平衡式两排轴向柱塞泵变量机构特性分析
文章编号：1672-1098（2016）04-0042-05
平衡式两排轴向柱塞泵是一种新型轴向柱塞泵，除具备普通轴向柱塞泵的特点外，还具有结构紧凑、轴向液压力平衡、振动小、噪声低等优点。鉴于平衡式两排轴向柱塞泵斜盘具有多个斜面而变量困难，比较适合被用于定量供液的液压传动系统中，成为制约平衡式两排轴向柱塞泵拓宽应用的一个关键因素。因此，有必要分析轴向柱塞泵各种变量方式的结构特点，得出其与平衡式两排轴向柱塞泵结构的契合度，最终选定平衡式两排轴向柱塞泵变量方式，并对该变量结构进行分析，确立该变量机构的基本特性。
1.变量方式可行性分析
（1）改变斜盘多斜面的角度
改变斜盘倾角是一种最常用、同时也是成熟度最高的变量方式，可在零流量到最大流量之间无极调节，变量范围大。增加适当的调节机构，可以实现多种变量模式，如恒功率、恒压、功率适应等控制策略。其缺点是转动斜盘所需的力和力矩较大，导致其动态响应较慢。
将该变量方式应用于平衡式两排轴向柱塞泵，存在如下两种实现方式：第一，将斜盘多斜面作为一个零件（图1a），变量时一个斜面倾角减小，另一个斜面倾角变大，即内排、外排排量变化的方向总是相反的。要实现变量，必须使内排、外排的排量变化率不一样。内排、外排排量的变化方向相反也减小了变量的范围，同时也不利于有效控制轴向液压力的平衡。第二，将斜盘多斜面的结构分解为多个斜盘相互嵌套结构（图1b），分别用单独的机构进行控制，该结构有利于变量范围的扩大和轴向液压力的平衡，缺点是机构设计的难度较大。
上述两种变量方式都极易导致斜盘斜面、内排、外排滑靴副等零部件之间的互相干涉，设计难度大，甚至难以得到合适的零部件结构和尺寸。
（2）改变柱塞有效行程
实质上，改变斜盘倾角也是间接的改变柱塞中缸体柱塞孔中的往复行程。将缸体嵌套在一个缸筒中，通过轴向移动改变缸体孔与缸筒泄漏孔的配合位置，使柱塞的一部分行程排油直接排入泵体内后，再泄漏出泵体，即形成局部空行程，从而减小液压油的排出量。这种变量方式的优点是不改变轴向柱塞泵主体结构，驱动缸筒的力较小，响应快。缺点是增加了缸体的加工难度，增加了泵整机尺寸。
将此种变量方式应用于平衡式两排轴向柱塞泵难度较大。首先该变量方式增加一个缸体与缸筒配合的摩擦副，增加了缸体的加工难度。其次，该变量要求在缸体的径向加工泄漏孔与缸筒泄漏孔相配合，对双排柱塞而言，难以设计出相应的结构。
（3）配流盘与斜盘错位采用配流盘和斜盘斜面的相互错位闸掉部分液压油，这种方式对采用端面配流的液压泵都是一个可采用的变量方式。对轴向柱塞泵可有两种实现方式：一是旋转斜盘，二是选择配流盘。这种变量方式的优点是：不改变轴向柱塞泵的内部结构，对泵的加工工艺及性能不产生额外要求，且斜盘或配流盘的转动力较小，动态响应较快。缺点是易导致其封油角的增大，将增大轴向柱塞泵的振动和噪声。
将该种变量方式应用于平衡式两排轴向柱塞泵，相对于前述改变斜盘倾角和柱塞的有效行程而言，不需要改变平衡式两排轴向柱塞泵本身就相对复杂的结构，相比较而言是一种较为适合平衡式两排轴向柱塞泵的变量方式。
2.力学特性
为进一步研究平衡式两排轴向柱塞泵斜盘与配流盘错位变量机构的特性，有必要对其力学特性进行分析。其变量方式为选择斜盘旋转，结构示意图如图2所示。
该变量机构转动时主要克服三个接触面的摩擦力矩以及自身重量而形成的惯性力矩，三个摩擦力矩分别指的是滑靴副与斜盘表面相对转动形成的摩擦力矩、斜盘端面与泵体相对转动形成的摩擦力矩以及斜盘孔与转动轴之间相对转动形成的摩擦力矩，分述如下。
斜盘孔与传动轴之间的摩擦力矩主要与斜盘的轴向液压力相关，对于普通轴向柱塞泵，斜盘单侧存在轴向液压力，使斜盘孔与传动轴之间存在单侧卡紧现象；对于平衡式两排轴向柱塞泵而言，由于双侧存在轴向液压力，如式（4）所示，且双侧液压力均存在一定的脉动性（处于高压区的柱塞数mi会变化，且高压区的压力p也存在一定程度的波动），有利于防止斜盘转动时被卡紧，使该摩擦力矩大大降低，其计算公式可按环形缝隙进行处理，可得
（2）惯性力矩平衡式两排轴向柱塞泵斜盘存在一定的质量，转动时将产生惯性力矩，可表达如下
由式（8）可知：不同于普通轴向柱塞泵转动斜盘需克服高压油液的压力，只能采用液压力驱动或在泵停止运转时驱动，平衡式双排轴向柱塞泵推动斜盘转动的合力矩主要为摩擦力矩，相当高压油液压力乘以摩擦系数，其力的大小减小为实际大小百分之几。若在泵体与斜盘接触面采用推力轴承，在斜盘与传动轴之间采用角接触轴承，将斜盘的滑动转化为轴承滚子的滚动，可进一步降低斜盘的驱动力矩，能在泵正常运转时手动驱动斜盘的转动，也可利用外负载形成的反馈液压力进行恒压、恒功率或恒功率控制，其动态响应速度将大大优于普通轴向柱塞泵。
3.流量脉动
改变斜盘与配流盘相位角变量方式的缺陷是形成较大的封油角，导致压力和流量脉动加剧，产生较大的振动和噪声。故有必要研究该变量机构对平衡式两排轴向柱塞泵瞬态流量的影响。
设置平衡式两排轴向柱塞泵内排、外排的平均流量相等，即K1=K1，考虑斜盘转动角度的影响对其瞬态流量进行仿真，可得瞬态流量曲线如图4和图5。
图4为斜盘旋转角分别为0°、5°、10°和15°时，平衡式两排轴向柱塞泵总的瞬态流量随缸体转角变化的曲线图。由图4可见，随着斜盘旋转角度的增大，平衡式两排轴向柱塞泵的瞬态流量曲线向下移动，平均流量不断减小，从而实现了变量，但同时其瞬态流量曲线的脉动也相应加剧。由此可见，改变斜盘与配流盘相位角变量是以增大闭死角而引发更大的流量脉动为基础的。
图5为平衡式两排轴向柱塞泵内排、外排和总的瞬态流量随缸体转角变化的曲线图，且斜盘相对配流盘转动的角度均为5°。由图5可见，由于斜盘和配流盘的相对转动，使平衡式两排轴向泵内排、外排的瞬态流量每个周期中均产生了一个突变（单独内排或外排类似一个普通轴向柱塞泵）。但平衡式双排轴向柱塞泵总的瞬态流量由于内、外排瞬态流量的叠加，其突变值变小为内排或外排突变值的一半，即为普通轴向柱塞泵的一半，从而缓解了流量突变而形成的振动和噪声。
4.小结
在分析了传统轴向柱塞泵三种变量方式的基础上，确定改变斜盘与配流盘相位角的变量方式较适合平衡式两排轴向柱塞泵。并以旋转斜盘为例，进一步分析了该变量方式的力学特性及其对平衡式两排轴向柱塞泵流量脉动的影响。最终指出，该变量方式驱动斜盘所需力较小，斜盘两侧承受的脉动压力能有效避免斜盘卡紧。随着斜盘转角的增大，流量脉动加剧，这一缺陷也可由平衡式两排轴向柱塞泵的结构优势有所缓解。