斜柱塞对斜盘式轴向柱塞泵性能的影响

1、收稿日期:2011-06-30基金项目:兰州理工大学科研基金项目(69804作者简介:杨逢瑜(1948-,男,博士生导师,研究方向为液压伺服控制和磁物理与磁技术.E -m a i l :w p y20058772126.c o m 斜柱塞对斜盘式轴向柱塞泵性能的影响杨逢瑜,王鹏雁,杨军,马德江(兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050摘要:分析了直柱塞和斜柱塞的区别,并通过建立数学模型和计算机仿真,研究了柱塞倾角、柱塞行程和速度的关系以及流量脉动性能.结果表明,在柱塞结构尺寸不变的情况下,增大柱塞倾角(=5°,则柱塞位移增大2.98%,速度提高2.88%,可使泵的额定排量

2、提高2.98%,但是斜柱塞泵的流量脉动情况比直柱塞略差.关键词:直柱塞;斜柱塞;流量脉动中图分类号:T H 322文献标志码:A 文章编号:1004-0366(201201-0123-04E f f e c t s o f I n c l i n e P i s t o n o n t h e P r o p e r t i e s o f S w a s h P l a t e A x i a l P i s t o n P u m pY A N G F e n g -y u ,WA N G P e n g -y a n ,Y A N G J u n ,MA D e -j i a n g (

3、C o l l e g e o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ,L a n z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,L a n z h o u 730050,C h i n a A b s t r a c t :T h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n s t r a i g h t p i s t o n a n d i n c l i n e p i s t o n a

4、r e d i s c u s s e d .T h r o u g h t h e e s t a b l i s h -m e n t o f m a t h e m a t i c a l m o d e l s a n d c o m p u t e r s i m u l a t i o n ,a n d d o t h e r e l a t i o n s b e t w e e n d i f f e r e n t i n c l i n a t i o n a n g l e s o f t h e p i s t o n a n d i t s t r a v e l t

5、 o u t e a n d s pe e d a r e s t u d i e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t if t h e d i m e n s i o n s o f t h e p i s t o n s t r u c t u r e i s f i x e d a n d u n c h a ng e d ,wh e n t h e o b li q u i t y o f t h e p i s t o n i s i n c r e a s e d (=5°,t h e n i t s d i s p l a c

6、e m e n t w i l l i n c r e a s e 2.98%,a n d t h e s p e e d w i l l i n c r e a s e 2.88%,a n d t h e r a t e d d e l i v e r y c a p a c i t y o f t h e p u m p w i l l a l s o i n c r e a s e 2.98%.B u t t h e f l o w p u l s a t i o n o f i n c l i n e p i s t o n i s s l i g h t l y w o r s e

7、t h a n t h a t o f t h e s t r a i gh t p i s t o n .K e y w o r d s :s t r a i g h t p i s t o n ;i n c l i n e p i s t o n ;f l o w p u l s a t i o n 直柱塞泵与斜柱塞泵的区别在于,直柱塞泵的柱塞轴线与缸体轴线成零度倾角,或者说通常的柱塞轴线与缸体轴线平行,且沿圆柱面分布,而斜柱塞泵的柱塞轴线则沿锥面分布,柱塞轴线与缸体轴线有一定的夹角.在同等情况下,斜柱塞泵有较大排量和较小的体积.柱塞泵在吸油过程中,柱塞的惯性力会引起柱塞和滑靴的脱离,从而

8、限制了主轴转速的提高.斜柱塞泵的优势在于,柱塞与缸体轴线有一定的夹角,柱塞离心力沿柱塞轴线的分量与柱塞惯性力方向相反,从而减小柱塞和滑靴的脱离力,有利于提高主轴转速和柱塞泵的功率.1运动特性分析1.1直柱塞泵柱形缸体的运动模型柱形缸体结构尺寸如图1所示1 .图1柱形缸体柱塞运动结构关系第24卷第1期2012年3月甘肃科学学报J o u r n a l o f G a n s u S c i e n c e s V o l .24N o .1M a r .2012柱塞轴向行程S p =lA B -l C D ,根据图1中几何结构关系和柱塞泵运动规律,得到塞轴向位移方程为S p =(1-c o s

9、 R t a n ,(1柱塞运行速度为v p =d S pd t=R w s i n t a n ,(2其中w 为缸体的角速度,R 为柱塞轴线在缸体中的分布圆半径,为斜盘倾角,为缸体的转角,即柱塞与初始位置上死点之间的夹角.1.2斜柱塞泵锥形缸体的运动模型锥形缸体柱塞运动的关系见图2,图2(a 是沿着缸体上下死点剖面的结构,图2(b 给出了柱塞在任意位置时,沿该位置柱塞轴线和主轴轴线剖面的结构尺寸1 .图2斜缸体柱塞运动结构关系根据图2中的结构关系可知,柱塞沿其轴向的位移S p =H m a x -H .根据图2(b 中的结构关系可知,任意位置时柱塞的轴向剩余行程为H =(x +x 0/c o

10、 s .根据图2(a 中的结构关系可得x 0=R t a n ,x =R c o s t a n (1+t a n t a n 1-c o s t a n t a n ,(3整理可得任意位置时柱塞的轴向剩余行程为H =R t a n (1+c o s c o s (1-c o s t a n t a n ,(4柱塞的轴向最大行程为H m a x =2R t a n c o s (1-t a n t a n .(5综上可得,锥形缸体柱塞泵柱塞沿其轴向的位移方程为S p =H ma x -H =R t a n (1-c o s (1+t a n t a n c o s (1-t a n t a n

11、 (1-c o s t a n t a n ,(6则柱塞的速度方程为v =d S d t =R s i n t a n (1+t a n t a n c o s (1-c o s t a n t a n 2,(7其中R 为下死点时滑靴球心到主轴的距离半径,R 为滑靴球心运行轨迹与标准圆轨迹之间的偏差距,为锥形缸体柱塞与主轴之间的夹角,为斜盘倾角,为缸体的转角,即柱塞与初始位置上死点之间的夹角.1.3两种柱塞的数值仿真分析将式(1、式(2、式(6和式(7进行M a t l a b 编程,柱塞位移曲线见图3,柱塞速度曲线见图4 .图3柱塞位移曲线锥形柱塞(=5°柱形柱塞(=0 图4柱塞速

12、度曲线锥形柱塞(=5°柱形柱塞(=0研究是基于力士乐的A 11V O 190型斜盘式轴向柱塞泵为研究对象,假定斜盘倾角不变(=16°,柱塞的分布圆半径为(R =R =46.25mm ,柱塞数目z =9,主轴转速n =2100r /m i n (可推导出缸体的角速度=2n 60=70r a d /s .由图3和图4可知,在柱塞结构尺寸不变的情况下,增大柱塞倾角(=421甘肃科学学报2012年第1期5°,则柱塞位移和速度也相应变大.当=时:直柱塞最大位移S p m a x =26.52mm ,斜柱塞最大位移S p ma x =27.31mm ,斜柱塞的位移比直柱塞增加

13、了2.98%.当=2时:直柱塞最大速度v m a x =2.917m /s ,斜柱塞最大速度vm a x =3.001m /s ,斜柱塞的速度比直柱塞提高了2.88%.直柱塞泵的理论排量为2q =14d 2Z S p m a x =146.968m L ,斜柱塞泵的理论排量为q =14d 2Z S p ma x =151.346m L ,斜柱塞泵的理论排量提高了2.98%.2输出流量脉动分析在理想的条件下,油液为不可压缩介质,故泵的泄漏可以忽略,不考虑配流盘结构对输出流体压力和流量的影响3-5.2.1直柱塞轴向柱塞泵的理论瞬时流量计算式为Q (t =A R t a n mi =1si n i

14、.(8若轴向柱塞泵的柱塞数为Z ,则任一相邻柱塞的夹角=2Z,对式(8中的三角函数化简,可得Q (t =A R t a n mi =1s i n 1+(i -1,(9其中A 为柱塞截面积,m 为柱塞处于排油区的个数.2.2斜柱塞轴向柱塞泵的理论瞬时流量计算式为Q (t =A R mi =1k i ,(10其中m 为柱塞处于排油区的个数.k i =s i n i1-t a n t a n c o s i -(1-c o s i t a n t a n s i n i (1-t a n t a n c o s i 2.(11泵的名义流量为Q (t =Z A R 20k i d =Z A R (1+

15、t a n t a n .(12用泵的理论瞬时流量式除以泵的名义流量式,可得泵的相对瞬时流量率为=K mi =1s i n i(1-t a n t a n c o s i 2,(13其中K =(1-t a n 2t a n 2Z ,i =0+2(i -1Z.设主轴转速不变(n =2100r /m i n ,斜盘倾角为16°,其输出流量脉动随柱塞倾角变化见图5 .图5相对瞬时流量率变化趋势柱塞倾角(=5°-柱塞倾角(=0由图5可知,理想条件下,当斜盘倾角不变,而柱塞倾角分别为0和5°时,在同一个周期转角内,其流量脉动波形相差不大,但是柱塞倾角的增加会加剧输出流量脉动

16、,不利于减缓柱塞泵的振动6-8.3结语由于柱塞倾角的存在,使得斜柱塞泵具有更多的优点:在相同的条件下,斜柱塞的最大位移比直柱塞增加了2.98%,最大速度提高了2.88%,理论排521第24卷杨逢瑜等:斜柱塞对斜盘式轴向柱塞泵性能的影响量提高了2.98%,从而使得斜柱塞泵比直柱塞泵具有更大的排量和更小的体积.此外柱塞的离心力有助于柱塞的回程,也更有利于减小配流盘直径,降低缸体配流面运动的线速度,在下一阶段将研究斜柱塞的受力情况以及配流盘的配流特性.与直柱塞相比,斜柱塞的流量脉动情况略差,其恶劣程度正比于倾角大小,但在柱塞倾角不是很大的情况下(如5°10°差别并不大,几乎可以忽

17、略.参考文献:1马吉恩,徐兵,杨华勇.轴向柱塞泵流动特性理论建模与试验分析J .农业机械学报,2010,41(1:188-190.2林建亚,何存兴.液压元件M .北京:机械工业出版社,1998.3许贤良,张军,杨奇顺.斜盘斜轴泵的柱塞运动曲线J .液压与气动,2003,27(6:42-44.4许贤良,刘立国.A 4V 柱塞泵运动方程研究J .煤矿机械,2001,22(7:19-21.5江胜陆,许贤良,陈清华.A 4V 柱塞泵运动方程及流量特性数字仿真研究J .煤炭科学技术,2003,31(8:41-43.6杨华勇,张斌,徐兵.轴向柱塞泵/马达技术的发展演变J .机械工程学报,2008,44(1

18、0:1-8.7杨逢瑜,马德江.残留容积对于柱塞泵容积率的影响J .甘肃科学学报,2011,23(1:38-40.8杨逢瑜,胡敏.斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的流量特性J .兰州理工大学学报,2011,37(6:60-64.·简讯·我院参加关中天水经济区科技合作座谈会S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o o p e r a t i o n F o r u m o n G u a n z h o n g -T i a n s h u i E c o n o m i c Z o n e 近日,由省科技厅和天水市共同举办的“推进关中天水经济区建设科技合作座谈会暨签约仪式”在兰州举行。高世铭院长出席座谈会并代表我院与天水市政府签订了科技合作协议。根据协议,省科技厅将进一步加大支持天水发展力度,重点指导天水国家先进制造高新技术产业基地、天