阀配流径向柱塞泵中凸轮曲线的设计与仿真.pdf

2 0 1 0年 1 月 第 3 8卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 0 Vo l _ 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 2 4 阀配流径向柱塞泵中凸轮曲线的设计与仿真 王辉 ，唐晓娇 ，李岚 南华大学，湖南衡阳 4 2 1 0 0 1 摘要分析了阀配流径向柱塞泵发展制约点，提出对偏心轮改为特定曲线凸轮的设计思路，通过合理的设计凸轮曲线， 在理论上实现了一定时间段内无流量脉动。通过多个柱塞的组合，实现总流量的无流量脉动。并用 M A T L A B绘制出流量曲 线，通过 C A X A绘制凸轮曲线。理论分析的结果为设计和制造低噪声、高压力、大流量的阀配流径向柱塞泵提供了参考。 关键词 径向柱塞泵；流量脉动；凸轮设计 中图分类号 T H 3 2 2 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 02 0 6 5- 2 Th e De s i g n a n d Emu l a t i o n o f t he Ca i n Cur v e i n t he Pu mp Equ i ppe d 、 】l r i t h Ra d i a l - flo w Va l v e Pi s t o n WANG Hu i ．T ANC Xi a o i i a o ． L I L a n U n i v e r s i t y o f S o u t h C h i n a ，He n g y a n g H u n a n 4 2 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e l i mi t a t i o n o f t h e r a d i al fl o w v alv e p i s t o n p u mp，a d e s i g n me tho d t h a t t r a n s f o r ms e c c e n t r i c g e a r i n t o c a n i w i t h s p e c i a l c u r v e wa s p r o p o s e d ． B y d e s i gn i n g t h e c a m c u r v e r a t i o n all y ， t h e p u l s e wi t h o u t fl u x Was r e ali z e d i n t h e o r y w i t h i n e e r - t a i n t i me ． T h e fl o w c u r v e w as d r a w n b y MA T L AB，the c a m c u rve was d r a wn b y C AXA． T h e t h e o r e t i c a l an aly s i s r e s u l t p r o v i d e s r e f e r - e n e e for d e s i g n i n g a n d c r e a t i n g t h e r a d i al- fl o w v a l v e p i s t o n p u mp wi t h l o w n o i s e ， h i g h p r e s s u r e l a r g e fl o w． Ke y wo r d sRa d i a l p i s t o n p u mp； P u l s e fl o w； D e s i g n c a m 液压传动是流体传动的一种，被广泛应用于工业 生产 中。液压传动的动力元 件是液 压泵 ，而泵 的种类 繁多 ，阀配流径向柱塞泵是其中的一种。该泵的结构 简单，设计和制造方便，但机械噪声高、输出脉动 大，严重影响其性能的提高 。针对这个问题，作者 通过改变阀配流径向柱塞泵 的结构 ，使柱塞 的运动速 度稳定 ，从而减小流量脉动 。 1 阀配流式径向柱塞泵发展制约点的分析 图 1 阀配流径 向柱塞泵原理 图 图 1 所示为 阀配流式径 向柱塞泵原理简化 图，电 机驱动偏心轮做旋转运动 ，进而顶动柱塞沿柱塞腔做 往复直线运动。当柱塞向下运动时，柱塞腔在弹簧力 作用下形成负压 ，吸油阀在油压的作用下打开，油液 通过吸油阀填充柱塞腔。当柱塞向上运动时，压缩油 液产生足够的压力迫使排油阀打开 此时吸油阀在 高压作用下关闭 ，向系统供 油 。 通过分析偏心轮转动活塞运动状况 ，可 以发现柱 塞的运动速度 按三角函数变 化 ，直接影 响泵流量也按 三角函数变 化 ，带来很大 的流量脉 动。其次因阀 门的 惯性 和死容积导致 阀的运动 和柱塞 的运动不协调 ，在 吸油 和压油 的开始 阶段都会 出现一段滞后时 间。这些 问题严重影 响阀配流径 向柱塞泵 的性能 ，当提高转速 时流量脉动和滞后现象更严重 。 解决因活塞运动速度不均匀而带来的流量脉动问 题 ，最理想的办法是改 变偏心 轮为特 殊 曲线 的 凸轮 ， 使活塞做匀速运动。但活塞的运动路程是有限的，且 需要不断改变运动方 向。如果保 证速度 一定 ，则活塞 在改变速度方 向时就需要无穷大的加速度 ，从 而对 凸 轮产生刚性冲击，但这是机械运动不允许的。然而， 可以将滞后时间利用起来 ，将偏心轮进行修形，设计 成特殊曲线的凸轮，利用滞后时间对活塞进行加速或 者减速 ，从 而解决 刚性 冲击 问题 ，大大减小泵的流量 脉动 。 2 建立模型 图2 示出了活塞在设计好的凸轮的带动下的运动 状况，在 0到t ， 时刻速度按三角函数增大；在 t ， 到 t 时刻做匀速 运动 ；在 t 到 t 时刻 速度 按三 角 函数 减 收稿 日期 2 0 0 81 1 1 4 作者筒介王辉 1 9 8 7 一 ，男，南华大学机械工程学院本科生。电话0 7 3 4 7 1 3 1 4 7 1 ，1 5 0 7 3 4 7 4 1 7 3 。Em a i l q i n g j i a n g w a n g h u i 1 6 3 ． e o m。 6 6 机床与液压 第3 8 卷 小；在 t ， 到 t 时刻速度按三角函数反向加速；在 t 到 t 时刻做匀速运动；在 t 到t 时刻速度按三角函数减 小。当 0时为压油 ， 口 0时为吸油 。如此 重复上面 所描述 的运动 ，从而完成活塞的压油和吸油过程 。 图 2 活 塞速度 图中t 为时 间，s ； 为活塞运 动速度 压 油为 正 ，吸油为负 ，m ／ s ；h为活塞运动路程 0到 日 ， m；q为泵的流量 压油为正 ，吸油为负 ，m 3 ／ s ；d 为活塞直径 ，m。 为了简化模 型 ，这 里设定 t l t 一t 2 t 4 一t 3 t 一 t t 。 设 2 是泵工作过程中的一次滞后时 间 ； 工作 的周期为 Tt 。可 以得 到活塞 瞬时运 动速 度 ，活塞运动的瞬时位移 h ，泵单个活塞时的瞬时 流量 q 的表达式 。如果没 有滞后 现象 ，瞬时流 量应 一 2 该为 。 ，但实际上是有滞后现象的，所 以设定在 叶 滞后时间时流量为0即0～ t 。 、t ～ t 和 t ～t 时段流 量为 0 。 按照假定 的模型得到下列方程式 活塞 的瞬时速度为 in 云 t 当 0 ⋯ - 0 当 t l ≤￡ t 2 。c。s[ 云 ￡ 1 。 】 当 t ≤ f ￡， s in 【 卜r ／ 2 ] 当 ⋯ 一 当 t 4 ≤￡ t 5 cos[ 云 t 。 】 t5 ≤ 活塞 的瞬时位移为 h t o v ,d t 2 单个活塞的瞬时流量为 r 0 当 0 ≤￡ t l I Ird 2 。 当 ≤ q { 0 当f 2 ≤f 4 3 f 一 簪。 ⋯t L 0 当 t 5 ≤t t 6 为 了体现特定曲线 凸轮与偏心轮 的区别 ，按照上 面的分析方法对偏心轮带动活塞运动 的运动状况也进 仃 分 析 。 得 卜 列 方 程 式 活塞瞬时运动速度 in t 活塞的瞬时位移 孚 [ ⋯s ] 单 个 活 寨 的 瞬时 流 量 ． 2 了 ,r r f 2 了 a x 4 5 当0 ≤ t 0 ⋯ -f 0 当 T 6 当 吾 。 当 T t 0 ≤￡ T 活塞 的直径 d ，活塞运动的最大 高度 日和周 期 是设计 出的。泵的滞 后时间可以通过经验得到。在这 ，T ／ 2 里假设t 。 n 。由HI v ,d t 可以得到偏心轮泵的 参数 。 和凸轮泵 的参数 ％。为 了比较两 种泵的性能 ， 取一组 数 据 柱塞 数 为 1 ，d 0 ． 0 2 m，H0 ． 0 2 m， n 2 ，转速为 1 8 0 0 r ／ m i n即 1 s ，可得 t 。 。 图3所示为用 MA T L A B仿真得到的两种泵的瞬时流 量 曲线 。 5 3 j 1 2 1 ．3 ．5 图 3 泵瞬时流量的仿 真 比较 图 3 a 和 b ，可得 图 3 a 的波动性 明显 小 于图 3 b ，说 明凸轮可以明显减小流量 的脉动性。 在实 际应 用 中 ，为 了减小 受力 和 流量 的不 均匀 性 ，通常采用多个柱塞错位组合。在一个轮上均匀分 布3个柱塞 ，对这种情况下的总流量脉动性进行分 析 。根据上面 的数据 用 M A T L A B仿 真可得 总 流量 图 图 4 。 对 图 4 a 和 b 比较 ，可 以得 流量 脉动 的不 均匀 系数 __ ，图 4 a 的 。 0，图 ‘ 平均 ‘ 4 b 的 0 。所 以可 以得 出结论 设计 的凸轮在理 论上可实现无流量脉动。 下转第 3 9页 第 2期 姜 晶齿坯精车液压工装系统的研制 3 9 拉杆 3的拉 紧与松开 ，主要通过尾部专 用回转 油 缸 2和活塞杆控制 ，而专用 回转油缸 2的液压控制 系 统如 图 2所示 ，当 Y V I得 电，Y V 2失 电 ，液压 油 通 过三位 四通电磁换向阀左位 A口进人专用回转油缸 右腔，使回转油缸活塞杆带动拉杆向左移动，涨紧齿 坯；精车完毕，Y V 1失 电，Y V 2得 电，液压油通过 三位 四通电磁换 向 阀右位 B口进 入专 用 回转油 缸左 腔 ，活塞 杆带动拉杆 向右移动 ，松开并拆 卸精车完 毕 的齿坯。涨紧力大小通过溢流阀，根据被加工零件的 夹紧力大小来进行调整 。根据实际情况 ，液压油须选 择 Y BN 4 6抗磨液压油 。 2 液压系统的技术参数及使用注意事项 1 技术参数 额定压力 2 ． 5 M P a 泵最 大流量 2 5 L 电动机额定功率1 ． 5 k W 电动机额定转速 1 4 5 0 r ／ m i n 油箱有效容积 6 5 L 外 形 尺 寸 L X X H 6 1 0 m m x 4 1 0 m m X 7 1 0 mm 2 注意事项 ① 液压 工作介质该 液压 系统 中，建议 选用 Y B ． N 4 6耐磨液压油。加油时应先用 8 0目以上 滤网过 滤或通过空气滤清器的滤网过 滤。 ② 设备运行中应该随时注意运行状态，油温一 般不应超过 6 0 ℃。 ③ 油泵启 动前应检查油位，首次使用 3个月， 以后每年更换一次液压油。使用频繁时，每半年清洗 一 次滤油器。 ④ 每 3个 月定 期检 查 管 接头 及 螺 钉是 否 松 动 ， 高压胶管有无损 坏 ，电控部分是否灵敏可靠 。 3 工装系统的主要特点 精车齿坯采用上述 系统 ，主要有如下特点 1 涨 紧零件依靠液压缸活塞提供涨紧力 ，涨紧 力平稳可靠且可调范 围大 ，为一种夹具实现多个零件 加工提供 了基础 。 2 精车齿坯工序节省了车床数量以及操作者人 数 ，达到 了事半功倍的效果。 3 该系统可快速安装 、拆卸 零件 ，根据被加工 的齿坯内孔可配备不同规格的精车胎套，生产率大大 提 高。 4结束语 精车齿坯的液压工装系统 ，已经成 功地在实 际生 产中运用 ，半年来的实践证明，该工装结构紧凑 ，维 护方便 ，夹紧范围大，涨紧力可调 ，精度高，生产 率 高 ，从 根本上 解决 了齿轮 分厂 精 车齿坯 的工艺 难 点。 上接第 6 6页 3 兰 2 1 0 米 一 单个柱 塞流 量 单个柱 塞流 量 三个柱 塞总 流量 三个 柱塞时 总流量 0 0． 01 0 ． 02 0． 0 3 t l s a 凸轮泵 t ／ s b 偏心 轮泵 图4 泵总流量的仿真 4外形展示 从上面的分析可以知道活塞瞬时运动的高度，根 据参数可 由机械运动原 理知道 凸轮的形状 。在这里对 上面所假设的参数代人公式 ，用 C A X A电子图板画出 了凸轮和偏 心轮的形状 ，见 图 5 。 b a 凸轮 b 偏心轮 图 5 凸轮和偏心轮的形状 5 总结 对 阀配流径 向柱塞泵 的发展制约点进行分析 ，提 出新的设计思路 ，将原来的偏心轮改为特定曲线的凸 轮 ，从而实现 了减小流量脉动 。对多个柱塞进行错位 组合 ，实现 了柱塞泵总流量恒定 ，在理论 上实现流量 脉动不均匀系数为 0 ，并将结 果用 图示展 现 出来 。清 晰 的表现 出了凸轮 的优越性 ，为提高阀配流径向柱塞 泵 的性能提供 了新的设计思路 ，但也还有 许多不完善 的地方，需要结合实际参数进一步研究和优化设计。 参考文献 【 1 】何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． 【 2 】岳艺明． 阀配流式径 向柱塞 泵动态性能 的仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 8 1 0 3 1 0 5 ． 【 3 】 李岚． 平衡式径 向柱塞泵 的设计 [ J ] ． 机械传动， 2 0 0 7 4 1 0 21 0 3 ． 【 4 】钟季康． MA T L A B编程应用 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． 上接 第6 1页 【 3 】陈燕生． 液体静压支承原理和设计[ M] ． 北京 国防工业 出版 ， 1 9 8 0 ． 【 4 】 裘信国． 径向柱塞式液压泵受力分析及配流机构的研究 [ D] ． 杭州 浙江工业大学， 2 0 0 5 ． 4 ． 【 5 】程海林． 径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线的研究 [ D] ． 杭州 浙江工业大学， 2 0 0 4 ． 7 ．