單柱塞泵流量壓力輸出特性研究

(1.海裝駐武漢地區第一軍事代表室，湖北 武漢 430060；2.山西柴油機工業有限責任公司，山西 大同 037036)

引言

近年來，隨著全球工業的發展，環境污染、能源危機、氣候變暖等問題日益嚴重，節能減排已成為全球發展共同的關注點。液壓傳動被廣泛應用于各工業領域。但常規液壓傳動系統往往效率低下，以工程機械挖掘機為例，其效率僅約為20%[1]，其中液壓傳動系統效率僅為35%。

液壓節能技術研究一直是國內外專家學者的研究熱點。目前，液壓元件被認為已經發展到了一個比較成熟的階段，效率的進一步提高有限。而常規的液壓節能技術的研究主要從節流式節能技術、容積式節能技術以及能量再生技術[2-5]等三方面展開。

1) 節流式節能技術

液壓節流式節能技術主要包括負流量、正流量[2]、負載敏感[3]、新型流量匹配控制[4-6]、負載口獨立調節[7-8]、高速開關閥液壓系統[9-11]、矩陣液壓系統[12-14]等。

2) 容積式節能技術

容積式節能技術主要包括泵控液壓系統[15-16]、基于液壓變壓器的液壓系統[17]等。容積式節能技術采用變排量、變轉速以及變排量和變轉速復合控制等方法，較節流調速系統取消了閥控所造成的節流損失，被認為是最有前景的節能技術之一。

目前國內外針對液壓系統，尤其是工程機械液壓系統的節能技術研究主要從系統級角度出發，而目前基于常規的閥控或泵控等系統盡管在一定程度上提高了系統的節能性，但節能空間有限。

液壓泵作為液壓傳動系統機液能轉化單元，是液壓系統的核心部件。柱塞泵因具有功率密度大和壓力等級高等優點，廣泛應用于各種液壓傳動系統?，F有的柱塞泵一般采用1個缸體同時集成多個柱塞，多個柱塞通過缸體耦合在一起，不能獨立控制，多個柱塞只能按某特定規律運動，共同完成吸油和排油。在工作過程中，存在高效區域無法隨負載動態調整和單液壓泵不能同時輸出多級壓力匹配不同負載需求的缺點。針對傳統液壓泵的不足，提出一種矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅動系統。新型液壓驅動系統如圖1所示，將傳統集成在一個缸體內的多個柱塞解耦成獨立的單柱塞泵，并按m×n階的矩陣進行布置。每行由m個單柱塞泵并聯進行流量疊加，每列由n個單柱塞泵串聯進行壓力疊加。其中每個單柱塞泵為獨立控制。該新型液壓驅動系統具有以下優點：

(1) 矩陣式布置的多單柱塞泵液壓驅動系統可實時根據負載流量和壓力需求，對每行的單柱塞泵進行并聯組合及分布式控制以滿足不同負載的流量需求，對每列單柱塞泵進行串聯組合實現壓力等級和負載壓力的匹配。同時可根據負載實際工作點，通過對各單柱塞泵的不同拓撲組合動態調節矩陣式布置多單柱塞泵的高效區域，進而保證實際工作點始終處于高效區；

(2) 對單柱塞泵進行模塊化設計。實際工作中，若有單柱塞泵出現故障，系統仍可通過單柱塞泵的重組繼續工作，且該單柱塞泵可直接進行替換，具有很強的可替換性。

針對新型液壓驅動系統開展的前期探索研究，分析單柱塞泵中機械-流量-壓力耦合特性和流量壓力輸出特性，為新型液壓驅動系統的研究奠定基礎。

圖1 新型液壓驅動系統

1 單柱塞泵結構組成與工作原理

如圖2所示，單柱塞泵主要包括動力單元、傳動單元、單柱塞泵以及配油單元。工作過程中，動力單元通過傳動機構驅動單柱塞泵活塞桿往返運動，結合吸油配油單元實現柱塞泵一側被動吸油，另一側主動排油，如此往復進行驅動。為分析單柱塞泵的流量特性，首先建立系統動態模型。

圖2 單柱塞泵

動力單元的轉速響應可用一階慣性環節進行表示：

(1)

式中，na—— 動力單元實際輸出轉速

ni—— 動力單元目標轉速

τ—— 動力單元的時間常數

傳動單元的傳遞函數可表達為為：

vc=f(s)na

(2)

式中，vc—— 傳動單元直線輸出速率

f(s) —— 傳動單元旋轉轉直線運動變化關系

吸油腔側的流量壓力方程可以表達為：

(3)

式中，A—— 單柱塞泵有效面積

Qc—— 吸油流量

Vc—— 吸油腔容積

β—— 彈性模量

C1—— 泄漏系數

p1—— 吸油腔側壓力

吸油排油采用單向閥進行控制，假定單向閥閥芯預壓緊量為0，因此，其閥芯位移流量方程可簡單的表示為：

Qc=Kxx+Kpp1

(4)

式中，x—— 閥芯位移

Kx—— 流量系數

Kp—— 壓力系數

而閥芯的的力平衡方程可表示為：

p1At=kxx

(5)

式中，At—— 閥芯有效作用面積

kx—— 彈簧剛度

通過以上傳遞函數，可以推導出單柱塞泵吸油過程，吸油流量和動力單元輸入轉速的對應關系：

KxAt+Kpkx

(6)

由于動力單元采用電機直接進行驅動，其動態響應時間很小。因此，單柱塞泵吸油流量和動力單元輸入轉速的對應關系可簡化為:

(7)

從上述公式可以發現，單柱塞泵吸油過程，其吸油流量與動力單元輸入轉速關系可等效一階慣性環節，在吸油過程中其時間常數主要受傳動單元、單向閥的彈簧剛度、閥開口面積影響。當單向閥的彈簧剛度或通流面積較小時，被動吸油過程的時間常數較大，單柱塞泵在高速運行過程中很難保證充分的吸油。因此，為保證單柱塞泵的高速運行時的有效吸油，應盡可能降低單向閥的彈簧剛度或增加單向閥的通流面積。

排油過程中的排油流量和動力單元輸入轉速關系與吸油過程類似。但與吸油過程不同的是，排油過程為活塞腔主動壓縮排油，因此，系統的排油流量主要取決于吸油過程從油箱所吸收液壓油、動力系統運轉速度和負載。

因此，對于單柱塞泵吸油排油過程影響其流量輸出的主要因素是動力單元驅動轉速和吸油過程的單向閥彈簧剛度以及通流能力。此外，上述理論分析，假定單向閥預壓緊量為0，忽略了單向閥開啟壓力的影響，在實際工作過程中，單柱塞泵的吸油還受單向閥開啟壓力的影響。

2 單柱塞泵的仿真研究

為分析單柱塞泵在進行吸油排油過程的機械壓力流量耦合特性，在AMESim建立系統仿真模型，如圖3所示。

圖3 單柱塞泵仿真模型

其中，動力單元采用仿真軟件工具箱中的電動機，傳動單元采用蝸輪蝸桿機構，單柱塞泵和配油補油單向閥均采用原件級進行建模搭建仿真系統。泵出口采用溢流閥進行負載模擬加載。

首先研究單向閥彈簧剛度對單柱塞泵流量的影響，設定吸油排油過程，2個單向閥的彈簧系數一致。動力單元速度按階躍信號給定，呈方波形式輸入。如圖4所示為不同彈簧剛度情況下，單柱塞泵的排油情況。

圖4 不同單向閥彈簧剛度單柱塞泵流量

從圖4可看出，由于單柱塞泵中活塞桿為往復運動，因此，在活塞桿換向過程，單柱塞泵流量出現較大的波動。而當活塞桿在勻速運動過程中，單柱塞泵輸出流量較為平穩。同時，不同的彈簧剛度對單柱塞的流量輸出影響較大。當彈簧剛度設定較小時，單柱塞泵的流量波動小。當單向閥彈簧剛度較大時，單柱塞泵輸出流量會出現較長時間的斷流現象。通過分析，造成斷流的主要原因是由于吸油過程單向閥彈簧剛度設定過大，單向閥開啟動態響應時間延長，單柱塞泵活塞在快速運動時，吸油腔無法實現充足的吸油，進而導致該腔在排油階段初始階段無流量流出。

為進一步提高單柱塞泵的吸油能力，并穩定單柱塞泵的流量輸出波動，在單柱塞泵的進油口和出油口配置高低壓蓄能器，對單柱塞泵的流量輸出特性進行仿真研究，仿真系統如圖5所示。

仿真曲線如圖6所示，為當單向閥彈簧剛度較大時，為單柱塞泵進出口處分別配置低壓和高壓蓄能器情況下，單柱塞泵的流量壓力輸出曲線?？梢园l現，在為系統配置蓄能器后，即使單向閥彈簧剛度較大，單柱塞泵的吸油仍可充分完成。單柱塞泵的流量輸出較為穩定，不會出現斷流現象。

3 單柱塞泵的實驗研究

為驗證單柱塞泵的流量壓力特性，搭建了單柱塞泵流量壓力測試實驗平臺。實驗臺架如圖7所示，系統中動力單元采用伺服電機，傳動單元采用滾珠絲桿機構，同時系統配置相應的壓力傳感器測試單柱塞泵進油和出油口壓力，配置流量傳感器測試單柱塞泵出口流量。

圖5 帶高低壓蓄能器的單柱塞泵仿真系統

圖6 壓力流量輸出曲線

圖7 單柱塞泵流量測試單元

圖8所示為單柱塞泵不配置進出口蓄能器情況，且單向閥的彈簧剛度較大時，單柱塞泵的輸入輸出曲線?？梢园l現，當未采用蓄能器，且單向閥彈簧剛度較大時，單柱塞泵的流量出現長時間斷流現象，與仿真結果一致。

圖8 單柱塞泵輸入輸出曲線(無蓄能器+單向閥大彈簧剛度)

圖9所示為單柱塞泵不配置進出口蓄能器情況，且取消單向閥的彈簧時，單柱塞泵的輸入輸出曲線?？梢园l現，當未采用蓄能器，且單向閥取消彈簧時，單柱塞泵的流量不會出現長時間斷流現象。但在活塞桿換向時，存在流量波動。

圖9 單柱塞泵輸入輸出曲線(無蓄能器+單向閥取消彈簧)

圖10所示為單柱塞泵配置進口蓄能器情況，且單向閥彈簧剛度較大時，單柱塞泵的輸入輸出曲線?？梢园l現，當采用進口蓄能器，且單向閥彈簧剛度較大時，單柱塞泵的流量不會出現長時間斷流現象。但在活塞桿換向時，仍出現流量波動。

通過上述實驗可以發現，單柱塞泵的輸出流量由于活塞桿的往復運動，會在活塞桿換向過程出現流量波動，而流量波動的大小主要受吸油過程影響。當柱塞泵吸油充足時輸出流量波動較小，當無法充分吸油時輸出流量會出現斷流現象。而影響單柱塞泵吸油的主要因素是補油單元中的單向閥，當單向閥的彈簧剛度較小時，單柱塞泵可較好完成吸油。

圖10 單柱塞泵輸入輸出曲線(進油蓄能器+單向閥大彈簧剛度)

圖11所示為單柱塞泵配置進出口蓄能器情況，且單向閥彈簧剛度較大時，單柱塞泵的輸入輸出曲線?？梢园l現，當采用出口蓄能器時，單柱塞泵的流量可以有效平穩地輸出，與仿真結果所得結論一致。

圖11 單柱塞泵輸入輸出曲線(出油蓄能器+進油蓄能器+單向閥大開啟壓力)

通過上述實驗發現，單柱塞泵在工作過程中，通過配置出口蓄能器，可較好穩定單柱塞泵流量輸出波動。

4 結論

針對單柱塞泵的流量壓力輸出特性進行研究，是對矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅動系統的前期探索性研究。通過研究發現，單柱塞泵在單獨工作時，通過合理設置配油單元或采用蓄能器提高進油口壓力均可以較好的保證單柱塞泵流量輸出對活塞桿運動的跟隨特性。但在活塞桿換向時存在流量波動，單柱塞泵在單獨應用時，可通過配置蓄能器作為恒壓源驅動負載工作。而應用于矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅動系統，可通過每行單柱塞泵的協同控制，降低甚至消除流量輸出波動。通過多列單柱塞泵協同控制，可產生多級壓力輸出，匹配負載需求。針對矩陣式多單柱塞泵重組液壓驅動系統的研究將在后續工作中開展。