黄国勤 于 今 朱玉泉

1.重庆大学,重庆,400030 2.华中科技大学,武汉,430074

0 引言

在海(淡)水液压传动系统中,水压柱塞泵是最核心的元件。与常用的端面配流式水压柱塞泵相比,阀配流式泵的优点是减少了缸体与配流盘这对摩擦副的摩擦,从而减少了磨损和泄漏环节;同时,配流阀具有良好的密封性,抗污染能力强,容易实现高压,因而在泵送海(淡)水、污水、化学药品等低黏度、腐蚀和污染性强的流体以及在高压、大流量等场合,阀配流式泵具有广阔的应用前景[1]。阀配流式水压泵的配流阀对泵的整体性能(如吸入性能、容积效率、抗污染能力、噪声、振动、工作可靠性和使用寿命等)均有很大影响。配流阀的余隙容积、弹簧刚度及预紧力、阀芯质量以及泵的转速和工作压力等参数与其配流特性之间存在着一定的匹配关系。为了实现水压泵的优化设计以获得最佳性能,十分有必要对配流阀进行动态仿真和试验研究。

1 平板配流阀的数学模型

常用的配流阀结构有锥阀、球阀和平板阀,本研究中的水压泵采用新型的无导杆的平板阀配流结构,如图1所示。与锥阀结构相比,平板阀具有结构简单、密封性能好、响应速度快、通流能力强及抗污染能力强等优点。

图1 配流阀组件结构图

配流阀的阀芯从开启到运动到最大位移和从最大位移处运动到关闭的过程中,阀口液流的流动状态会由层流逐渐过渡到紊流,因液流的雷诺数变化很大,阀口的流速系数和流量系数也将发生变化。因此,要用数学方法来精确描述阀口过流的变化过程将非常复杂[2]。实际上,为减小配流阀开启的压差,配流阀座孔半径与阀芯外圆半径的实际差值很小,阀口密封带相对其过流断面的尺寸来说也非常小。因此可以近似认为,阀口流动为薄壁小孔流动。为便于分析,将水压泵平板配流阀简化为图2所示的物理模型,以此建立该泵配流阀的数学模型。

图2 配流阀的简化模型

单柱塞泵的动态特性可用下列方程表示：吸入阀力平衡方程

吸入阀流量方程

吸入阀和压出阀流量连续性方程

压出阀受力平衡方程

压出阀流量方程

柱塞运动方程

式中,m1、m2分别为吸入阀和压出阀的质量,kg;S为柱塞位移,m;R1、R2分别为吸入阀与压出阀的阀芯半径,m;R z为柱塞半径,m;kx、ky分别为吸入阀与压出阀的弹簧刚度,N/m;p1为吸入阀入口压力,Pa;p2为柱塞腔压力,Pa;p3为压出阀出口压力,Pa;x0、y0分别为吸入阀与压出阀的弹簧预压缩量,m;r1、r2分别为吸入阀与压出阀阀座孔半径,m;Fw1为吸入阀稳态液动力,N;Fw2为压出阀稳态液动力,N;ρ为水的密度,kg/m3;q1、q2分别为通过吸入阀与压出阀的流量,m3/s;x、y分别为吸入阀与压出阀的阀芯位移,m;E为水的体积模量,Pa;V0为柱塞运行到中点时柱塞腔的容积,m3;φ为主轴转角,(°);β为斜盘倾角,(°);cv1、cv2分别为吸入阀与压出阀阀口的流速系数;cd1、cd2分别为吸入阀与压出阀阀口的流量系数;a1、a2分别为吸入阀与压出阀的开口面积,m2。

2 无导杆平板阀的配流特性仿真分析

根据式1～式6所建立的单个柱塞与配流阀的特性方程,选取配流阀的位移x、y和柱塞腔的压力p 2作为研究对象,通过仿真来分析研究水压泵的配流特性。以上死点位置柱塞开始压水作为仿真的起始点(φ=0处),此时柱塞位移、速度均为零,柱塞腔压力标准大气压为 p 0,利用AMESim和MATLAB软件进行联合仿真分析,有关参数的基本取值见表1。

表1 基本参数取值表

2.1 配流特性分析

图3所示为水压泵的配流特性曲线图,包括配流阀阀芯位移x与y、配流阀阀口流量q1与q2以及柱塞腔的压力p 2等随主轴转角 φ的变化规律曲线。从图3中可以非常直观地看到水压泵配流的四个过程：柱塞腔升压、排水、降压、吸水。显然,配流阀的开启与闭合较柱塞的运动有一定的滞后。按表1变量基本取值得到压出阀的开启滞后角约为24.8°,关闭滞后角约为 5°;吸入阀的开启滞后角约为24°,关闭滞后角约为16°。配流阀运动的滞后主要是因为水具有一定的压缩性,柱塞运动使柱塞腔容积发生改变,柱塞腔压力的改变造成海(淡)水收缩或膨胀;另一个原因是阀芯运动的惯性。无论是容积减小还是容积增大,都将对应主轴转过一定的角度,即滞后角。

图3 配流阀的配流特性

2.2 配流特性的影响因素分析

配流阀运动的滞后,除了会降低容积效率外,将可能导致柱塞腔压力突变,会加剧水压泵出口的压力脉动和流量脉动,还会引起吸入阀和柱塞腔吸水不充分,产生气蚀。因此,需综合分析研究各种因素对配流特性的影响,尽可能减小水压泵配流阀的滞后角,提高配流阀的响应速度和流通能力。

2.2.1 余隙容积的影响

图4所示为余隙容积对配流阀阀芯位移和柱塞腔压力的影响曲线图。当柱塞腔的余隙容积V0分别为60L、35L及10L时,压出阀开启的滞后角分别为 27.1°、24.8°及 21.3°,关闭的滞后角均为 5°;吸入阀开启的滞后角分别为 28.1°、24°、21.2°,关闭的滞后角均为16°。

图4 余隙容积对配流特性的影响

可见,余隙容积越大,配流阀的滞后越严重,且对开启的滞后角的影响大于对关闭滞后角的影响。这是因为配流阀开启滞后是水的可压缩性在起主导作用,而关闭滞后则是阀芯的惯性在起主导作用。同时,余隙容积越大,配流阀开启时阀芯突窜得就越高,但幅度不大;此外,余隙容积对配流阀阀芯柱塞腔的最大压力和最小压力、压出阀出口的最大流量等影响很小。尽管水的弹性模量大于矿物油,但是泵柱塞腔闭死容积大小对配流阀的运动滞后、运动平稳性以及泵的容积效率等仍有较大影响。从理论上讲,闭死容积越小越好。但在实际设计中,配流阀不可能做到零闭死容积,只能尽量减小闭死容积,从而最大限度地减小它对配流阀的不利影响。

2.2.2 阀芯质量的影响

改变阀芯的质量,吸入阀质量m1和压出阀质量m2分别取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组数值,得到图5的仿真结果。图5的仿真结果说明：阀芯质量越大(即惯性越大),配流阀的最大开度也越大;对压出阀,质量大的阀芯,其关闭滞后明显增大,但对吸入阀的滞后影响较小。为了减小配流阀的运动滞后,提高配流阀的运动平稳性,降低流量脉动,并提高泵的容积效率,必须尽可能减小配流阀阀芯的质量。但是,阀芯质量过小,阀芯运动不平稳,振动加剧,甚至出现“颤动”现象,导致柱塞腔压力波动,并易引起弹簧振动,加速弹簧疲劳。因此,阀芯质量应该与比弹簧力(阀芯单位面积上的弹簧力)相适应,在此前提下适当地减小。

图5 阀芯质量对配流特性的影响

2.2.3 弹簧刚度的影响

改变吸入阀和压出阀的弹簧刚度k1和k2,分别取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组数值,得到图6的仿真结果。从图6可以看出,弹簧刚度对配流阀开启滞后角影响很小,但对关闭滞后角有一定影响;弹簧刚度越大,配流阀的关闭滞后角越小,同时阀芯最大位移也越小。通过仿真还发现,增大弹簧预压力也可以达到类似的效果。这主要是由于增加弹簧刚度和弹簧预压力能够加快阀芯回程运动而减小其与柱塞运动的相位差,从而可以减小回流,有利于提高泵的容积效率。相对来说,弹簧刚度在一定范围内对配流阀整体性能的影响不大。值得注意的是,在设计配流阀的刚度时,需考虑其固有频率不能与水压泵的主轴旋转频率相差整数倍,否则会引起配流阀共振,加大泵的噪声。

图6 弹簧刚度对配流特性的影响

2.2.4 吸入真空度的影响

由图7可知,真空度对吸入阀的配流特性有很大的影响。当泵的吸入真空度分别为0.05MPa、0.06MPa、0.07MPa 及 0.08MPa 时,吸入阀的开启滞后角和关闭滞后角依次增大约4°和3°。这里主要是,水压泵的吸入压力(进口压力差p 0-p 1)越大,配流阀开启的滞后角和关闭的滞后角越大。当吸入阀真空度增加时,吸入阀位移先增加后减小,在0.6MPa时达到最大;同时,配流阀的流量逐渐减小,在0.08MPa时流量有加快减小的趋势。可见,水压泵能够正常工作的真空度是0.06MPa,而一旦超过0.08MPa,水压泵的容积效率将迅速下降。这一点,在该泵样机试验中得到了很好的验证[3]。

图7 真空度对配流特性的影响

2.2.5 其他因素的影响

通过仿真研究发现,水压泵的工作转速对配流阀的响应特性影响很大。转速越高,配流阀的关闭滞后越严重,而关闭滞后会导致回流,降低水压泵的容积效率。在其他变量相同的情况下,水压泵的工作压力(进出口压力差p 3-p 1)越大,配流阀开启的滞后角越大,而关闭的滞后角基本上不受影响。这是因为当工作压力升高时,柱塞腔内建压和卸压的时间就要相应地加长,从而导致配流阀开启滞后角相应地增大。同时,工作压力越大,配流阀的最大位移也越大,只不过工作压力对配流阀位移及整体运动特性影响相对较小。限于篇幅本文没有列出具体的仿真结果。

3 结束语

本文基于对阀式水压轴向柱塞泵的平板配流阀的动力学分析建立了配流阀的数学模型,通过对其配流特性的仿真分析,得到如下结论：

(1)应尽可能减小柱塞腔的余隙容积,适当减小配流阀阀芯的质量和提高弹簧刚度和预压力,以减小配流阀的运动滞后,从而提高配流阀的响应速度和运动稳定性。

(2)吸入真空度对吸入阀的配流特性有很大的影响。真空度过大,会造成吸入阀开闭滞后,并降低泵的容积效率。

(3)从配流阀响应的角度考虑,配流阀水压柱塞泵的工作转速不能太高,取750～1000r/min比较合适。工作压力过高也会使得配流阀开启滞后,造成容积效率下降。

[1] 贺小峰,杨明国,李壮云.水压柱塞泵配流阀的设计与试验研究[J].中国机械工程,2004,15(10)：862-864.

[2] 张家鉴,赖涤泉.低黏度大雷诺数紊流流动时圆锥阀的推力系数和流量系数的研究[J].液压气动与密封,1984(3)：19-22.

[3] Huang Guoqin,Zhu Yuquan,Li Xiaohui.Novel Seawater Hydraulic Axial Piston Pump and Its Experiment[C]//7th International Conference of Fluid Power Transmission and Control.Hangzhou,2009：494-497.