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电液比例轴向变量柱塞泵的特性研究

王国志  
【摘要】: 斜盘式轴向变量柱塞泵在工程机械和注塑机上得到了广泛应用,低噪声和电液比例控制技术是轴向变量柱塞泵的重要发展趋势。目前,轴向变量柱塞泵的关键技术掌握在国外公司手中,国内的研究、生产、制造均还处于初级阶段。技术上的落后造成了柱塞泵稳定性差、响应慢、噪声大、寿命低和可靠性低等缺点。为此,开展轴向变量柱塞泵的关键技术研究,对于提高我国液压产品国际竞争能力,具有重要的社会意义、经济意义和工程应用价值。西南交大与普什驱动技术有限责任公司合作生产的BK系列电液比例开、闭环控制轴向变量柱塞泵经市场证明,其性能指标达到或超过国外同类产品水平。 论文采用理论分析、仿真分析和试验相结合的方法研究低噪声配流盘技术和轴向变量柱塞泵压力控制和流量控制中的稳定性问题。论文主要完成以下研究内容: 1.对轴向变量柱塞泵的支撑方式进行了研究。在考虑柱塞对斜盘的动态作用力的基础上,建立了斜盘支撑的动态数学模型,得出影响斜盘动态性能的关键因素。通过对斜盘支撑刚度的分析得知,与斜盘无柱塞支撑相比,斜盘柱塞支撑具有更大的支撑刚度,有利于系统动态性能的提高和降低因斜盘振动而产生的噪声。 2.注塑机对变量柱塞泵的节能和噪声方面有较高的要求,对注塑机用电液比例轴向变量柱塞泵应用在变工况(变压力、变转速、变排量)条件下的低噪声配流盘技术进行了研究。在考虑油液可压缩性的基础上,利用PumpLinx仿真软件、采用动网格技术和空化模型,通过CFD仿真分析,得出变工况条件对斜盘力矩、压力脉动、流量脉动和配流容积效率的影响规律。结果表明,柱塞泵流量脉动系数达到25%以上,远大于理论分析中没有考虑考虑油液可压缩性和配流盘结构时的计算值。因此,在控制系统中使用时,应该考虑流量脉动的影响,并提出影响配流容积效率的主要因素。同时研究了斜盘力矩、压力脉动和流量脉动对柱塞泵噪声和柱塞泵变量控制特性的影响。研究了负遮盖对称偏转型配流盘的负遮盖角度和配流盘偏转角对柱塞泵配流噪声的影响,提出了满足低噪声和适应变工况的配流盘技术。 3.建立了电液比例开、闭环轴向变量柱塞泵的数学模型,从配流窗口的压力流量特性入手,分析了配流窗口的面积梯度简化公式应用存在局限性。因此,采用对过流面积进行多项式拟合,而面积梯度W(x)不能直接对过流面积拟合多项式求导后得出,采用对过流面积公式求导后用多项式拟合的方法可得到更加准确的结果,在MATLAB中编写了相应的计算程序。通过对矩形窗口、圆形配流窗口、U形槽配流窗口和V形槽配流窗口的压力流量特性对比研究,确定了补偿阀和比例流量阀选择配流窗口的原则。得到了影响柱塞泵动态性能的主要参数及其影响规律,并对补偿阀阀芯正开口量、压差节流孔直径和背压节流孔直径进行了匹配研究。同时在分析控制柱塞无阻尼和固定阻尼的优缺点基础上,提出了控制柱塞的变节流阻尼技术,一方面具有与固定阻尼相同的增大阻尼的优点,另一方面摈弃了固定阻尼具有的恒流量损失、节流噪声和节流孔易堵塞的缺点。对影响泵卸荷状态稳定性的重要结构—卸荷孔进行了详细的研究,提出了通过改变控制柱塞端部角度来改变卸荷孔处流量增益的方法,并推导出圆孔与斜面阀芯的过流面积和面积梯度公式。 4.对电液比例开、闭环轴向变量柱塞泵进行了试验研究,结合仿真模型,对比研究后得到了影响柱塞泵动态性能的几何参数及其影响规律,并对几何参数进行了匹配研究。对仿真中提出的控制柱塞变节流阻尼技术和改变控制柱塞卸荷孔增益的方法进行了试验验证,分析并解决了实际应用中所出现的柱塞泵控制稳定性的问题。


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