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三配流窗口轴向柱塞泵配流理论及试验研究

张晓刚  
【摘要】:轴向柱塞泵作为液压系统中关键性动力元件,具有压力高、调速范围广、配流结构易于改型等特点,能够适应液压系统简化回路、节能环保的发展要求。采用液压泵直接控制液压缸的运动,是提高电液技术能量效率最直接的方法,是该领域国际上的研究热点,国内外在这方面都开展了许多研究工作。目前,液压系统主要采用阀控方式,存在不足是产生大的节流损失,降低了系统能量效率。人们早就明确,改变这种状况的最有效方式是采用无阀的泵直接控制技术,即通过控制液压泵的排量或转速,改变提供到系统的流量,控制液压缸的位移、速度和输出力的大小。根据对象不同,泵控技术有泵控缸、泵控马达两类,泵控缸又包含泵控对称缸与泵控差动缸。经过20多年的努力,直接泵控技术已取得了非常大的进展,发展了高动态响应比例和伺服泵,引入了变转速控制技术,解决了液压缸两腔的预压紧问题,尤其是对双出杆的对称液压缸,控制技术已非常成熟,并已经在航空领域获得了应用。但是,对于液压技术中广泛应用的差动液压缸,虽然已经取得了许多进展,现有技术都不理想,为了补偿差动缸不对称流量,需要采用许多辅助的方法。比如采用液压泵和马达组成的液压变压器补偿差动缸的不对称流量;采用液控单向阀补油、平衡差动缸流量差的方法。但是,由于差动缸的特殊结构,现有的技术还是不能做到像泵控双出杆缸一样,无需外部的辅助元件,只用一台液压泵就能闭环控制差动缸的运动。为了实现这一目标,本文依据非对称阀控制非对称缸的思想,提出在轴向柱塞泵中采用非对称配流方法控制差动缸的原理,在理论分析的基础上,从建模分析、仿真运算、三维实体建模到研制出一种新型液压泵,并在不同的工作模式下与仿真结果进行试验对比,得出比较合理的新型泵关键元件的结构参数,使样机泵的压力脉动效果达到与现有泵相当的水平,最终达到单泵可以补偿差动缸的不对称面积,闭环控制差动缸的运动,优化回路结构。具体的步骤是,对现有轴向柱塞泵进行重新设计和改型,将轴向柱塞泵的排油窗口保持不变,吸油窗口改型设计为两个窗口,一个窗口接液压缸的有杆腔,另一个窗口连通低压油箱,成为三配流窗口轴向柱塞泵,通过改变泵的排量或转速,直接控制差动缸的运动,相对于现有技术采用液压阀补偿差动缸面积差的回路,达到简化油路、提高系统的能量效率。三配流窗口轴向柱塞泵还能够同时输出两路不同压力的流量,控制两个液压执行器的运动。设计和改型过程中,首先,采用机电系统通用仿真软件SimulationX建立考虑单个柱塞运动特征、油液压缩性和配流面积随转角变化的液压泵仿真模型,通过数字仿真确定泵主要结构的关键参数,特别是缸体和配流盘减震槽的尺寸,采用数字仿真对泵的流量特性、压力特性进行分析;其次,制造出样机泵后,在试验台上对多种转速下泵的压力、流量、容积效率和噪声等特性进行测试,验证原理和仿真设计的正确性,重新设计和改型的泵配流窗口结构,有串联和并联两种形式;第三,利用Matlab/Simulink软件建立泵变转速控制差动缸闭式系统仿真模型,对差动缸运动过程中所受到的不同工况进行仿真研究,根据闭式回路动作要求,在试验台上对泵的输出流量、压力以及差动缸的位移、输出力、速度等参数进行测试,最终通过试验结果验证仿真结果。研究成果表明,采用新型配流原理研制成功的三配流窗口轴向柱塞泵,完全可以平衡差动缸两腔的不对称流量,将在不久的具体设备应用中发挥更大的作用。


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