雙作用變量葉片泵的數(shù)字化研究

 隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，能源短缺日益嚴(yán)重，合理的利用能源變得更加重要。在流體傳動(dòng)及控制技術(shù)領(lǐng)域，節(jié)能技術(shù)同樣必不可少。開(kāi)展流體傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)的研究不僅可從現(xiàn)有液壓設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造中獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益，而且也是我國(guó)在先進(jìn)制造業(yè)上趕超國(guó)際先進(jìn)水平的需要[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中變量泵是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高效、節(jié)能的基礎(chǔ)，因此研發(fā)性能優(yōu)良的變量泵是流體傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)研究的重要課題之一。
目前液壓系統(tǒng)中的液壓泵主要有齒輪泵、柱塞泵、葉片泵、螺桿泵等，其中的葉片泵是廣泛被使用的一種液壓泵。葉片泵按其結(jié)構(gòu)來(lái)分有單作用式葉片泵和雙作用式葉片泵。單作用式葉片泵主要用作變量泵，由于單作用葉片泵轉(zhuǎn)子、主軸和軸承所承受的徑向力較大，影響了泵的使用壽命和壓力的提高。而雙作用葉片泵的突出優(yōu)點(diǎn)在于徑向作用力平衡，但是由于結(jié)構(gòu)上很難實(shí)現(xiàn)排量的變化，使用上也受到了限制[2]。因此，若能開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)變量的雙作用葉片泵，就可以將這兩種泵的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，既能克服徑向不平衡力的缺點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)排量的變化。針對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都在進(jìn)行研究探討，研究的核心就是雙作用葉片泵如何實(shí)現(xiàn)變量。目前比較成熟的變量方法是通過(guò)驅(qū)動(dòng)泵的定子圈偏轉(zhuǎn)，改變泵的定子和配油盤(pán)的位置關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)排量的變化。
本文所要介紹的數(shù)字式雙作用變量葉片泵是在這種變量方法的基礎(chǔ)上，提出了以步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，以單片機(jī)作為控制器的數(shù)字式雙作用變量泵。這樣不但解決了雙作用葉片泵的變量問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了泵的數(shù)字化調(diào)節(jié)與控制，對(duì)于合理利用能源，提高液壓傳動(dòng)工作效率具有重要的意義。
1 雙作用變量葉片泵的工作原理
圖1（a）、（b）分別是泵全排量時(shí)定子圈的位置和零排量時(shí)定子圈的位置示意圖。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)定子圈，使其與配油盤(pán)之間的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生改變，也就是在需要泵輸出流量時(shí)，調(diào)節(jié)定子使其過(guò)度曲線對(duì)應(yīng)于配油盤(pán)吸、壓油窗。而在不需要輸出流量時(shí)，使定子的長(zhǎng)半徑和短半徑圓弧段與配油盤(pán)的吸、壓油窗相對(duì)應(yīng)。因?yàn)檫@時(shí)工作容積不變，所以不吸、壓油，即為零排量輸出[4]。
但是，在定子圈偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生比較大困油現(xiàn)象，影響泵的正常工作。為了解決這一問(wèn)題，我們將定子圈做成兩片疊加起來(lái)使用，同時(shí)把葉片等分成兩個(gè)，并排地插在轉(zhuǎn)子葉片槽中。當(dāng)一個(gè)定子環(huán)長(zhǎng)半徑圓弧與吸油窗相對(duì)時(shí)，使另一個(gè)定子長(zhǎng)半徑圓弧與壓油窗相對(duì)。因此當(dāng)每個(gè)工作空間在經(jīng)過(guò)定子過(guò)度曲線段時(shí)，正好在一個(gè)定子圈內(nèi)是由大到小變化，而在另一個(gè)定子圈內(nèi)是由小到大的變化。這樣，由大到小的壓縮容積就被另一個(gè)由小到大的容積所吸收，總?cè)莘e并沒(méi)有變化。這時(shí)，泵將零排量輸出。如圖2所示。
當(dāng)需要從零排量到全排量變化時(shí)，必須同時(shí)使兩定子圈反向偏轉(zhuǎn)。使yy1y2重合，xx1x2重合，如圖3所示。這時(shí)兩片定子圈的過(guò)度曲線段都正好與吸、壓油窗相對(duì)，泵將全排量輸出。
綜上所述，調(diào)整定子圈y1-x1，y2-x2與配油盤(pán)y-x的偏轉(zhuǎn)角度α便可以調(diào)整其輸出流量的大小。其中αmax=π/4，0≤α≤π/4，（度）。這樣雙作用變量葉片泵的理論流量公式就可以寫(xiě)成
式中：qtp為變量葉片泵的理論流量（m3/s）；B=b1+b2，b1，b2為單個(gè)葉片寬度（m）；R為定子內(nèi)圓弧大半徑（m）；r為定子內(nèi)圓弧小半徑（m）；δ為葉片厚度（m）；z為葉片數(shù)；θ為葉片傾角（°）；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（r/s）；α為定子圈偏轉(zhuǎn)角，αmax=π/4，0≤α≤π/4（°）。
2 變量機(jī)構(gòu)控制方法
如何實(shí)現(xiàn)定子圈的偏轉(zhuǎn)是雙作用變量葉片泵最關(guān)鍵的問(wèn)題。從全排量變到零排量或從零排量變到全排量時(shí)，要求兩定子的偏轉(zhuǎn)角同時(shí)作反向變化。驅(qū)動(dòng)定子圈同時(shí)反向變化的機(jī)構(gòu)即為變量機(jī)構(gòu)[4]。本文采用51單片機(jī)作為數(shù)字化控制器，步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，螺母絲杠作為傳動(dòng)副，數(shù)字閥控缸驅(qū)動(dòng)齒條式柱塞與定子外圓柱面上加工出的齒相互嚙合的方式進(jìn)行工作。如圖4為驅(qū)動(dòng)一片定子圈偏轉(zhuǎn)的變量機(jī)構(gòu)工作原理圖。
閥芯通過(guò)一個(gè)螺母絲杠副和步進(jìn)電機(jī)相連，閥芯插入到活塞上端部配合的閥套中。并在活塞上開(kāi)了三個(gè)閥口。a口和壓力腔A相連，壓力腔A在底部和排油口相連通。通過(guò)b口把控制腔和活塞內(nèi)腔連在一起。c口與回油腔相連。當(dāng)需要變量時(shí)，根據(jù)泵輸出流量的要求，通過(guò)事先編輯好的程序，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)以相應(yīng)的頻率和轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)過(guò)一定的角位移θ，從而帶動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并由絲杠提動(dòng)伺服閥芯作向上或向下的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位移xv，使伺服閥口開(kāi)啟，這時(shí)泵靠自身油液驅(qū)動(dòng)變量柱塞隨閥芯的位移而運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位移xp，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一片定子圈偏轉(zhuǎn)角度α。另一片定子圈和變量機(jī)構(gòu)原理相同。所以，通過(guò)這兩個(gè)變量機(jī)構(gòu)就可以使兩片定子圈同時(shí)反向偏轉(zhuǎn)，使泵實(shí)現(xiàn)全排量—零排量—全排量的變化，達(dá)到變量的需求。變量機(jī)構(gòu)的控制框圖如圖5所示。
3 變量機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析
3.1 變量機(jī)構(gòu)基本方程
式中：xv為閥芯的位移量（m）；β為步進(jìn)電機(jī)步距角（°）；t為螺距（m）；j為螺紋頭數(shù)；Ni為單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)。
②變量柱塞的位移量
齒條柱塞與外圓加工齒的定子是齒輪齒條嚙合，所以變量柱塞的位移量與定子偏轉(zhuǎn)的角度的關(guān)系為
式中：xp為變量柱塞位移量（m）；α為定子圈偏轉(zhuǎn)角（°）；Df為定子圈與變量柱塞組成齒輪齒條嚙合分度圓直徑（m）。
3.2 泵靜態(tài)調(diào)節(jié)流量公式
由于伺服閥和變量缸是隨動(dòng)關(guān)系，因此，xv=xp，即
式（6）即為數(shù)字化雙作用變量葉片泵的靜態(tài)調(diào)節(jié)流量公式。由（7）、（8）可知該式中，Kq和Kβ均為常數(shù)。
3.3 變量機(jī)構(gòu)參數(shù)化分析
本文是以YB1-25型葉片泵作為研究基礎(chǔ)，結(jié)合該泵的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)定子內(nèi)圓弧大半徑長(zhǎng)度R為32.5mm，定子內(nèi)圓弧小半徑r為28.5mm，定子分度圓直徑Df為75.5mm，葉片寬度B為20mm，葉片厚度δ為1.8mm，葉片傾角θ為13°，葉片數(shù)z為12。泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n為1000r/min。本文采用了歩距角為1.5°的36BF003型步進(jìn)電機(jī)；采用d=20mm，t=4mm，j=1的絲杠螺母副。根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)變量柱塞由全排量到零排量行程為xp=29.6mm。這樣全行程29.6mm所需要的脈沖數(shù)Ni=360°xp/βtj=1776個(gè)。據(jù)此，我們可以計(jì)算得到當(dāng)定子偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，單片機(jī)需要發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)。如表1所示為定子偏轉(zhuǎn)角以5度為間隔時(shí)，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)需要發(fā)送的脈沖數(shù)以及此時(shí)泵的理論流量。
由此，可以繪制此變量泵由全排量到零排量靜態(tài)調(diào)節(jié)qtp-Ni特性圖，如圖6所示。
由此圖可以看出，泵流量qtp的變化只取決于單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)Ni。因此，我們可以編寫(xiě)相應(yīng)的單片機(jī)程序，來(lái)控制發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)，從而使泵的排量發(fā)生改變。
4 結(jié)論
本文針對(duì)雙作用葉片泵實(shí)現(xiàn)變量的理論做了簡(jiǎn)單了陳述，在此基礎(chǔ)上針對(duì)雙作用葉片泵實(shí)現(xiàn)變量又做了數(shù)字化的改進(jìn)。通過(guò)對(duì)泵變量機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的分析，得到了泵靜態(tài)調(diào)節(jié)流量公式，繪制出qtp-Ni特性圖，并對(duì)變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化析。由此得出，通過(guò)控制信號(hào)輸出量的變化就可以使泵排量發(fā)生相應(yīng)的改變。因此基于單片機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字式雙作用變量泵是成立的。但是必須要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以及動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，使其得到進(jìn)一步的改善。