Angle in AxialPiston Var
3、iable Displacement PumpZHANG Guang-cheng,HU De,ZUO Qiang”,SHEN Wei,CHEN Hao-yi(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093;2.School of Engineering,Zhejiang University City College,Hangzhou,Zhejiang 310015)Abstract:Swashplate axial piston varia
4、ble displacement pump is used as the power source of the system.Becausethe throttling loss is low,compared with the valve controlled hydraulic system,it has a good energy-saving effect.Therefore,the research on it has attracted more and more attention.Its working stability under the condition ofsmal
5、l swing angle of swashplate is one of the key problems affecting its application.According to the variableprinciple of axial piston variable displacement pump,the stability of variable displacement pump is transformed intothe stability analysis of variable displacement cylinder.Firstly,the force con
6、dition of the swashplate is analyzed,and the balance torque equation of the swashplate is obtained,so as to obtain the load of the variable cylinder.Then,the transfer function of the variable cylinder is derived through the flow equation and dynamic equation of thevariable cylinder,finally using the
7、 method of sensitivity analysis,so that the key factors affecting the stability of thevariable pump can be analyzed,which provides a theoretical basis for the subsequent optimization of the axial pistonvariable pump.Key words:small swing angle of swashplate,stability,moment equation,transfer functio
8、n引言如今,在我国工业发展中,液压技术有着不可替代的作用。液压传动是一种以油液或其他液体为工作介质,利用动力元件、执行元件、调节控制元件及辅助元件将液体压力能转化为机械能的控制技术。液压收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 2基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 0 YFB2009900);国家自然科学基金(51 97 53 7 6)作者简介:张广成(1 98 9一),男,上海人,副教授,博士,主要研究方向为液压控制。修回日期:2 0 2 3-0 6-2 22024 年第 1 期系统凭借其功率密度大、质量小、体积小和响应速度快等优点在众多工业领域得到了广泛的应用2 。液压泵作为液压系统的动力
9、元件,在液压系统中充当着“心脏”作用,其性能很大程度上决定了整个液压系统的性能3 。液压泵有着定量泵与变量泵之分。定量泵由于其排量无法调节,可作为固定油源,不能实现液压系统对流量变化的需求,其能耗大、效率低。变量泵其排量可根据液压系统的需求便捷的调节排量4,起到了节约能源、减少能耗的作用,因此,对变量泵的研究有着一定的必要性。在变量泵中,轴向柱塞变量泵以其耐压高、效率高、传输功率大和寿命长等优点被广泛应用于工程机械、船舶和航天航空等重要领域5。杨迦迪等6 针对变排量三配流窗口轴向柱塞泵存在斜盘倾角振荡频率高等问题,提出在变排量机构中加人阻尼孔的方案,结果表明,加人直径2 mm的阻尼孔可以降低振
10、荡频率;徐尚武等7 设计了一种新型恒功率柱塞泵斜盘角度调节机构,并阐述了斜盘角度实时自调节机理,为该机构的广泛应用奠定了理论基础;张婉茹等8 对于非对称轴向柱塞泵提出了基于斜盘摆角位移反馈的排量控制方案,结果表明,增大负载刚度可以加快响应速度,增大负载压力可以提高响应稳定性。斜盘作为轴向柱塞变量泵中的关键元件,有着调节轴向柱塞变量泵排量的作用,当轴向柱塞变量泵其斜盘摆角较小时,斜盘会产生振动,出现不稳定的现象,从而导致轴向柱塞变量泵输出流量不稳定,影响泵的使用寿命,从而对整个液压系统产生不利影响。此外,这种现象的出现会导致系统能量损失以及效率降低,严重时甚至会影响系统安全性。针对这类现象分析并
11、加以改进,不仅可以节约液压系统的能量,提高系统工作时的工作效率,而且可以改善系统的性能,提高系统在工作过程中的安全性以及使用寿命。因此,对轴向柱塞变量泵斜盘小摆角稳定性的研究有着一定意义。根据轴向柱塞变量泵变量原理,本研究将对泵斜盘的稳定性研究转化为对轴向柱塞变量泵变量缸的稳定性进行研究。变量缸的本质是阀控液压缸,在液压系统中,阀控液压缸是常见并且应用广泛的动力元件。对变量缸稳定性的研究不仅需要探究其工作原理,还需要分析在不同负载情况下的特性。为了研究轴向柱塞变量泵在小摆角情况下的稳定性问题,本研究以变量缸为研究对象,首先通过研究变量缸的流量与动力学方程,推出传递函数,其次运用了灵敏度分析方法
12、,液压与气动主要研究了变量缸活塞面积A、活塞及负载折算到活塞的总质量M、油液弹性模量。柱塞缸旋转轴到缸活塞的距离L、柱塞所在位置的分度圆半径以及额定转速对变量泵稳定性的影响。1斜盘的力矩数学模型斜盘作为变量泵的关键元件,通过改变其倾角控制变量泵流量大小。在轴向柱塞变量泵工作过程中,斜盘受到各个元件对其的作用力,例如柱塞滑靴组件、柱塞腔内油液以及油液压力对斜盘产生的作用力等。将从运动学分析着手,计算出斜盘所受到力矩的数学模型1 0 1.1坐标系的确立如图1 所示,将原点置于配流盘与泵的旋转主轴交点处,首先确定Z轴正方向为原点指向斜盘方向,再运用空间直角坐标系右手定则确定X与Y轴的坐标方向如图1
13、所示。Y1图1 斜盘式轴向柱塞泵柱塞运动简图Fig.1 Piston movement diagram of swash plateaxial piston pump1.2柱塞滑靴组件对斜盘力矩在斜盘式轴向柱塞变量泵的各个元件中,柱塞滑靴组件是使柱塞容积腔发生变化的关键元件,同时也是产生惯性力的主要部分。当泵在旋转工作时,惯性力会严重影响泵中元件的力平衡与力矩平衡,因此研究柱塞滑靴组件的惯性力很有意义。假设柱塞滑靴组件其加工规格大小相同,且其质量相同。当斜盘式轴柱塞变量泵绕主轴转动时,柱塞滑靴组件会随缸体一起转动,同时会产生往复运动。如图1 所示,可以得出柱塞滑靴组件在X方向上的惯性总力矩为:
14、maiMi总=coscosn=1式中,一一单柱塞滑靴组件总质量一斜盘倾角11YXma,rcosncosB3=1cosn(1)cosn+12Zn1.3柱塞腔内油液对斜盘力矩缸体转动时,柱塞腔内的油液会随缸体的旋转而一同旋转,会产生离心惯性力。与此同时,柱塞滑靴组件在斜盘的作用下产生往复运动,柱塞腔中的容积产生变化,油液体积发生变化,其质量与质心随之发生变化,从而会产生往复惯性力作用于斜盘。如图1 所示,可以得出柱塞腔内油液在X轴上对斜盘的总惯性力矩为:m.a2M2x总=coscos台式中,m,为第n个柱塞腔内的油液质量;m=pAl=p(d/2)l。+(l +r t a n cosn)a=wrco
15、s,tan/2;p为液压油的密度;A为柱塞底部面积;l 为液压油腔总长度;d为柱塞直径;l。为泵体与配流盘相贴合处的厚度;l 为柱塞腔内液压油腔的长度。液压与气动柱塞所在位置的分度圆半径柱塞数目,ai=wrcos,tan第n个柱塞对应的转角,n=wt+(n-1)0相邻两柱塞滑靴组件之间的夹角泵体额定转速m,a2rcosncos3台第48 卷第1 期drZP.cos,n=4.cosm,a2rcosncos式中,1一柱塞滑靴组件质心在Z轴方向的往复加速度2柱塞腔内油液质心Z轴方向的往复加速度2变量缸的稳定性分析2.1变量缸控制的基本原理如图2 所示为变量缸工作时的工作原理图,系统由比例放大器、电液
16、比例阀、液压缸以及位移传感器组成。对电液比例阀输入一初始信号,电液比例阀阀口打开,供油源通过比例阀将油液送人液压缸,令油液进cosn人腔压力为P1,回油腔压力为P2,其压差为PL,在压差(2)的作用下,变量缸内的活塞产生位移,位移传感器检测活塞位移并转化为电信号与输入信号进行比较,产生偏差信号,从而实现闭环控制1 2 ur+uama,r2cos3P比例放大器(5)Y1.4液压力对斜盘力矩由于斜盘如图1 方式放置,令柱塞底部的压力为位移反馈Pn,则,处于在0 时,P,为吸油腔压力,当,处于在2时,P,为排油腔压力,由图1 可得,柱塞底部油液压力在X轴对斜盘的总力矩为:M3x总=Tdr2p.cos
17、.4cos台1除此之外,斜盘还会受到摩擦力矩、斜盘偏心力矩等其他力矩,但因为这些力矩较小,因此忽略不计。1.5变量机构对斜盘的驱动力矩由斜盘式轴向柱塞变量泵的变量原理可知,变量缸活塞同样会对斜盘产生力矩,其力矩为:M.=F,L=piL式中,P辅助泵给予变量缸活塞的液压压力d一变量缸活塞直径L一一驱动力作用点到斜盘旋转轴线的距离Fa一一变量缸活塞对斜盘的力由上述可得:图2 变量缸位移控制系统工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of working principle ofvariable cylinder displacement control system(3)将图
18、2 转化为传递函数框图如图3 所示。ur.+UaKa图3 变量缸位移控制系统简化方框图Fig.3 Simplified block diagram of variable cylinderdisplacement control system(4)2.2变量缸传递函数的建立四通阀的线性化流量方程为1 3 :QL=Kgx-KePL式中,K。一一流量增益Kc压力流量系数x阀口开度GKq/ApF(x)(6)2024 年第1 期PL一压差液压缸的流量连续性方程为:dxpV,dpLQL=A,Apdt+4.dt式中,A,一一液压缸活塞面积活塞位移液压与气动由式(6)式(8)经拉氏变换后所得公式可得传递函数
19、为:K+CPL(7)13V.MK.CMB,V,X,会PA?4A2B,KK.ekS4B.A,2S+十PV.一一液压缸等效总容积。一一油液弹性模量C,总泄漏系数液压缸的力平衡方程为:MdxdxA,PL+Fd一Bdt式中,M,一活塞及由负载折算至活塞上的总重量B,活塞及负载等运动件的黏性摩擦系数令a=drZp.cosa./4,b=morcosn,c2n=1n=i2,2m,cos,/2,再令t=x,/L,则 sin=(e2-=n=11)/(e2+1),cos=2e/(e2+1),tan=(e2-1)/2e,可得:Fa=2a(e+2+e)8L十(b+c)(e3+e+ei8L由于研究的是轴向柱塞变量泵在斜
20、盘小摆角情况下的稳定性,因此趋近于0,可将上式用泰勒展开式得:Fa=9(b+8L46(b+c)xp+4a+b+c8L2将式(1 0)进行线性化,对于x,E(o+x):Fa(xp)=Fa(xo)xp27(b+c)x8L427(b+c)x.(8a+b+c)xo+6(b+c)k.=8L4力平衡方程为:dBAd2力P2.3系统稳定性分析仿真通过观察闭环系统的极点位置以及各点对应的相位裕量和幅值裕量的变化来分析系统的稳定性。当闭环系统的极点在S平面的右半平面上时,系统不稳定。(8)对于最小相位系统,只有当相位裕量和幅值裕量都为正时,系统才是稳定的。为分析不同参数对系统的稳定性的影响,进行以下MATLAB
21、仿真实验,为便于分析,参数基准值如表1所示。表1 系统主要参数表Tab.1Main parameters of system参数柱塞缸旋转轴到缸活塞的距离L/m柱塞所在分度圆半径r/m额定转速o/r min-1(9)活塞及负载折算到活塞的总质量M,/kg液压缸活塞面积A,/m等效容积弹性模数/Nm-28L3为了研究柱塞缸旋转轴到缸活塞的距离L的变化(10)对系统稳定性的影响,本研究通过设计不同的距离L4L得到的变化参数与稳定性影响如图4所示,从图中可以看出,所得极点在所取不同L值情况下全部处于S平面的负半轴,由此可判断系统稳定,并且随着距离L(8a+b+c)x6(b+c)4L38L2(11)则
22、4L38L2dxkxpdtP(13)数值0.1240.04920002000.0026.9e8取值的增大,极点逐渐向左移动,可得出距离L越大,系统稳定性越好。柱塞所在位置的分度圆半径r对系统稳定性的影响同样值得研究,本研究同样通过设计不同的分度圆半径r所得到的变化参数与稳定性影响如图5所示。由图中可以看出,所得极点在不同的分度圆半径r取值的情况下全部处于S平面的负半轴部分,可以看出(12)PP系统较为稳定,并且伴随着分度圆半径r的增大,极点14371.88371.861-S/371.84371.82371.80371.7831.1631.1531.1431.13-1960-197-198-19
23、9-200图4柱塞缸旋转轴到缸活塞的距离L变化对系统影响Fig.4 Influence of change of distance L from rotatingshaft of plunger cylinder to cylinder piston on system371.90371.851-S/季371.80371.75-3.7885-3.788-3.7875-3.787-3.7865-3.786-3.785531.9231.90S31.8831.86-184F-186-1883-190-192372.1372.2372.3372.4372.5372.6372.7372.8372.9图5
24、柱塞所在位置分度圆半径r变化对系统影响Fig.5Influence of change of indexing circle radius rat location of plunger on system液压与气动逐渐向右移动,可得柱塞所在位置分度圆半径r越小,0.116系统稳定性越好。0.120在系统工作时,转速必不可少,本研究通过设计不同的额定转速所得到的变化参数与稳定性影0.124响如图6 所示,从图中可以看出,所得极点在不同的额0.1280.132-3.788-3.7875-3.787-3.7865-3.786-3.7855实轴/s-1a)零极点图a)Zero pole diagra
25、m0.1240.1200.1280.1160.132373.3373.35b)Bode diagram0.0530.0490.0450.041实轴/s-1a)零极点图a)Zero polediagram0.0570.0410.0450.049f/rads-1b)伯德图b)Bode diagram第48 卷第1 期定转速取值的情况下全部处于S平面的负半轴部分,可以看出系统较稳定,并且伴随着额定转速的增大,极点逐渐向右移动,可得额定转速越小,系统稳定性越好。7006506005505004501000400X350500-3.5-3.0373.4373.45f/rads:1b)伯德图0.0570.
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