电磁力互动柱塞泵缓冲研究

2021-01-04徐学文张洪信赵清海王东王新亮

机械制造与自动化 2020年6期

徐学文，张洪信，赵清海，王东，王新亮

(青岛大学 a.机电工程学院; b.动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛266071)

0 引言

电磁力互动柱塞泵作为一种新型的液压泵，如果柱塞运动到上、下止点时速度不为0，柱塞和泵体之间将产生大的冲击，并导致系统振动和噪声，严重影响寿命。

目前国内外针对电磁泵缓冲的研究主要集中在液压缸和气缸方面。国外学者如ALGAR A等对双作用气缸在行程末端缓冲和启动阶段由于活塞的3D位移而影响缓冲和启动性能进行了相关研究；LAI Q等对高速大流量液压缸进行了缓冲特性建模与分析，详细研究柱塞结构和关键的结构参数，证实适当的设计和柱塞长度对提高缓冲性能是有效的[1-3]；国内赵伟等对高速液压缸的缓冲过程进行理论分析和实验研究，分析其结构参数对缓冲速度的影响[4-5]；ZHANG Z L等则针对特高压断路器中的高速大流量阀控液压缸缓冲进行优化设计，有效降低柱塞的末速度[6]；王辉等提出一种新型缓冲装置，通过调节压力调节阀使气缸以稳定而低速的状态停靠在行程终点，实现高速气缸的最佳缓冲[7]；罗远新等提出安装可控式液压阻尼器的解决方案，使单活塞式液压发动机在活塞下止点能够平稳停止，并通过模拟仿真验证其可行性[8]。

相关学者虽然对液压缸行程终点的缓冲进行了大量研究，但将其结合到直线柱塞泵中还比较少见。电磁力互动柱塞泵结构原理相对独特，本文结合液压缸行程终点的缓冲研究方法，通过研究其工作过程的动力学特性，得到电磁铁的电磁力特性[9-10]，控制电磁铁通断电时间，以最节省的方式避免冲击。

1 电磁力互动柱塞泵结构原理

电磁力互动柱塞泵结构原理及样机如图1所示。电磁铁位于系统的上部，以电磁铁为动力元件，下部的泵腔部分和配流系统与传统的往复柱塞泵结构原理相同。衔铁在底部的凹槽带有橡胶缓冲垫，可以防止因工作不稳定出现柱塞到达上止点时对电磁铁底部冲击过大的问题。泵工作时，左、右缸电磁线圈交互通断电，电磁线圈通电时成为磁铁，磁化本缸的衔铁柱塞，衔铁柱塞因受到电磁力而向上移动，对应泵腔吸入低压流质，并通过齿轮齿条传动机构驱动另一缸衔铁柱塞同步向下移动，对应泵腔输出高压流质，左、右两缸交替通电，完成电能向流体压力能的转化[11-13]。因左、右缸的衔铁柱塞组件运动相反，往复惯性力完全抵消，整个系统没有因往复惯性力带来系统振动。但如果在上、下止点处衔铁柱塞组件速度不为0，将产生冲击力，带来冲击振动和噪声[14-16]。

1—外壳；2—电磁线圈；3—衔铁柱塞组件；4—互动齿轮；5—齿轮轴；6—齿条；7—泵体；8—泵腔；9—进流质单向阀；10—出流质单向阀。

2 电磁力互动柱塞泵动力学建模

2.1 动力学建模

左、右两个衔铁工作过程完全一致，存在的相位差为π，因此只需要建立、分析单缸半个周期内的动力学过程[17]。

在左侧电磁铁通电时，左、右柱塞的受力平衡方程为：

Fem-Ft1-Fμ1-Ff1-m1a1=0

(1)

-Ft2+Fμ2+Ff2+m2a2=0

(2)

式中：Ft为切向力；Ff为摩擦力；Fem为电磁力；Fμ1、Fμ2分别为两个柱塞的摩擦力。

柱塞摩擦力与径向力、切向力之间关系为：

Fμ1=Fr1μ=μFt1tanα

(3)

Fμ2=Fr2μ=μFt2tanα

(4)

式中：α为齿轮压力角，标准齿轮压力角α=20°；Fr为径向力；μ为柱塞与泵体之间摩擦系数，当完全油膜润滑时为0.06左右，不完全油膜润滑时为0.15左右，本文取0.06。

互动齿轮的转动平衡方程为：

Ft1r-Jα=Ft2r

(5)

式中：r为互动齿轮节圆半径；α=a1/r，为互动齿轮角加速度；J为互动齿轮转动惯量，由于互动齿轮较小忽略其转动惯量。

在定性研究分析泵的动力特性时，通常取pi为0，pi为泵的扬程(或负载工作压力)，对分析结果的可信度不会有明显影响[18-19]。

联立以上各式，电磁力Fem求解得到，则图2中各力均可得到。

图2 电磁泵运动部件受力图

2.2 电磁力Fem仿真与实验

用COMSOL软件建立电磁力仿真分析模型对衔铁在不同位置时的磁场进行计算，如衔铁位移s(柱塞底面距离下止点的距离)为15 mm时磁场分布如图3所示，然后得到Fem与s之间关系。

图3 位移s=15 mm时电磁铁磁通密度和磁感线

为了验证和校准仿真模型，研制了Fem的试验装置，如图4所示。当电磁铁通电时，衔铁受到电磁吸力的作用使拉块上部调节螺栓的底端紧压在传感器的触点上，通过此传感器便可测出电磁铁吸力的大小。

1—衔铁行程调节螺杆；2—力传感器；3—支架横梁;4—拉块；5—圆柱销；6—衔铁；7—电磁铁；8—T型支架；9—螺栓组件；10—力传感器显示器。

实验数据和仿真数据对比如图5所示。仿真数据和实验数据最大误差为9 N，具有较好的一致性。电磁力随着柱塞行程增大单调递增，且变化越来越快，最大值接近1 000 N，则柱塞从下止点开始运动，加速度越来越大，速度也越来越快。

图5 实验数据与仿真数据对比

3 柱塞缓冲策略

如果电磁力互动柱塞泵在整个工作过程中保持通电，柱塞运动的加速度与速度曲线如图6所示。左柱塞从下止点开始向上运动，速度由0递增。因为越往上电磁力越大，所以加速度越大，速度变化增快，趋势同电磁力变化，到上止点时最大，达到1.6 m/s。右柱塞与左柱塞速度一致，方向相反。所以左、右柱塞运动到上、下止点时将与外壳及泵体产生较大冲击力，使柱塞速度瞬间为0，导致剧烈冲击振动和噪声，严重影响系统的寿命和可靠性[20]。

图6 柱塞速度曲线

基于上述考虑，针对柱塞泵半个周期为0.178 s的工况，经过反复实验，柱塞从下止点静止位置开始通电0.07 s(柱塞泵的半个周期为0.178 s)，柱塞运动到上、下止点附近的速度刚好为0，此时电磁力曲线如图7所示。电消耗大幅度降低；柱塞速度与时间之间的关系如图8所示，与位移之间的关系如图9所示。在t=0.07 s、柱塞位移为0.012 m时速度达到最大，即0.42 m/s，然后匀速递减到上止点时为0；柱塞加速度与时间的关系如图10所示，断电后为恒定负值，这是由于摩擦力和泵腔压力所致。