德國REXROTH柱塞泵配油盤結構設計分析

    德國REXROTH柱塞泵配油盤結構設計分析
    德國REXROTH柱塞泵在配油盤結構設計中缸體的平衡與配流困油瞬變沖擊是主要矛盾，是設計中的主要考慮因素。液壓柱塞泵的配流噪聲與其配流結構直接有關，對配流結構的優化設計是降低配流噪聲的主要途徑之一，設計上使轉換過程中柱塞腔壓力變化平緩所采取的措施是：一方面把配油盤相對斜盤偏轉一個角度，即對缸體柱塞腔孔內的液壓油進行預升壓或預降壓，減小配流時柱塞腔孔與排油槽或吸油槽之間的壓差；另一方面是在預壓縮角內加阻尼槽、阻尼孔，通過阻尼槽、阻尼孔向缸孔中慢慢導入或排出高壓油，盡量延長配流所需的時間，達到減小壓力變化速度的目的[3]。
    偏移了吸排油腔位置的預升壓或預釋壓結構配油盤，是一種不對稱結構，它限制了液壓泵的逆轉。除此之外，由于Δφ1和Δφ2與壓差(ps-po)和斜盤傾角β有關，因此，當壓差和傾角偏離額定工況后，吸排油腔的位置便不適合了，以致不能再壓力的平緩變化。針對這個問題，可將斜盤軸線偏轉一個角度加以改進，將配油盤的配流角度做成可隨工作壓力變化自動進行調整，但這種形式結構復雜，難以實現。此結構的關鍵是確定Δφ2和Δφ1與配流噪聲的關系，以得到Δφ2和Δφ1的值。這種結構適用于工作參數固定的軸向柱塞泵。
    所示，在排油腔和吸油腔的前沿開設油孔，以使排油腔或吸油腔的壓力平緩作用于缸體柱塞腔內，從而避免壓力的急劇變化，不過，通常都是采用將吸排油腔偏移并同時開設油孔的方法，如圖5所示。N—N為斜盤中心線，oy為配流盤中心線，c為阻尼孔，d2段為變節流孔，d1段為固定節流孔，該孔與壓排腔腰形槽相通。阻尼孔c中的d1段和d2段起組合作用，開始d2段起作用，隨后d1段起作用。當缸體柱塞腔吸排油口從對稱于N—N斜盤中心線的位置轉到與排油腔接通的過程中，該缸體柱塞腔中的油液一方面由于預壓縮而使其壓力升高；另一方面由于排油腔的油亦通過阻尼孔c進入其中使壓力升高，從而能減少壓力沖擊，降低噪聲。
    德國REXROTH柱塞泵所示的配油盤還是一個負重疊型配油盤，缸體窗口的包角α′大于兩腰形槽之間的過渡區間距角。這時不存在密封區，容積效率比正重疊型配油盤低些。在機床等要求低噪聲的工況下，可采用此種結構形式。
    德國REXROTH柱塞泵為了能夠協調配流噪聲的各影響量，達到比較的配流噪聲控制效果，配油盤的阻尼結構采用在高、低壓腰形槽的始端設置三角阻尼槽的形式，槽的橫切面有逐漸變化的和固定不變的兩種。阻尼槽的形狀及尺寸都直接影響到泵的降噪效果。以柱塞腔壓瞬變過程的數學分析為理論依據，應用現代機械設計技術中的化設計原理，對缸體旋轉式軸向柱塞泵配油盤具有兩種寬度夾角的雙級三角阻尼槽進行結構優化設計分析(圖5)。
    德國REXROTH柱塞泵阻尼孔為節流孔形狀的配油盤
    德國REXROTH柱塞泵三角形眉毛槽的配油盤
    德國REXROTH柱塞泵由于影響配油盤結構的主要尺寸為三角阻尼槽的負遮蓋角θ1、三角槽級寬度夾角β1、三角槽結束角度θ2、三角槽級所占分度角θ和三角槽二級寬度夾角β2，配油盤結構優化設計的設計變量X具有五維，即
    \[X = {\{ {\theta _l}、{\beta _1}、,、\theta 、{\beta _2}\} ^T}\] (6)
    根據配流盤各結構尺寸間的幾何關系及優化運算的可行性要求，設計變量X還要受到若干幾何約束條件和運算可行性約束條件的限制。配流過程的特征量主要為柱塞腔壓力調量Δp、流經配油盤阻尼槽的流量qg、壓力變換時間Δt和壓力變化梯度等，其中，Δp如果太大，會導致過大的壓力沖擊，引起較大噪聲；qg如果太大會導致過大的流量脈動，引起較大流體噪聲。用Δp和qg直接表征配流噪聲。所以優化設計的基本原則定為：同時控制流量qg峰值和壓力調量的大小，這時，優化設計的目標函數為:
    \[F\left( x \right) = \Delta + q_g^2\] (7)
    配油盤結構優化設計問題是一個五維非線性約束優化設計問題，由于目標函數F(x)具有非線性程度大、求導困難及數值計算量大等特點，可采用直接優化方法中的復合形法來求解，并編制相應的計算軟件。
    德國REXROTH柱塞泵是采用節流孔形狀的阻尼孔，圖5是采用三角形眉毛槽作阻尼槽的。
兩種阻尼形式的配油盤其泵的噪聲在輸出壓力變化時,噪聲變化趨勢基本一致，但在泵的排量變化時，兩者相差較大。采用三角形眉毛槽作阻尼槽結構形式的缺點是工藝性不夠穩定，因而泵的噪聲水平也不夠穩定。另外,在柱塞進入眉毛槽的前三分之一時，由于其緩沖過流面很小，泵的轉速高，這部分過渡角不但緩沖效果不，而且在高壓差下的小孔節流會產生氣穴，伴隨有氣穴噪聲產生德國REXROTH柱塞泵如在三角眉毛槽的尖部加了一個小圓孔。這樣柱塞腔進入小圓孔區域時，阻尼槽相當于固定阻尼孔，此時的節流面積遠比單一三角槽結構尖部的過流面積大。從而充分利用了過渡角前三分之一的緩沖作用，同時克服了小孔節流氣穴及其引起的節流氣穴噪聲。此結構適用于工作參數固定的軸向柱塞泵,除了可以將上述三種結構一起使用外，還可采用多阻尼槽復合結構。例如四阻尼槽結構(圖6)。
    德國REXROTH柱塞泵構壓力變化曲線
    這個結構在液壓泵工作參數變化范圍較大時，也仍然有效。正確使用該結構，選擇的參數，可有效消除氣蝕，避免液壓沖擊。
    德國REXROTH柱塞泵旋轉式軸向柱塞泵降低配流噪聲的結構很多，但一般來說應滿足下述要求。
    1) 在缸孔從吸油槽轉向排油槽的配流過程中，缸孔內的壓力應是連續升高的，沒有階躍性的突變及正的調峰值壓力；
    2) 缸孔內的壓力變化速度應盡可能小；
    3) 在缸孔從排油槽轉向吸油槽的配流過程中，沒有負的調峰值壓力；
    4) 避免低壓，過低的壓力會產生氣蝕，使缸孔內油壓的升壓過程變短，增大壓力變化的速度。