2014年IEEE会议录
机电一体化与自动化国际会议
8月3-6日，中国天津
通过分析液压系统自动化中的脉动变量和阀板切口设计，研究斜板式变量柱塞泵的压力脉动和流量脉动
俊英、元志忠 金承斌、何俊江
昌原国立大学机电学院 昌原国立大学机电学院
韩国昌原，641-773 韩国昌原，641-773
baejunhyeong@naver.com topegasus@naver.com
wjchung@changwon.ac.kr mrjang123@naver.com
摘要-为了提高效率/生产率，从而便利工业现场的工作，液压系统使用的液压油，具有比其他动力传递系统有更高的功率密度。在液压设备中，斜板式变活塞泵是组成液压系统的最重要、最基本的部件，它起着将机械能转化为流体能量的作用。本文通过对斜板式可变柱塞泵的脉动变量和阀板缺口形状的分析，研究了一种能够估计压力/流量脉动热效应的仿真技术。首先，我们将考虑理论上的运动学分析，根据不同的斜板角度和转速来设计单活塞泵。在此运动学分析的基础上，对斜板式可变柱塞泵的活塞直径、最大活塞行程等脉动变量进行了分析，包括斜板角和螺距圆直径。同时，在将斜板式活塞泵阀板的槽形设计为脉动变量之一时，通过与两种类型(圆型与V型)的比较，考察了脉动的影响。同样，我们也将分析九柱塞泵模型中的压力/流量脉动缺口类型，该模型主要是针对实际的斜板式变柱塞泵设计的。本文不仅是根据脉动变量确定压力/流量脉动的影响，而且还可以被称为是将SimplicationX软件仿真技术的发展应用于斜板式可变柱塞泵的槽形优化中的体现。
索引术语-斜盘式可变活塞泵、阀门板槽设计，脉动变量，压力/流量脉动，运动分析，SimplicationX。
Ⅰ.介绍
研究工作一直在稳步进行，以使整个系统自动化或易于操作，或获得所需的输入/输出，以提高效率/生产力，从而促进工业现场的工作。其中，由于液压系统使用液压油，具有比其他动力传递系统更高的功率密度，长期以来在建筑设备行业得到了广泛的应用。此外，大多数液压设备具有较强的耐久性，与施工设备在恶劣的工作环境中的特点相适应。
图1斜盘式轴向柱塞泵的基本结构[1]
如图1所示，斜板式变量柱塞泵是组成液压系统的最重要、最基本的部件，它起着将机械能转化为流体能量的作用。这些斜板式变柱塞泵被广泛应用于重型设备的施工中。近年来，液压系统朝着提高性能、改善环境、抑制噪声等方向发展，液压系统包括斜板式小型轻型变柱塞泵、高速/高压控制系统和低波动式液压系统等。由于流体脉动和液压回路之间的相互作用，管道内的压力波动应该得到复杂的考虑。这种压力波动不仅会引起系统部件的机械振动，而且还会引起液压系统的噪声。为此，开发了一套能在短时间内通过数值试验计算流量脉动效应的仿真程序，对液压系统的降噪性能有很强的设计支持作用。在Quan等人的论文[2]中，针对这种脉动的特点，研究了阀板开启面积和转速三种情况下的压力和流量特性。但本文并没有根据阀板的切槽设计来进行脉动特性的研究。与之相反的是，Jang等人的论文[3]提出了单活塞泵的数学模型来分析单活塞泵的脉动特性，并根据缺口的设计进行了研究。由于他们仅仅依靠缺口的设计来完成这项研究，所以他们不能根据其他脉动变量来检验这种效应。
因此，本文将对斜板式活塞泵进行运动学和数学建模，利用液压分析程序SimplicationX对脉动的影响进行分析。在此模型的基础上，对Jang等文[3]中未处理的单/九柱塞泵的活塞直径、最大活塞行程和槽形等脉动变量进行了分析。如图2所示，通过将开孔面积分为圆形切口和V型切口，分析了脉动的影响，为阀门板的设计提供了依据。
图2可变斜盘式活塞泵阀板[4]
II.基于单泵位置的运动分析
图1给出了斜板式变活塞泵的基本结构，该结构采用斜板抽水的结构。斜板角度控制部分由轭、弹簧和控制阀组成。解释了与斜板角度有关的基本理论概念[l]。然后，基于数学理论，对单柱塞泵进行了几何分析。在图3中，活塞的x位移可以在参考文献中导出[3].等式(1)如下给出：
其中R代表节圆直径，Al代表圆周直径；а代表斜板角和Q代表缸体的旋转角。由于斜板式变柱塞泵的运动特性与斜板式活塞泵的运动特性无关，故在方程中采用了固定角度表示法[5]，(1)而不是欧拉角表示法[5]。
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图3斜盘式变量（轴向）活塞泵变量[3]
图4显示了用于理论检验的概念图。在此图中，可以看到斜板式变量柱塞泵具有1活塞和2自由度(自由度)。斜板式变量柱塞泵的运动由Z0轴的旋转运动(A)和围绕40ax1s的旋转运动(ф)组成。
图4单变量活塞泵斜盘角度（alpha;）和旋转角度（phi;）
图5-(B)(表示矩阵(Rx(P)，其中直线块围绕X轴旋转，而图5-(C)表示的矩阵(Rz(A)中，倾斜体沿着Z轴旋转。因此，图5-(A)表示图5-(B)和5-(C)在一起，可以用等式来表示。(2)用固定角度表示[5]。此外，等式(3)总结了这一旋转过程。在等式（2）里，2R是代表活塞旋转方向与活塞旋转前方向的激励矩阵。等式（4）说明矩阵2R对活塞的位移是很重要的，因为它是获得活塞位移的必要条件。
坐标系系统 气缸体旋转 斜盘旋转
图5用固定角度表示的斜板式变量(1)活塞泵的运动学旋转
ଶ ൌ
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现在可以用方程来计算活塞旋转后的位置矢量(2PPISTON1)。(4)由Xo，YG，Zo组成的位置矢量(0Ppiston1)，从参照系30中看到的位置向量(0Ppiston1)。
图6活塞在气缸体中的位置
将上述数学分析应用于SimplicationX中可以表示为图7，并且单活塞泵的建模在考虑到齿隙（即活塞的X位移）、吸力，出料口、开孔面积、转速如图8所示。
图7带齿隙的可变斜盘角度模型
图8单活塞泵模拟X_
III. 单活塞脉动变量分析使用SimplicationX建模
对于斜板式变柱塞泵的脉动，流量脉动总是发生在运动特性上，这种脉动与管道系统的流量阻抗有关。我们进行了第二节中提到的运动学分析，用于分析发生脉动的变量（有关脉动）。本文利用(9)给出的理论平均流量方程，分析了脉动对柱塞泵直径、最大活塞行程作为脉动变量的影响。[6]：
其中q代表平均理论流量；w=角速度；vp=泄漏体积；z=活塞数；R=节圆直径；AP=活塞面积；a=斜平台角。活塞面积(AP)lsquo;可以用活塞直径来计算，因此，图9显示了当活塞直径(D)改变为10 mm、15 mm和20 mm时，对图8中单活塞模型的模拟结果。在考察压力和流量脉动对活塞直径的影响时，可以注意到整个脉动随着活塞直径的增大而增大。
图9根据活塞的压力/流量脉动模拟结果直径
我们第二次检查的脉动变量是螺距、圆周直径和活塞行程(L)处的斜板角，如方程(10)所示。[6]：
图10显示了对改变R（节圆）时的单活塞模型（见图8）直径）值为35mm、40mm、45mm。它可以证实无论R值是多少，都没有很大的差别。
图10根据螺距的压力和流量脉动模拟结果圆直径
图1l显示了单活塞模型的分析结果(如图8所示)，同时将alpha;(斜板角)值更改为10、15和20。它可以在图中找到。(1)阀板缺口处的压力变化更快；2)流量脉动随着倾斜板角度(alpha;)的增大而相应增大。气缸内的压力脉动也随着斜板角度(alpha;)的增大而增加。
图11根据斜盘的压力和流量脉动模拟结果板角
如第三节所述，分析了斜板式变量单柱塞泵的脉动变量(如活塞直径和最大活塞行程，包括沥青圈直径和斜板角)。现在，我们将继续分析阀板切口形状对压力和流量脉动的影响，如图8所示。斜板式变柱塞泵阀板的切槽形状对阀板的压力和流量脉动有一定的影响，由于阀板几何形状的变化，会引起开孔面积的突然变化，同时要保持恒定的排量。当泵油缸内液压油在反复抽放时旋转时，压力和流量脉动会引起液压机的振动和噪声。因此，如图12所示，在阀板开启区域突然改变的地方设计一个缺口，可以获得压力变化逐渐增大和减少流量波动的效果。对于切槽形状，主要采用圆形和V形 [7].。在这一节中，我们将研究波动对这两个缺口的影响。
图12圆型和V型切口形状
表1显示了基于图8模型的此分析的基本变量值。图13显示了圆形凹槽类型的分析结果。图14增大了图13中圆形凹槽的输出压力，这表明压力下的波动是存在的。
表一模型参数(图8)
|
数目 |
可变参素 |
值 |
|
1 |
活塞质量 |
0.1kg |
|
2 |
转速 |
2000rpm |
|
3 |
活塞直径 |
10mm |
|
4 |
节圆直径 |
35mm |
|
5 |
最大活塞行程(L) |
2Rtanalpha; |
|
6 |
安全阀设定压力 |
100bar |
|
7 |
斜板角度 |
14° |
|
8 |
槽型 |
圆形，V |
图13分析l结果的模型(图8)
图14圆型切口的压力脉动现象
图15给出了圆型槽与V形槽脉动下压的对比分析结果。此外，图16显示了相同的分析结果，同时改变了开口面积的缺口。如图16所示，V型切口的脉动下压比圆形缺口发生的压力小，而根据开口面积的变化，V型切口的压力变化较小，而圆形型切口的压力变化较小。究其原因，是由于V型凹口阀板的开孔面积随着活塞的旋转而增大，且随着压力的增加而逐渐增大。通过设计压力变化较小的V型切口，考虑波动的切口设计可以减少波动的影响，同时保持流量的容积性，使振动和噪声降到允许的水平。
图15压力脉动与缺口类型
图16圆形(左)和V(右)型切口的压力脉动
图17整体九柱塞泵模型使用仿真Xտ
现在，类似的分析可以扩展到图17的九活塞泵模型，它主要是针对实际的斜板式柱塞泵设计的。图17的圆型切口模型的参数、流量脉动和气缸压力。以类似于图17的圆型缺口模型的方式，图17的V型缺口模型可以用SIMPLationX进行模拟。在图19中，可以发现，V型切槽的流量波动与圆形凹槽相似，类似于单活塞泵。
图18个参数(左)、流动波纹(上图)和汽缸压力。圆型切口模型(下)
图19凹槽型汽缸压力(下)和流动波纹e(上)
对表2所示的六种情况进行了模拟，通过分析波动对每个切口开口面积的增加或减小的影响，设计了一个优化的缺口。更具体而言，图20显示了通过在恒定速率下增加或减小V形和圆形缺口的开口面积来分析波动效应特征的结果。如图20-(A)所示，分析结果取决于圆柱体内的压力，可以发现，圆柱形孔口特性对波动的影响首先发生在圆型上。另外，图20-(B)给出了与图20-(A)相同的基于流量波动和波动效应的分析结果，还可以看出V型切口的缺口形状和开口面积的增加对波动的影响已经减弱。因此，表3显示了波动的简要降低水平。研究发现，在斜板式活塞泵的阀板上设计V型槽，对减少抽汽效果更为有效。
表二 缺口的候补设计规范
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