非對稱軸向柱塞泵的研究★

王 君， 王嬌君

（1.太原理工大學， 山西 太原 030024；2.太原重機煤氣設備工程公司， 山西 太原 030024）

泵控容積直驅系統利用液壓泵直接提供系統所需的流量和壓力，不需要液壓閥的調節，具有節流損失小、噪聲低、效率高、油液使用量小且連接管路短等優點，是提高液壓系統效率最直接有效的方法。根據執行元件形式的不同，泵控容積直驅系統可分為泵控單出桿液壓缸系統和泵控雙出桿液壓缸系統兩種。與雙出桿液壓缸相比，單出桿液壓缸占用空間小且輸出力大，廣泛應用于大型重載裝備中直線往復運行的機構。但是，如何補償單出桿液壓缸兩腔流量不平衡的問題長期制約了泵控單出桿液壓缸系統的發展與應用[1]，減緩了液壓系統向高效節能方向的發展速度，是目前液壓傳動領域的研究重點與難點[2]。因此，本文提出將普通軸向柱塞泵的結構進行改造，把配流盤由原來的對稱雙窗口結構改為非對稱三窗口的結構（如圖1 所示），根據單出桿液壓缸兩腔的面積比設計與之相匹配的配流盤結構，平衡單出桿液壓缸兩腔面積差引起的流量差[3]，實現僅用1 臺泵直接控制單出桿液壓缸的目的，有效減小了因溢流損失帶來的效率降低問題。

圖1 非對稱軸向柱塞泵

1 非對稱軸向柱塞泵工作原理

如圖1 所示，將非對稱軸向柱塞泵的配流窗口A 與單出桿液壓缸的無桿腔相連，配流窗口B 與單出桿液壓缸的有桿腔相連，另外的配流窗口C 可以與油箱或者蓄能器相連。當柱塞旋轉時，完成一次吸油，兩次排油（或者一次排油，兩次吸油），并且A、B窗口吸排油的流量比與單出桿液壓缸兩腔的面積比相等。當匹配不同面積比的單出桿液壓缸時，改變配流窗口B 的配流面積（如圖2 所示）使配流窗口A與配流窗口B 的配流面積比與單出桿液壓缸的面積相匹配，就可以實現泵控單出桿液壓缸系統。同時，使用非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸可以使單出桿液壓缸平穩換向，而且多余油液得到有效利用，提高了系統的穩定性和效率。

圖2 與不同液壓缸匹配時的配流盤結構

2 數學模型的建立

根據普通軸向柱塞泵的分析方法，分析非對稱軸向柱塞的排量，從而研究非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸的壓力流量特性。

第i個柱塞的位移和速度為：

式中：r為柱塞運動軌跡的半徑；φ 為柱塞的圓心角；β 為斜盤傾角；ω為柱塞的角速度；α 為兩個柱塞間的夾角，N為柱塞數量。

第i個柱塞的柱塞腔容積：

式中：V0為柱塞腔的最大容積，Ap為柱塞的柱塞面積。

則第i個柱塞旋轉一周的配油量為：

所以，泵的排量為：

式中，m為位于排油窗口的柱塞數量。

3 仿真分析

利用AMESim 仿真軟件對非對稱軸向柱塞泵進行仿真，所建模型如圖3 所示。

參數設置如表1。

圖3 仿真模型

表1 主要參數

圖4 仿真結果

仿真結果如圖4 所示，圖4-2 為普通軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，在液壓缸換向時，可見壓力脈沖較大，達到7 MPa，而圖4-1 所示為非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，在液壓缸換向時，壓力平穩轉換，并無明顯壓力沖擊。

4 結語

本文所提出的非對稱軸向柱塞泵具有三個配流窗口，是一種非對稱結構，利用非對稱結構的泵控制非對稱的液壓缸。根據仿真結果可以明顯看出，使用非對稱軸向柱塞泵控制單出桿液壓缸，可以明顯減小液壓缸換向時的壓力沖擊，提高系統的穩定性。本文所研究內容為泵控容積直驅系統的實現奠定了基礎，為液壓系統的節能提供了新的解決思路。