直轴式液压轴向柱塞泵配流机构优化设计与分析.pdf

2 0 1 1 年 1 1月 第 3 9卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 21 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 1 ． 0 3 2 直轴式液压轴向柱塞泵配流机构优化设计与分析 蒋幸幸 武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 4 3 0 0 5 0 摘要分析影响液压轴向柱塞泵工作噪声、发热的原因以及使用寿命的主要因素 ， 研究液压轴向柱塞泵配流机构在配 流过程中产生的压力瞬变和流量脉动以及配流噪声的机理，提出采用在高低压腰形槽的始端设置具有两种宽度夹角的双级 三角阻尼槽配阻尼孔结构的设计方案，可降低噪声、减少发热，提高使用寿命。 关键词配流机构；优化设计 ；轴向柱塞泵 ；压力瞬变 中图分类号T H 1 3 7 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 11 1 2 3 Ana l y s i s o n Opt i mi z at i o n De s i g n o f Po r t Pl a t e Pa i r o f I nl i ne Ty p e Ax i a l Pi s t o n Pu mp s J I ANG Xi n g x i n g Wu h a n I n s t i t u t e o f S h i p b u i l d i n g T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 5 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma i nc t o m i n fl u e n c i n g t h e p u mp ’ S wo r k i n g n o i s e，h e a t i n g a n d s e r v i c e l i f e we r e an a l y z e d ． T h e p r e s s u r e t r a n s i e n t a n d fl o w p u l s a t i o n，me c h a n i s m o f d i s t rib u t i o n n o i s e c a u s e d b y d i s t r i b u t i o n p r o c e s s o f h y d r a u l i c a x i a l p i s t o n p u mp w e r e s t u d i e d ． Th e d e s i g n i n g p r o j e c t t h a t a d o p t i n g t w o - b r e a d t h i n c l i n a t i o n t w o - s t a g e t r i a n g l e d a m p i n g g r o o v e and d am p i n g h o l e i n t h e s t a r t b i t o f h i g h - l o w p r e s s u r e k i d n e y g r o o v e wa s p u t f o r w a r d ．T h e n o i s e and f e v e r a r e r e d u c e d a n d s e r v i c e l i f e i s i mp r o v e d ． Ke y wo r d s P o r t p l a t e p a i r ；Op t i mi z a t i o n d e s i gn ；Ax i al p i s t o n p u mp；P r e s s e p u l s a t i o n 液压柱塞泵是靠柱塞在缸体内往复运动形成封闭 容腔的容积变化来实现吸油和压油的，该机构工艺性 好 ，配合精度高，密封性能好。该泵与其他泵相 比， 效率高、工作压力高、寿命长、流量调节方便、单位 质量功率大。液压柱塞泵按柱塞排列方向不同可分为 径向柱塞泵和轴向柱塞泵，液压轴向柱塞泵又分为直 轴式 斜盘式轴 向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵。 这里着重研究直轴式轴向柱塞泵。 1 直轴式液压轴向柱塞泵配流机构 柱塞泵配流机构根据使用的工况要求、结构特 点以及工作压力不同 ，可以分为球面式配流、轴式 配流、阀式配流和平面式配流。平面式配流是 目前 采用较多的一种结构，也是直轴式液压轴向柱塞泵 的典型配流机构 ，平面配流的配流部件是配流盘 ， 它沿轴 向安装在缸体端 面处 ，与缸体端 面紧密 帖 合 。平面配流的吸油腔尺寸可以做得 比轴式配流的 大些 ，缸体与配流盘之间的间隙能 自动补偿 ，故可 以有较高的转速及较高的排油压力。在同样的压力 下，平面配流的轴向泵有较大的单位质量功率 ，经 济性能指标较高。 2平面式配流机构的压力瞬变及流量脉动分析 图 1 所示的柱塞泵配流机构，采用平面式配流， 其配流部件的关键零件是配油盘 3 。柱塞泵在吸、排 油过 程 中，柱塞 腔 1中 油液 急剧 压 缩或 膨胀 引 起压力瞬变、流量脉动。 3 起液压泵输入、输 出管 l 一 柱塞腔2 一 体3 一配油盘 道内液压油的压力脉动， 压力脉动再经过系统 中 图 配流机构 油液、系统元件结构的传递，也形成系统的结构噪 声、空气噪声。配流过程中产生的压力冲击和流量脉 动是液压柱塞泵的两个主要激振源，配油噪声是轴向 柱塞泵液压噪声最主要部分。因此关于配流噪声产生 机理和配流噪声降低措施是液压柱塞泵设计研究中的 重要内容之一。 直轴式液压轴向柱塞泵平面式配流机构一般有 4 种类型 1 对称正重迭型 ； 2 带卸荷槽的非对 称重迭型； 3 零重迭型； 4 负重迭型。以典型 理想结构零重迭型进行分析，缸体柱塞腔从吸油腔突 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 2 O 作者简介蒋幸幸 1 9 6 9 一 ，女，学士，高级实验师 ，从事现代制造技术的研究与教学培训工作。Em a i l w u h anj x x 1 6 3． c o m。 第 2 1期 蒋幸幸 直轴式液压轴向柱塞泵配流机构优化设计与分析 1 1 3 然与排油腔接通时，柱塞腔 内的油液压力从吸油压力瞬 变到排油压力 ，引起瞬变冲 击，这一瞬变冲击过程可 以 通过如图 2所示 的柱塞腔 内 油液运动方程式、连续性方 程推导，最后得出超调压力 △ 3p 。 相对于排油压力 P 的算 式 e一 ∥佣 P 。 式中 为阻尼比。 图2 柱塞腔 如图4所示，采取将吸排油腔偏移并同时在排油 腔和吸油腔的前沿开设缓冲阻尼孔 ，e为阻尼孑 L ，d 段为变节流孔，d 段为固定节流孔，该孔与压排腔 腰形槽相通。阻尼孔 C中的 d ， 段和 d 段起组合作 用，开始 c f 2 段起作用 ，随后 d 段起作用。 该式相应之曲线通常如 图 3所示，由此可以看 出，当 加 时，卸 ，即出现很高的冲击压力。 压 捧腔 图3 优化设计前压力曲线 轴向柱塞泵吸油到压油转换过程中，高压区的高 压油迅速回冲至柱塞腔内，产生压力冲击。其冲击幅 值远高于泵的输出压力值，形成压力冲击及噪声。当 柱塞腔从排油腔突然与吸油腔接通时，柱塞腔内的油 液容积迅速回流至吸油区 吸油腔压力P 。 ，也会引 起负的冲击压力 图3中的 △ p 。 部分 。由于高压力 能量释放 ，发出噪声并产生能量损失。为了防止这种 冲击压力 ，柱塞腔内的压力不应从 吸油压力P 。 阶跃 地升至排油压力P ，而应从 P 。 平缓地升至P ；也不 应从排油压力P 。 阶跃地降到吸油压力P 。 。 3 轴向柱塞泵平面式配流配油盘结构优化设计 设计上要使配流转换过程 中柱塞腔压力变化平 缓，应设置一定的正重迭遮盖量 ，同时将配油盘上配 流腰形槽相对缸体柱塞腔上下死点沿缸体旋转方向分 别转过△ 和 △ 妒 ，即对缸体柱塞腔孔内的液压油进 行预升压或预降压 ，减小配流时柱塞腔孑 L 与排油槽或 吸油槽之间的压差，此时柱塞腔与吸排油腔接通时其 内的液体因压缩膨胀而形成的压力瞬变减小而不致形 成冲击压力。 另一方面是在预压缩角内加阻尼槽、阻尼孔 ，通 过阻尼槽、阻尼孔向缸孔中慢慢导入或排出高压油， 尽量延长配流所需的时间，可达到进一步减小压力变 化速度的目的。 图 4 配流机构 为了达到更加理想的配流噪声控制效果 ，在配 油盘的阻尼结构上采用在高、低压腰形槽 的始端设 置三角阻尼槽的形式 ，槽的横切面有逐渐变化和 固 定不变两种。以柱塞腔压力瞬变过程的数学分析为 理论依据，应用现代机械设计技术中的最优化设计 原理 ，对平面式配流配油盘具有两种宽度夹角的双 级三角阻尼槽进行优化设计分 析 如图 5所示 。 由于影响配油盘结构的主要尺寸为三角阻尼槽 的负 遮盖角 0 ， 、三角槽第一级宽度夹角卢 、三角槽结束 角度 、三角槽第一级所 占分度角 0和三角槽第二 级宽度夹角p ，配油盘结构优化设计的设计变量 具有五维，即 X[ 0 卢 。 、 q 、 0 、 ] ‘ 2 图5 阻尼槽结构 根据配流盘各结构尺寸间的几何关系及优化运算 的可行性要求 ，设计变量 还要受到若干几何约束 条件和运算可行性约束条件的限制。配流过程的特征 量主要为柱塞腔压力超调量 卸 、流经配油盘阻尼槽 亩 1 1 4 机床与液压 第 3 9卷 的流量 q 、压力变换时间 △ ￡ 和压力变化梯度等。其 中，△ p如果太大，会导致过大的压力冲击 ，引起较 大噪声；q 如果太大，会导致过大的流量脉动，引 起较大流体噪声。用 卸 和 q 直接表征配流噪声。所 以优化设计的基本原则定为 同时控制流量 q 峰值 和压力超调量 △ p的大小，这时，优化设计的目标 函 数为 F A p q 3 配油盘结构优化设计问题是一个五维非线性约束 优化设计问题 ，由于目标 函数 F 具有非线性程度 大、求导困难及数值计算量大等特点，可采用直接优 化方法中的复合形法来求解 ，并编制相应的计算程序 软件。 采用圆孔形状的阻尼孔与三角槽形状的阻尼槽的 配油盘在输出压力变化时，泵的噪声变化趋势基本一 致 ，但在泵的排量变化时，两者相差较大。采用三角 槽作阻尼槽结构形式的缺点是工艺性不够稳定，从而 泵的噪声水平也不够稳定。另外在柱塞进入阻尼槽的 前1 ／ 3时，由于其缓冲过流面很小 ，泵的转速高 ，这 部分过渡角不但缓冲效果不明显 ，而且在高压差下的 小孔节流会产生气穴，有气穴噪声产生。如在三角槽 的尖部加一个小圆孔，柱塞腔油液进入小圆孔区域 时，阻尼槽相当于固定阻尼孔，此时的节流面积远比 单一三角槽结构尖部的过流面积大，从而利用了过渡 角前 1 ／ 3的缓冲作用 ，同时避免了小孔节流气穴现象 及其气穴噪声。此结构适用于工作参数固定的轴向柱 塞泵 。 4 结束语 液压柱塞泵的噪声与其配流机构直接相关，对配 流机构进行优化设计的主要 目的就是降低配流噪声。 在配油盘结构设计中缸体的力平衡与配流困油瞬变冲 击是主要矛盾 ，是设计中的主要考虑因素。为此 ，采 用在高低压腰形槽的始端设置具有两种宽度夹角的双 级三角阻尼槽配多级阻尼孔设计方案，选择最佳的参 数 ，试验表 明可 有效地消除气蚀 ，减少 瞬变冲击 见图6 ，降低噪声、减少发热，提高使用寿命。 p。 ．r 7 、 p。 D △伊 l 一 矿 _ ． ■ ● - - - - - 一 一△ 2 图6 优化设计后压力曲线 参考文献 【 1 】 冀宏， 傅新， 杨华勇， 等． 柱塞泵阻尼槽噪声特性研究 [ J ] ． 浙江大学学报， 2 0 0 5， 3 9 5 6 0 9 6 1 3 ． 【 2 】 刘明华， 佟万林． 斜轴式柱塞泵噪声原因分析及降噪措 施[ J ] ． 机电设备， 2 0 0 3 ， 2 0 6 3 8 4 0 ． 【 3 】 杨华勇， 马吉恩， 徐兵． 轴向柱塞泵流体噪声的研究现状 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9， 4 5 8 7 l 一 7 9 ． 上接第 1 2 0页 5结论 建立了面向 S C A R A机器人轨迹规划的 A D A MS 仿真平台，通过该平台有效地验证了 S C A R A机器人 运动学模型的正确性，同时将轨迹规划算法融入仿真 平台，得出了轨迹规划算法的效果及动力学性能。对 于结构未知的机械人 ，如果通过物理样机来验证其运 动学公式的正确性和轨迹规划的效果，必然会造成开 发周期长、成本高，还可能遇到一些不可预测的问 题。通过仿真平台可有效地解决机器人开发和应用中 的上述 问题 。 参考文献 【 1 】 袁山． S C A R A机器人 依然快捷和可靠[ J ] ． 机器人技术 与应用， 2 0 0 5 5 3 1 3 3 ． 【 2 】 刘迎春， 余跃庆， 姜春福． 柔性机器人研究现状[ J ] ． 机 械设计， 2 0 0 2 ， 2 0 1 2 4 7 ． 【 3 】 郑凯， 胡仁喜， 陈鹿 民， 等． A D A M S 2 0 0 5 机械设计高级 应用实例[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 1 ． 【 4 】 校康明． 基于 S C A R A控制系统的运动控制 [ D ] ． 南京 南京理工大学， 2 0 0 8 ． 【 5 】曾华森． 基于回 转变换张量法的 6 R喷涂机器人轨迹规 划研究[ D ] ． 广州 华南理工大学， 2 0 0 8 ． 【 6 】 C R A I G J o h n J ． 机器人学导论 [ M] ． 负超 ， 译． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 6 ． 【 7 】 郑剑飞． 六自由度机械臂分布式控制系统的设计与研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 6 ． 【 8 】曾华森， 谢存禧， 吴向垒， 等． 6自由度喷涂机器人的运 动学分析与仿真[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 8 2 6 1 7 7 1 7 8． 【 9 】 J o r g e A n g e l e s ． 机器人机械系统原理 理论、 方法和算法 [ M] ． 宋伟刚， 译． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． 8 ．