液压柱塞泵斜盘力矩分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 6 ． 2 Ol l 液压柱塞泵斜盘力矩分析 缪建成 孙 凯 刘 雪波 1 ． 海军驻贵阳地区航空军事代表室， 贵州贵阳5 5 0 0 0 9 ； 2 ． 中航力源液压股份有限公司， 贵州贵阳5 5 0 0 1 8 摘要 本 文针对我厂某型液压柱塞泵 在试验过程 中出现的全流量压力点前移问题 ， 进行 了分析计算 。 通过对斜盘力矩进行分析计算 ， 并采取有效措施 ． 解决 了后续产品全流量压力点前移 的问题 。 关键词 液压柱塞泵 ； 斜 盘； 力矩 ； 全流量压力 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 6 - 0 0 4 3 - 0 4 The An a l y s i s o f S wa s h P l a t e Tor q u e o f t h e Hy d r a u hc Pi s t o n P u m p MI A0 J i a n c h e SU N Ka i L I U Xu e - b o 1 ．T h e Na v y Mi l i t a r y Re p r e s e n t i o n d e p a r t me n t i n Gu i y a n g a r e a ， G u i y a n g 5 5 0 0 1 8 ， C h i n a ； 2 ．C h i n a A v i a t i o L i y u a n H y d r a u l i c C o ． ，L t d ． ， G u i y a n g 5 5 0 0 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， o u r f a c t o r y s o me t y p e o f h y d r a u l i c p i s t o n p u mp i n t h e e x p e r i me n t a p p e a r e d i n t h e p r o c e s s o f w h o l e fl o w p r e s s u r e p o i n t f o r w a r d p r o b l e ms ， i s a n a l y z e d a n d c a l c u l a t e d ． T h r o u g h t o t h e s w a s h p l a t e t o r q u e o f c alc u l a t i o n a n d a n a l y s i s ， a n d t a k e e ff e c t i v e me a s u r e s t o s o l v e t h e s u b s e q u e n t p r o d u c t wh o l e fl o w p r e s s u r e p o i n t s a h e a d o f t h e p rob l e m． Ke y W o r d s h y d r a u l i c p i s t o n p u mp ； s wa s h p l a t e ； t o r q u e ； w h o l e fl o w p r e s s u r e O前言 我厂生产的某型液压柱塞泵是为某主机所液压伺 服舵机要求而设计 。该型舵机受到体积 、 重量等因素的 限制 ，提供驱动液压柱塞泵的原动机 的机械能是有 限 的 ， 因此要求能量转换和整个作业有高效率 ， 这就要求 液压柱塞泵的工作压力 、供油或功率根据负荷的变化 适时地进行 自动调节。供给液压柱塞泵的机械能是根 据控制要求而变化 ，液压柱塞泵输出的压力 和流量需 要 自动调节 ， 高效地对能源进行转换 ， 使有效 的能源充 分转 化 为对 系统 的控制 。该 型液 压柱 塞 泵采 用 负 载直 接感应变量控制机构 ， 在较大工作压力范围内， 排量呈 线性 变化 ， 随着 工作 压 力增 加 ， 液 压 柱塞 泵 流量 呈线 性 减小 。 l 问题的提出 该型 液压柱 塞泵性 能要 求如 下 出 I 1 压力 P 1 3 ． 5 MP a ， 流量 1 1 ． 5 0 ． 5 L ／ m i n ， 零 流量压 力 2 1 ． 5 MP a 。 收稿 日期 2 0 1 1 - O l 一 1 0 作者简介 缪 建成 1 9 8 4 一 ， 男 ， 本科 ， 毕业 于海军航空工程学院 系统工 程 专业 ． 现工作 于海军驻贵 阳地 区航 空军事代表室 ， 从事航空 配套产 品的 质量监督工作。 根据该型液压柱塞泵的性能要求 ，绘制出液压柱 塞泵 p - Q曲线，见图 1 。液压柱塞泵正常工作时 ， p - Q 曲线应 该位 于 图 1中 S 1曲线与 S 2曲线之 间 。 图 1 p Q曲线 2 斜盘力矩分析 直轴式轴向柱塞泵通过泵的变量机构改变斜盘倾 角 的大小来 改 变输 出流量 。对 斜盘力 矩 的分析 ， 将对 找 出液 压 柱塞 泵 最大 流量 点 前 移提 供依 据 。该 型 液压柱 塞泵 主要依靠调压弹簧与随动活塞控制斜盘力矩 ， 改 变液压柱塞泵 的斜盘倾角进行调节 ， 出 口压力越大， 液 压 柱塞 泵 的斜盘偏 转 角度越 小 ， 泵 的排 量就 减少 。在下 面的分析 中， 规定使斜盘倾角减少的力矩为正 ， 使斜盘 倾角增加的力矩为负。 4 3 液 压 气 动 与 密 1 “ ／ 2 01 1年 第 6期 1 柱塞 液压力 矩 ， 。 目前 。飞机液 压 系统 中所用 的较多 变量 泵大 多采 用偏心结构 ， 柱塞液压平均合力为 。 一 2c o s t 各柱塞受液压作用力 的合力作用 于斜盘 的力矩 为 Ml - 一 - t a n y 式中p 排油腔压力 ； p 。 吸油腔 压力 ； 2 r_一 液压柱塞泵柱塞数量； 柱塞截 面积 ； r斜盘倾角； 斜盘转轴与转子轴线径向间隙； 6 斜盘转轴与柱塞球心平面距离。 对于该型液压柱塞泵 ， 由于采用无偏心结构 ， a O ， b O ， 因此柱塞液压力矩为 0 。 2 过 渡 区闭死液压 力矩 。 过 渡区闭死液压 力矩 与配油盘过渡 区的结 构有 关 。 该型液 压柱 塞泵 的配油盘 过渡 区的结构 见图 2 。 | 一 ’ 图 2配 油 盘 过 渡 区结 构 当柱塞位于上死点 柱塞腔容积最大 时 ， 闭死液 压平均 力矩 为 ZCOS Tl r c o s t 。㈩ ‘ 1 ⋯ ． 当柱塞位于下死点 柱塞腔容积最小 时 ， 闭死液 压平均 力矩 为 x 单 2 2 ‘ e o s yw c o s y 2 c o s 1 T 另外 ， 该液压柱塞泵出口卸荷槽 △ 0 c 对斜盘的力矩 为 螋 生 ． F , Z A a 3 一 3 2 ‘ c o s y c o s y 2 c O S 闭死液压总平均力矩 为 4 3 柱 塞惯性力 矩 。 在任意转角 下 ， 单个柱塞的惯性力矩 为 一 Rf t o a c 。 c 。 全 部柱 塞的惯 性力矩 总和 为 ∑ 一 m R c c， ta r r y i J[ 。 R 吖 f c o s a i 1 2 “ff 】 5 全部柱塞的惯性力矩的平均值为 斋』 。 ∑ 6 4 柱塞与柱塞腔壁的摩擦力矩 。 尝 7 2 c o s y 式 中 柱塞与柱塞腔壁的摩擦力。 5 斜 盘支 撑摩擦 力矩 。 p p 。 r 2 8 式中 斜盘支撑处摩擦系数 ； r ’ 斜盘支撑轴半径。 该力矩与斜盘摆动方向 相反。 阻止斜盘摆动。 6 斜 盘转 动惯性力 矩 。 J 8 9 式中 ．卜斜盘与卡盘转动惯量； 斜盘转动的角加速度。 7 斜盘 自重力矩 鸠 。 G C c o s y 1 0 式 中G 斜盘 与卡盘 的重量 ； 斜盘 与卡 盘重心 到斜盘 转轴距 离 。 8 滑靴偏转时的摩擦力矩 眠 。 当斜盘改变倾角时 ，滑靴与柱塞球铰之间相对运 动将 产生摩 擦力矩 。全部 摩擦力 矩 为 p 。 1 1 式 中 球铰摩 擦 系数 ； Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 6 ．2 0 l l r 1 柱塞球头半径。 该力矩与斜盘摆动方向相 反 ， 阻止斜盘摆动。 9 调节机构负载力矩 。 斜盘调节机构负载力矩 主要包括调压弹簧作用于 斜盘的力矩 与随动活塞作用于斜盘的力矩 。 液压柱 塞泵通过调压弹簧作用于斜盘上的力矩 为 A x L 1 2 式中 弹簧刚度 ； 弹簧压缩量 调节机构作用力到斜盘转轴的距离。 随动活塞作用于斜盘上的力矩 为 ，2 L 1 3 式中d ， 随动活塞截面直径 。 综 上所 述， 作 用在 斜盘 上的 总力 矩∑M为 M M2 M M4 Ms M6 M1 M8 Mt M 8 4 、 斜盘所有力矩平衡 ， 斜盘摆角不再发生变化。 即斜盘 摆角在某一位置平衡时， 斜盘上的所有力矩之和为零。 MM 2 M 3 M4 M 5 M 6 M1 M 8 Ml M |0 s 3 解决措施 通过前面的斜盘力矩分析 ，可以看 出使斜盘倾角 减小的力矩有 、 眠 、 、 ， 使斜盘倾角增大 的力矩 有 、 M． ， 其余 力矩包括 斜盘支撑摩擦力矩 M 、 斜盘 转动惯性力矩 、 滑靴偏转时摩擦力矩 、 与斜盘摆 动时的旋转方向有关 。 因此 ．要 想液 压柱 塞 泵 在压 力 为 1 3 ． 5 MP a时 流量 满 足要求 ， 可 以选择增 加 力矩 或 力矩 ． 的绝 对 值大 小 。从前面公式 6 可 以看出， 增加 的绝对值大小 ， 在零流量压力点时 ， M 的绝对值也同样增加 ， 带来斜盘 在零流量压力点负力矩加大 ，造成零流量压力超高现 象 。从 公 式 1 2 中可 以看 出 ， 增 加 力 矩 M． 的绝 对值 大 小 。 如果选择增加弹簧的压缩量 ， 也同样造成零流量压 力 的超 高现象 。 要想解决这一问题 ，则必须要求做到 该力矩在 1 3 ． 5 MP a时。 增加斜盘负力矩 ， 即增大斜盘摆角 ， 但同时 要求 该力矩 在 零 流量压 力 时 ， 该 负力 矩 大小 不 能增 加 。 解决的措施有两种 一种为加图 2中卸荷槽角度 △ ， 另一种为降低调压弹簧的刚度值 。在进行试验过程 中， 加长卸荷槽 可以解决这一问题 ， 但是毕竟卸荷槽角 度 A a 不能开过大，否则将会引起高低压腔串油现象。 因此在实际操作过程 中，我们选择降低弹簧的刚度来 解 决这 一 问题 。 从表面上理解减少弹簧刚度 ，会使斜盘的摆角减 小 ． 液压柱塞泵的流量反而变得更低 ， 实际情况确实也 如此。但是我们可以增加变量柱塞泵调压弹簧的压缩 量 ，使 弹簧负力矩绝对值在 1 3 ． 5 MP a下大于原弹簧负 力矩绝对值 ． 这样斜盘倾角较原来加大 ， 液压柱塞泵流 量上升至全流量状态 ，而 同时零流量压力点弹簧的力 矩与原来降低刚度前弹簧力矩相等 ，保证出口压力不 在增 加 。 1 零流量压力点分析 。 设弹簧原来刚度为 ， 现在刚度减少 了 △ ， 则现 在的刚度为 Ft A F t 。 因弹簧刚度减小，要想保持出口压力与原来相等 ， 则要求弹簧力矩与降低刚度前弹簧力矩相等 ， 弹簧的压 缩长度需要增加 ，设弹簧原来在零流量点 的压缩量为 ． ，增加值为 ， 则现在弹簧的压缩量为 。 。 由式 1 5 得 ， 在调整刚度前 ， 液压柱塞泵在零流量 压力点平衡时 ， 斜盘总力矩为零。即 M M2 M3 M4 M5 M6 M1 Ms Mt M o 1 6 同样 ， 降低刚度后 ， 液压柱塞泵在零流量压力点的 平衡时， 斜盘总力矩为零。即 ’ 一 M Mz M3 Ms M6 鸠 0 1 7 因调整前后 ，液压柱塞泵零流量点斜盘摆角 y 0 ， 且液压柱塞泵出口压力相等， 所以式 1 6 与 1 7 中 M 2 M2， M 3 3， ， M s M 5， M6 6， M 7 M7， Mg M8 ， M s Ms ， 得 出 Mt Mt 原弹簧力矩为 ． 调整后弹簧零流量点力矩为 一 Ft a Ft ． 得 出 A x A Ft A x ， 1 8 2 全 流量压 力点 1 3 ． 5 MP a分析 。 液压 柱塞 泵 降低 刚度 前 ，在 出 口压 力 1 3 ． 5 MP a下 平衡时， 斜盘总力矩为零 ， 即 一 MM2 七M 3 M 4 M s ’M6 七M1 M ＆ M t 七M 8 玛 下转第 4 9页 4 过 程进 行 了动力 学仿 真 ，得 到 了液 压缸 的时域 受力 曲 线 ， 结果表 明， 液压缸在艇车装卸载过程 中承受摆动负 载 和冲击 载荷 。 2 利用功率键合图得到了液压系统的状态方程 ， 并用 S i m u l i n k对液 压 系统 在 承载 下降 工 况下 的 阶跃 响 应 特 性 和 摆 动 负 载 工 况 下 的 响应 特性 进 行 了 动 态仿 真 ，可 以很 直 观 的看 出 冲击 载荷 和摆 动 负载 对液 压 系 统 的影 响 ， 为装 卸 载液 压 系统 系统 的 进一 步优 化 、 改进 提供了理论依据 。 3 A D A MS与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k结合 ， 进行 了液压 系统的时域全过程仿真， 具有一定的创新性 。 参 考 文 献 【 1 】 陈立平． 机械系统动力学分析及 A D A MS应用教程【 M 】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】 王 中双． 键合 图理论及其在系统动力学 中的应用【 M 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社 。 2 0 0 0 ． [ 3 】 [ 澳大利亚] P ． 德兰斯 菲尔德． 液压控制 系统的设计与 动态 分 析[ M】 ． 北京 科学 出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 4 】 庞积伟． 流体 管路 动态 特性模 型新解 [J l 机 电工程技术, 2 0 0 1 [ 5 】 刘 恒丽． 节 流调 速液压系统 静动态特性及 数字仿真研究【 D 】 ． 广西 广西大学 ． 2 0 0 5 5 ． [ 6 ] 陈杰． Ma t l a b宝典[ M】 ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 0 跫 固 一 O 一1 1 0 6 臂展开摆动负载工况主缸无杆腔压力响应 蘸 豳 三, ； J_zzzxz i- 囱 ⋯ L L 上 一_IL 弱 I． L l I l ⋯ L { 2 5 3 O t ／ s ．L ． L ． I I 芒 35 4 0 ／1 十H j j 一 I ． 3 一 ■ ． i， ⋯ ； 一 E ．j 三 鞋 主j 三 了 差兰目 4 9 0 H 9 5 5 0 0 5 9 5 51 0 4 2 O I 4 2 2 4 2 4 4 2 6 4 2 8 4 3 0 S 图 1 1 摆动负载工况主缸压力响应 从 图 7 ～ 图 1 0可 以看 出 ． 系统在 阶跃 负 载下 响应 时 间大约为 l s ， 响应超调较大 ， 初 始时由于液容 、 液感等 因素影响有一个高频振荡 。从 图 1 1可以看出 ， 液压缸 压力 响应 与 外 负载 的变 化 过程 趋 势 紧密 相关 ，外 负载 的跳变对系统产生较大的冲击。 4 结论 1 本文利用 P r o ／ E和 A D A MS联合对艇车的装卸 - 一 一一 一 - - - * - 上接第 4 5页 ∑ 2 o 假 设液 压 柱塞 泵在 出 口压 力 位 1 3 ． 5 MP a时 ，斜 盘 的摆角与降低刚度前一致 ，则现在弹簧的压缩长度增 加 ， 增加值等同于零流量时的增加量， 为 。 设原来弹 簧在 1 3 ． 5 MP a的压缩量为 ， ， 则现在弹簧的压缩量为 2 。 由于液 压柱 塞 泵斜 盘 摆角 没 有变 化 。且 液 压柱 塞 泵 出 口压 力均 为 1 3 ． 5 M P a ， 所 以式 1 9 与式 2 0 中 M 2 2， M 3 3， M 4， M 5 M s， M6 6， M 7 M 7， M s M 8， M s 降低刚度前弹簧力矩为 Mt 一 降低刚度后弹簧力矩为 一 L a f t 得出∑ 一 ∑ 一 一 L E 一 △ 2 1 将式 1 8 代入式 2 1 得 一 a t , LAF , Ax 2 1 显然 ， 调 压弹 簧在零 流量 压力 点 的压 缩量 ． 大 于 调压 弹簧在 1 3 ． 5 MP a时 的压缩 量 ， ，即 A x ． A x ， ， 所 以∑ ∑ 0 。 因此弹簧刚度减小后 ， 在 1 3 ． 5 M P a这一压力点 ， 斜 盘总力矩小于零 ， 斜盘摆角将增加 ． 液压柱塞泵流量将 上升 ， 直至斜盘总力矩平衡 。因此通过降低该型液压柱 塞泵调压 弹簧的刚度值可 以解决最 大前流量压力点前 移 的 问题 。 4 结论 本文 结合 实际 问题 针对 作 用 于某 型液 压 柱塞 泵斜 盘力矩进行 了分析研究。通过分析、 计算， 提出了降低该 型 液压 柱 塞泵 调 压 弹簧 刚度 以解决 液压 柱 塞泵 最 大全 流量压力点前移的故障。在实际操作过程中， 重新设计 调 压弹簧 ， 降低 其刚度 ， 通过 试验 验证 ， 解决 了该 型产 品 最 大全流量压 力点前 移的问题 。由此 可以看 出对 斜盘力 矩 的分 析研究 是液压柱 塞泵设计 过程 中的重要环节 。 参 考 文 献 【 1 】 李 玉琳 主 编． 液 压元 件 与 系统 设 计[ M ] ． 北京 北 京 航 空航 天 大 学 出版 社 ． 1 9 9 1 ． 【 2 】 王 占林． 飞机高压液压 能源 系统【 M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版 社 ． 2 0 0 4 ． 【 3 】 朱钰． 轴向变量柱塞泵斜盘力矩的研究【 J J ． 船海工程 ， 2 0 0 8 6 ． 49 。