轴向柱塞泵压力脉动特性研究现状.pdf
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1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.001轴向柱塞泵压力脉动特性研究现状冷晓峰,周知进1?2,李建华,闻多1(1.广西科技大学机械与汽车工程学院,广西柳州5456 16;2.贵州理工学院机械工程学院,贵州贵阳550 0 0 3)摘要:轴向柱塞泵产生的压力脉动是造成液压系统不稳定的原因之一。压力脉动会引起系统的振动和疲劳失效,甚至损坏元件造成巨大损失。柱塞泵的压力脉动主要是由于其运动方式产生的运动流量和自身结构造成的动态流量在阻抗的作用下形成。主要介绍和讨论了国内外研究人员在这一领域内
2、的研究,包括压力脉动的产生原因,测量方法,各种因素对压力脉动的影响及优化方案,以及在泵的结构外部安置主、被动脉动控制器。作为进一步研究柱塞泵压力脉动的基础。关键词:轴向柱塞泵;压力脉动;影响因素;优化中图分类号:TH137(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology,2.School of Mechanical Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550003,China)Abstr
3、act:The pressure pulsation generated by the axial piston pump is one of the reasons for the instability of the hydraulic system.Pressurepulsation can cause vibration and fatigue failure of the system,and even damage the components causing great losses.The pressure pulsation ofthe plunger pump is mai
4、nly due to the motion flow generated by its motion mode and the dynamic flow caused by its own structure under theaction of impedance.This paper mainly introduces and discusses the research of domestic and foreign researchers in this field.This includesthe causes of pressure pulsation,measurement me
5、thods,the effects of various factors on pressure pulsation and optimization schemes,and theplacement of active and passive pulsation controllers outside the pump structure.As a basis for further research on piston pump pressurepulsation.Key words:axial piston pump;pressure pulsation;influencing fact
6、ors;optimization0引言中国经济的高速发展,为液压传动技术提供了广阔的发展空间。液压传动是利用液体介质作为传递、转换、分配控制能量和信号的一种传动方式,是现代机械传动的关键技术之一,在工程机械、航空航天和船舶制造等领域都得到了广泛应用1-2。液压泵将电机的机械能转换为液压系统中的液压能,其中作为液压传动系统的核心动力元件之一,轴向收稿日期:2 0 2 3-0 4-13基金项目:国家自然科学基金(5147 90 7 3)作者简介:冷晓峰(1997-),男,辽宁大连人,硕士研究生,研究方向为液压传动。文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0
7、0 1-0 9Research Status of Pressure Pulsation Characteristics forAxial Piston PumpLENG Xiao-feng,ZHOU Zhi-jin?2,LI Jian-hua,WEN DuoLiuzhou 545616,China;柱塞泵 3具有许多优点,如传输功率大、极限压力高、功率密度大、以及容积效率和总效率峰值高等,常用于各种领域的液压设备当中 4随着社会的不断发展,我们对柱塞泵 5-7 各种性能上的需求也在不断增加。压力脉动是评价液压柱塞泵性能优越的一项重要指标,在大多数的工况下,压力脉动会降低液压元件和液压系统的寿
8、命,严重时会造成液压管路破裂、支撑结构损毁,进而造成液压油泄漏,系统失效甚至是作业人员的伤亡。斜盘式轴向柱塞泵常见的故障之一就是压力脉动问题 8。由于压力脉动大,早期的飞机液压系统中发生了一些管道破裂情况 9,某型轴向柱塞泵在主机上考核时曾出现过高的压力脉动和较高的噪声故障10。国内外研究表明,柱塞泵的压力脉动是影响液压系统稳定性的关键1液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期因素之一。本研究综合了国内外研究人员的成果,主要讨论了在实际工程和实验研究中所得到的成果和结论,其重点在于斜盘式轴向柱塞泵压力脉动特性的研究。1轴向柱塞泵压力脉动的产生机理1.1车轴向柱塞泵的基本工作原理轴向柱塞泵主要是
9、由主轴、斜盘、滑靴、柱塞、缸体、配流盘等结构组成。电机驱动主轴并带动缸体旋转,柱塞在滑靴和液压油的共同作用下会紧贴在斜盘上(斜盘与柱塞不会分离),当缸体旋转时,柱塞便会在缸体和斜盘的共同作用下轴向移动并绕主轴旋转,从而使工作容积发生变化,并通过配流盘的吸油区和排油区,完成将机械能转化为液压能的排油工作。1.2压力脉动的产生原因众多研究表明,柱塞泵的压力脉动主要是由其流量脉动及负载阻抗造成的。1)流量脉动的形成柱塞泵输出的高压脉动流体主要由运动流量和动态流量组成 运动流量是由柱塞泵的自身工作方式所形成的,是其固有脉动的来源。柱塞泵通过其密闭的柱塞腔体积的变化完成吸油和排油的工作,柱塞泵的主轴每旋
10、转一周,各个柱塞腔都会完成一次吸油和排油,通过理论分析可以得出式(1),可知其产生的瞬时流量是呈周期性变化的。其瞬时流量Q可以表示为 2:Q=dRotanysin+(i-1)04式中,d一一柱塞直径R一一分布圆半径一泵的角速度斜盘倾角n柱塞数目柱塞转角柱塞间夹角动态流量是柱塞腔在转到配流盘的排油口时,柱塞泵排出的流体会发生液体回流,即倒灌现象,油液之间相互撞击会产生高频的脉动流量。除了运动流量和动态流量的2 个主要因素外,柱塞泵的运动副泄漏也是造成流量脉动的原因。轴向柱塞泵的内部流体泄漏有3个运动副:缸体与配流盘之2间的配流副,斜盘与滑靴之间的滑靴副,缸体与柱塞之间的柱塞副 13,谷立臣等 1
11、4探索了柱塞泵的内部泄漏参数与流量压力脉动的变化规律。配流副的泄漏是源于其自身配流盘的结构形式,其中以平面配流盘为例,通过平面圆盘缝隙层流理论前人推导出泄漏流量Q为 15:Q.=T2/lm(R,/R.)+In,i1式中,一修正系数8间隙油膜厚度一一油液动力黏度R一配流盘内油封内半径R配流盘内油封外半径R,一一配流盘外油封内半径R4一一配流盘外油封外半径Pf一柱塞腔内油液压力Po一壳体腔油液压力滑靴副的泄漏是油液通过柱塞孔与滑靴孔到达滑靴腔泄漏出来的,可以使斜盘和滑靴之间形成静压支撑,并对球头起到润滑作用,滑靴副的泄漏流量(3)式中,da一一滑靴中心孔直径82一间隙油膜厚度T1一一滑靴底面内环半
12、径ni=11In(R./R,)T2一滑靴底面外环半径(1)la一一滑靴中心孔长度柱塞副的泄漏 16-18,原因之一是由于柱塞腔内和壳体腔之内的油液之间存在压力差导致泄漏,另一个是因为柱塞与柱塞腔之间的相对运动形成卡特流 19。结合泄漏原因,学者们总结了柱塞副泄漏流量Q,计算公式为 15(1+1.5a)(pr-P0)-lggz12ll式中,d一一柱塞腔直径8,柱塞副间隙油膜厚度1柱塞副长度8柱塞偏心率柱塞运动速度(Pf-Po)(2)2(4)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024根据柱塞泵的3个运动副流量泄漏机理,赵宝建度,高精度的负载和更加复杂的工况,压力脉动
13、也需要等 13探索出了流量损失与流量压力脉动之间的关系,高效率的测量方案和更加准确的测量结果。得出映射式(5):P4EdoVP0=ot(5)式中,Pp一一柱塞腔内压力Q泵出口流量Q一泵节流出口流量E一一介质弹性模量V节流阀与泵之间的管道容积2)配流盘压力导致压力脉动原理配流盘是柱塞泵的主要部件之一,配流盘固定连接在分油盖上,其光滑一面与旋转的缸体一端紧密贴合,其主要工作是负责分配柱塞腔吸人和排出的液压油。柱塞泵工作时,主轴带动缸体转动,当柱塞腔转动到配流盘的排油口,由于存在较大的压力差,导致液压油倒灌,相互冲击遇到液阻会导致压力流量脉动。柱塞腔从高压区到低压区,会经过死容积阶段导致高压油无法排
14、净,到达低压区时再次出现压力差,液压油倒灌形成压力脉动。柱塞腔的工作环境总是存在压差的,其与配流盘共同作用,吸人和排出的液压油时,过流面积对流量及压力脉动也有重大影响。当柱塞腔从吸油状态转变为排油状态时,它经过阻尼槽时的过流面积会持续地发生变化。具体而言,柱塞腔在经过阻尼槽时所占据的面积会逐渐减小或增大,这取决于它是从吸油状态转换为排油状态,还是从排油状态转换为吸油状态。从柱塞腔和配流盘的结构及其运动方式可以看出,周期性变化的流量脉动被运动副的泄漏影响,并在通过配流盘时获得持续变化的压力差,产生了柱塞泵排出口的压力脉动。1.3压力脉动的类型因为柱塞泵的自身结构,导致流量脉动,进而在阻抗的作用下
15、形成压力脉动。液压系统中能够影响压力脉动的因素有很多,在不同的工况下,压力脉动有不同的类型,常见的压力脉动如图1所示 2 0 1.4压力脉动的测量针对现有的轴向柱塞泵试验方法,冯晓迪 2 1提出测试压力脉动这一特性可以更加充分的掌握柱塞泵的性能,因为压力脉动是导致液压系统振动、噪声、元件损坏的主要原因之一。随着液压系统逐渐面对高强P400P4P40tPAP40液压系统压力脉动的测量方法主要分为两种:一种是在测量位置添加支管,直接测量流体的脉动方法;另一种是利用管壁上的应变或振动的间接测量。美国麦克唐纳飞机制造公司的GeraldAmies设计发明了卡式压力传感器,这种方式的传感器解决了在测压管上
16、加装测压接头或支管带来的复杂工作。浙江大学的蔡亦钢 2 2 设计了一种的柱塞泵压力脉动试验装置,该装置采用的是卡式传感器,测量方案比较完整。齐晓燕 2 3通过对某液压管路的压力测试,设计了一种应变片黏贴的具体操作流程和适用液压系统管路应力测试的试验程序。胡峰波 2 4介绍了传感器的选型及安装,测点的布置与数量的影响。液压系统的压力脉动主要由液压泵产生,柱塞泵出口处的压力脉动最大,所以测点应安装在泵的出口附近。结合AMESim仿真分析了测压支管的角度(30,6 0,90)、长度(10 90 mm)、直径(5,10 mm)等参数对脉动测量误差的影响。仿真结果表明,支管的长度对脉动误差几乎没有影响,
17、角度和直径的影响不大。2压力脉动影响因素的研究压力脉动是评价柱塞泵性能优越的一项重要指标。为了更加深刻的了解压力脉动,降低其对液压系统的危害,国内外的众多学者对其进行了大量的仿真模拟和试验研究。2.1西配流盘对压力脉动的影响配流盘是导致柱塞泵产生压力脉动的主要结构之30t0图1常见压力脉动波形图t液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期一。YIN25采用CFD 模拟了不同结构的配流盘对柱塞泵出口处压力脉动的影响,仿真结果说明,配流盘的良好设计能够降低柱塞泵的压力脉动。阻尼槽是配流盘减缓压力脉动的关键结构,图2 所示是4种不同阻尼槽结构的局部放大图。力脉动。EDGEKA等 2 9研究了大量的三角
18、槽结构的配流盘,在考虑到流体的运动惯性条件下,发现改变三角槽的深度角可以降低压力脉动。浙江大学的马吉恩博士 30 进一步分析了三角阻尼槽结构对压力脉动的影响,通过仿真的数据对比得出,三角槽的宽度角是90 或者略大于90 较好,深度角控制在510效果最好。三角槽结构如图3所示,0 为宽度角,8为深度角。(a)无阻尼槽(b)三角槽图3三角阻尼槽结构(c)U形槽图2 常见的4种配流盘阻尼槽结构王震等 2 6 使用流体仿真分析软件Pumplinx,在一定的条件下,分析了4种不同配流盘结构柱塞腔内的压力变化,所得到的柱塞腔内相关特性参数如表1所示。表1柱塞腔压力特性参数项目最大值/MPa无阻尼槽13.4
19、2U形槽12.87三角槽13.37孔槽结合13.38王震的研究结果表明,采用U形槽结构配流盘的柱塞泵,出口的流量、压力平缓,脉动率最小,相比与其他3种结构的配流效果,流量倒灌现象更弱。赫希阳 2 7 则是利用AMESim建立了轴向柱塞泵模型,提出应该重点比较了在考虑三角槽与U形槽的过流面积相等的情况下,这两种配流盘结构的脉动特性,得出了U形槽的脉动幅值比三角槽较大些的结论。索晓宇 2 8 采用CFD方法对U形槽的深度进行了相关的研究,结果表明,U形槽深度的增加会增大柱塞泵出口的压4(d)孔槽结合最小值/MPa脉动率/%11.7913.411.957.611.8012.911.7913.0众多学
20、者不仅考虑了配流盘阻尼槽的结构,XU31提出了将配流盘的错配角与阻尼槽相结合的方案来减小泵出口压力脉动的影响。赤玉荣 32 通过AMESim仿真分析得出,在柱塞泵的工作中,减小配流盘的闭死角和错配角的开度,也能够有效的降低压力脉动。尹方龙运用PumpLinx软件对配流盘不同的预升压角进行流量特性分析,表明增大预升压角可以加长柱塞腔内部流体的预压缩时间,减小柱塞腔内部与泵出口的压力差,从而减小柱塞腔的流量倒灌,降低压力脉动 3。2.2斜盘对压力脉动的影响柱塞泵斜盘的存在使圆周运动的柱塞增加了直线往复运动,并且斜盘的倾角增加使得柱塞腔工作容积提升,从而增大出口流量,所以斜盘对柱塞泵的压力脉动同样存
21、在影响。在柱塞泵的结构中,斜盘通常是最主要的振动激励源,因此PANYang34通过实验的对比研究,证明了斜盘振动对轴向柱塞泵出口流量脉动和压力脉动的影响。考虑斜盘振动更适合于轴向柱塞泵出口流量脉动和压力脉动的准确确定。欧阳小平教授 35及其学生方旭 36 研究了斜盘的振动对压力脉动的影响,其仿真和试验结构表示,压力脉动主要由斜盘的运动与柱塞的运动方式决定,基本不受斜盘振动的影响,但是压力脉动是导致斜盘振动的原因 37-38。PAOLOCasoli39采用数学建模并结合试验结论验证,改变斜盘的运动方式,可以大幅度地减小压力脉动Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.20
22、24的幅值,但同时也大幅度地减小了出口的流量。两者关系时考虑了流体惯性的影响,均得到相同结论。KUMARS40运用三维Navier Stokes方程研究斜盘凹主轴转速与斜盘倾角的增加都会增大泵的排量,学者槽与滑靴之间的间隙问题,并搭建试验平台分析其位们往往将两者同时进行研究,董蒙 49采用两种不同的置变化对压力脉动的影响,试验结果与CFD仿真分析途径对其所建立的数学模型进行了仿真对比,AMESim一致。高有山等 41采用AMESim建立柱塞泵的模型,与MATLAB的仿真结果脉动幅值包络误差2.1%。研得到斜盘倾角与压力脉动的曲线关系如图4所示,柱究成果表明,流量脉动和压力脉动的振幅具有相同的塞
23、泵的压力脉动随着斜盘倾角的增加而增加。相位。此外,随着转速和斜盘倾角的增加,出口压力脉30动的振幅增加,但是脉动频率不受斜盘倾角的影响。闫政 50 分析了转速与倾角对压力脉动特性的影响,引258-1520S-12.5108-1058-7.50-50-2.500.5图4压力脉动与斜盘倾角关系图2.3主轴转速对压力脉动的影响主轴转速的提高会增加泵的排出流量,浙江工业大学 42 的特种设备实验室建立了一个数学模型的测试台,发现提高转速能够增加泵的容积效率,同时对压力脉动产生影响。J.M.BERGADA43建立了基于泄漏方程的柱塞泵数学模型,并通过试验验证了柱塞泵的转速对压力脉动的影响。张鑫杰、李硕勋
24、、刘尧等 4-46 利用AMESim建立柱塞泵的模型除了得到斜盘与压力脉动的曲线关系,也研究了转速与压力脉动的关系如图5,柱塞泵不同转速下的压力曲线。302520W105wwwwwwwwwwww.n=10001/minwwwwwwwwwwwm00.5图5压力脉动与转速关系图能够看出,随着主轴转速的增大,压力脉动的幅值也增大,根据脉动率的公式,可知脉动率随着转速的增加而减小。另外还有XU47在构建了柱塞泵的仿真模型后,采用二次源法的试验台验证;EDGEKAL48研究人式(6),量纲一参数8 反映输出压力脉动的变化率,如表2 所示,柱塞泵在最大排量的10%,40%,8 0%的工况下,改变主轴转速所
25、得压力脉动的变化率比改变斜盘倾角压力脉动的变化率小。所以对于单一的改变转速或倾角来改变排量,优先考虑变转速:S=Pamm-PainPdmean1.01.5t/sn=2600 r/minn=2200 r/minn=1800 r/minn=1400r/minn=600r/min1.0t/s(6)2.0式中,8 一一压力脉动变化率Pamx稳定状态下最大压力Pamin一稳定状态下最小压力Pdmean,一一稳定状态下输出压力表2 压力脉动变化率比较表最大排量百分比/%变化率100.12400.18800.25注:8。为改变主轴转速所影响的脉动变化率;为改变斜盘倾角所影响的脉动变化率。2.4流体性质对压力
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