amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计

技术哥 2023年1月5日浏览：1586 收藏：1

第一作者简介： 王晋芝（1978-），男，贵州贵阳人，高级工程师，学士，主要从事液压泵/马达及液压系统的研发设计工作，就职于力源液压(苏州)有限公司。

摘要： 针对某型号轴向柱塞泵在重载小流量工况下容积效率低的问题，运用AMESim软件搭建轴向柱塞泵配流副原理模型，对配流盘的结构进行优化设计并对优化前后的容积效率进行对比分析，最后，通过试验验证了相关设计参数的正确性，结果表明：优化后的配流盘结构能明显地改善重载小流量工况下轴向柱塞泵的容积效率。

关键词： 轴向柱塞泵；AMESim；容积效率；配流盘；卸荷槽

引言

轴向柱塞泵作为液压系统的核心元件之一，具有工作压力高、功率密度大、噪声低、容积效率高、变量方便等特点而被广泛应用于中高压、大功率液压系统中。对于轴向变量柱塞泵而言，由于配油盘固定在后盖上，使得柱塞泵的容积效率只在某一工况下达到最优，其他工况均通过配油盘卸荷槽设计来包容，而传统的三角槽结构在重载小流量工况下由于容积效率低，容积效率带来的流量损失导致泵输出流量变化率非常大，使得主机执行机构速度与负载不匹配，尤其出现负载大范围变动或晃动时，就会导致执行机构速度出现明显爬行现象，严重时甚至发生安全事故，因此改善轴向柱塞泵在重载小流量工况时的容积效率问题具有重要意义。

配流盘结构及作用过程

某型号轴向柱塞泵心脏结构示意图如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图1

图1 某型号轴向柱塞泵心脏结构示意图

如图1所示，某型号轴向柱塞泵心脏部件主要由配油盘、转子、柱塞、滑履、压板、斜盘、主轴等零部件组成。当主轴带动转子转动时，转子与柱塞同步转动，由于斜盘存在偏角，柱塞在转子柱塞孔内作直线往复运动。在吸油区，柱塞在中心弹簧的作用下，不断伸出，柱塞腔容积不断增大，柱塞腔与配流盘的吸油窗沟通，吸入油液，直至上死点为止；在排油区，柱塞在斜盘表面的作用下，不断向柱塞腔内伸进，使柱塞腔容积不断减小，柱塞腔与配流盘的排油窗沟通，排出油液，直至下死点为止。缸体每旋转一周，柱塞完成一次吸油-排油动作，如此往复，便连续地吸油-排油，沿转子径向均布的多颗柱塞叠加后，便形成了连续的油液流动。

某型号轴向柱塞泵配流盘结构如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图2

图2 某型号轴向柱塞泵配流盘示意图

如图2所示，配流盘分为排油区、吸油区和过渡区，其中过渡区采用三角槽结构，且在三角槽尖端还存在着一个节流小孔。在配流盘过渡区，柱塞从上死点向下死点运动，在离开上死点时，柱塞腔与高压侧三角槽接通，高压油通过三角槽流入柱塞腔推动柱塞，使腔内压力逐渐上升，避免压力突变。同理，在低压区的三角槽沟通缸体柱塞腔，高压油接通低压区开始泄压，也可避免压力突变。

以柱塞从低压区向高压区转换为例，柱塞腔压力可按节流压差方程建立：

p ₍ _θ) = p _d - ρ/2（ q /C_d A ₍ _θ) ²）（1）

式中 p _d—— 柱塞腔出口压力；

ρ —— 油液密度；

q —— 流量；

A ₍ _θ)—— 通流面积；

C _d —— 流量系数。

由式（1）可知，流通面积 A ₍ _θ) 随着转子窗口的转动而不断发生变化，相同结构下，压力越高，柱塞腔与出口腔压差也就越大，所产生的倒灌与回流现象就越严重，容积效率也就越低。

仿真分析

2.1 仿真模型搭建

为模拟轴向柱塞泵配流盘处的流量变化情况，根据某型轴向柱塞泵设计参数（见表1），建立如下AMESim单柱塞仿真模型：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图3

图3 某型号轴向柱塞泵单柱塞AMESim仿真模型

如图3所示，AMESim模型中采用等效节流孔的方法模拟转子与配流盘的过流面积，为探究不同卸荷槽结构对柱塞泵容积效率的影响，可变节流孔1、2、3分别受3个数据文件控制，代表着转子油窗经过配油盘各处油窗时接通进出油口的关系。

表1 某型号轴向柱塞泵主要参数

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图4

某型号轴向柱塞泵配流盘过流面积与转角的关系如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图5

图4 三角槽结构过流面积与转角的关系

如图4所示，开度值-1表示缸体油窗完全进入吸油区，其通流水力直径为缸体油窗水力直径的1倍；开度值为0.9表示油窗完全进入排油区，由于配油盘加强筋的遮挡，其通流水力直径只能为0.9倍的缸体油窗水力直径值。

2.2 仿真分析

根据以上仿真模型，可以得到最大摆角下柱塞腔流量变化曲线：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图6

图5 某型号轴向柱塞泵柱塞腔流量曲线

如图5所示，正值表示高压油输出至出口，负值表示出口油液倒流至柱塞腔内或低压进口(当柱塞腔内压力高于进口时则再泄至进口)；180°和360°位置的三角槽因提前接通，在180°前有一段负流量区，说明高压油液在柱塞未经过下死点前就向吸油腔内灌油，导致出口高压油液在180°位置三角槽内泄至柱塞腔内，柱塞腔内高压油又经360°位置的三角槽泄漏至进口低压区；形成了出口高压接连通过180°和360°三角槽直接内泄至进口的原因，这也是其容积效率低根源，尖端节流小孔的作用是将出口高压油液注入到还未开始预压的柱塞腔内以辅助其内压力的建立，降低柱塞位移挤压油液时导致压力跃升过快，引起柱塞腔内压力超调。

将9个柱塞并联后即可得到泵出口流量变化曲线如下所示：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图7

图6 某型号轴向柱塞泵出口流量曲线

如图6所示，出口流量呈周期性变化，其变化幅值为转速与柱塞数的乘积；瞬时流量出现两次回落，分别由油液倒灌和内泄引起，其平均值为141.6 L/min，即不考虑外泄时，某型号轴向柱塞泵处于最大摆角时，其容积效率只有94.4%。

2.3 优化设计

在原有仿真模型的基础上，通过调整相关结构，对配流盘卸荷槽进行优化设计，其结构如下所示：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图8

图7 优化后的配流盘结构

如图7所示，优化后的配流盘在过渡区采用不同直径的节流孔，以实现柱塞腔的预泄压与预升压过程，其中，节流孔1与壳体内腔沟通，节流孔3与出口腔沟通。优化后的配流盘过流面积与转角的关系如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图9

图8 优化后过流面积与转角的关系

如图8所示，对于优化后的配流盘，在0°和180°两处位置，均不存在同时连通吸排油腔，且在180°至181.44°之间分离，完全不接通；这保证了柱塞腔内的压力油不能进入吸油区，对容积效率的损失主要集中在180°位置上，节流孔3连通泵出口和柱塞腔内时，高压油液倒灌入建压较低的柱塞腔内。而在0°位置时，柱塞已回到上死点，不能对外排油，故节流孔1不能引起高压油向吸油口的灌油，仅仅是柱塞腔内残留压力的释放孔。

优化后的柱塞腔流量变化曲线如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图10

图9 优化后的柱塞腔流量变化曲线

如图9所示，对于优化后的配油盘，节流孔3的作用与优化前的配油盘三角槽尖端的节流孔作用相同，但其开启角度在180°之后，故出口高压油注入到柱塞腔内的压力油液并不能在预压区进入吸油区；在360°时柱塞输出流量无损失，这与优化前的配油盘不同；整个过程中出口高压油虽然回灌至柱塞腔内，但无压力油泄漏至进口吸油区。因此，在此特定工况点上除满足油液的体积压缩损失外，油液基本没有因配油盘的配油功能而产生损失。流经节流孔1的总流量在360°(或0°)位置之后出现负流量，表明过上死点后柱塞腔内压力油通过向壳体内腔进行压力释放来降压，并迅速进入吸油状态(流量为正值)。

由于节流孔1是接通壳体内腔的，所以节流孔1的作用是在柱塞进入上死点后，将储存的高压油液经过该节流孔1进行压力释放，在释放完毕后，当柱塞腔内进口压力较低时则通过该节流孔1吸入壳体内腔内的油液以防吸空。

当斜盘处于最大摆角时，优化后的泵出口流量变化曲线如下：

amesim柱塞泵：一种改善轴向柱塞泵容积效率的配流盘设计的图11