德国REXROTH柱塞泵配油盘结构设计分析

    德国REXROTH柱塞泵配油盘结构设计分析
    德国REXROTH柱塞泵在配油盘结构设计中缸体的平衡与配流困油瞬变冲击是主要矛盾，是设计中的主要考虑因素。液压柱塞泵的配流噪声与其配流结构直接有关，对配流结构的优化设计是降低配流噪声的主要途径之一，设计上使转换过程中柱塞腔压力变化平缓所采取的措施是：一方面把配油盘相对斜盘偏转一个角度，即对缸体柱塞腔孔内的液压油进行预升压或预降压，减小配流时柱塞腔孔与排油槽或吸油槽之间的压差；另一方面是在预压缩角内加阻尼槽、阻尼孔，通过阻尼槽、阻尼孔向缸孔中慢慢导入或排出高压油，尽量延长配流所需的时间，达到减小压力变化速度的目的[3]。
    偏移了吸排油腔位置的预升压或预释压结构配油盘，是一种不对称结构，它限制了液压泵的逆转。除此之外，由于Δφ1和Δφ2与压差(ps-po)和斜盘倾角β有关，因此，当压差和倾角偏离额定工况后，吸排油腔的位置便不适合了，以致不能再压力的平缓变化。针对这个问题，可将斜盘轴线偏转一个角度加以改进，将配油盘的配流角度做成可随工作压力变化自动进行调整，但这种形式结构复杂，难以实现。此结构的关键是确定Δφ2和Δφ1与配流噪声的关系，以得到Δφ2和Δφ1的值。这种结构适用于工作参数固定的轴向柱塞泵。
    所示，在排油腔和吸油腔的前沿开设油孔，以使排油腔或吸油腔的压力平缓作用于缸体柱塞腔内，从而避免压力的急剧变化，不过，通常都是采用将吸排油腔偏移并同时开设油孔的方法，如图5所示。N—N为斜盘中心线，oy为配流盘中心线，c为阻尼孔，d2段为变节流孔，d1段为固定节流孔，该孔与压排腔腰形槽相通。阻尼孔c中的d1段和d2段起组合作用，开始d2段起作用，随后d1段起作用。当缸体柱塞腔吸排油口从对称于N—N斜盘中心线的位置转到与排油腔接通的过程中，该缸体柱塞腔中的油液一方面由于预压缩而使其压力升高；另一方面由于排油腔的油亦通过阻尼孔c进入其中使压力升高，从而能减少压力冲击，降低噪声。
    德国REXROTH柱塞泵所示的配油盘还是一个负重叠型配油盘，缸体窗口的包角α′大于两腰形槽之间的过渡区间距角。这时不存在密封区，容积效率比正重叠型配油盘低些。在机床等要求低噪声的工况下，可采用此种结构形式。
    德国REXROTH柱塞泵为了能够协调配流噪声的各影响量，达到比较的配流噪声控制效果，配油盘的阻尼结构采用在高、低压腰形槽的始端设置三角阻尼槽的形式，槽的横切面有逐渐变化的和固定不变的两种。阻尼槽的形状及尺寸都直接影响到泵的降噪效果。以柱塞腔压瞬变过程的数学分析为理论依据，应用现代机械设计技术中的化设计原理，对缸体旋转式轴向柱塞泵配油盘具有两种宽度夹角的双级三角阻尼槽进行结构优化设计分析(图5)。
    德国REXROTH柱塞泵阻尼孔为节流孔形状的配油盘
    德国REXROTH柱塞泵三角形眉毛槽的配油盘
    德国REXROTH柱塞泵由于影响配油盘结构的主要尺寸为三角阻尼槽的负遮盖角θ1、三角槽级宽度夹角β1、三角槽结束角度θ2、三角槽级所占分度角θ和三角槽二级宽度夹角β2，配油盘结构优化设计的设计变量X具有五维，即
    \[X = {\{ {\theta _l}、{\beta _1}、,、\theta 、{\beta _2}\} ^T}\] (6)
    根据配流盘各结构尺寸间的几何关系及优化运算的可行性要求，设计变量X还要受到若干几何约束条件和运算可行性约束条件的限制。配流过程的特征量主要为柱塞腔压力调量Δp、流经配油盘阻尼槽的流量qg、压力变换时间Δt和压力变化梯度等，其中，Δp如果太大，会导致过大的压力冲击，引起较大噪声；qg如果太大会导致过大的流量脉动，引起较大流体噪声。用Δp和qg直接表征配流噪声。所以优化设计的基本原则定为：同时控制流量qg峰值和压力调量的大小，这时，优化设计的目标函数为:
    \[F\left( x \right) = \Delta + q_g^2\] (7)
    配油盘结构优化设计问题是一个五维非线性约束优化设计问题，由于目标函数F(x)具有非线性程度大、求导困难及数值计算量大等特点，可采用直接优化方法中的复合形法来求解，并编制相应的计算软件。
    德国REXROTH柱塞泵是采用节流孔形状的阻尼孔，图5是采用三角形眉毛槽作阻尼槽的。
两种阻尼形式的配油盘其泵的噪声在输出压力变化时,噪声变化趋势基本一致，但在泵的排量变化时，两者相差较大。采用三角形眉毛槽作阻尼槽结构形式的缺点是工艺性不够稳定，因而泵的噪声水平也不够稳定。另外,在柱塞进入眉毛槽的前三分之一时，由于其缓冲过流面很小，泵的转速高，这部分过渡角不但缓冲效果不，而且在高压差下的小孔节流会产生气穴，伴随有气穴噪声产生德国REXROTH柱塞泵如在三角眉毛槽的尖部加了一个小圆孔。这样柱塞腔进入小圆孔区域时，阻尼槽相当于固定阻尼孔，此时的节流面积远比单一三角槽结构尖部的过流面积大。从而充分利用了过渡角前三分之一的缓冲作用，同时克服了小孔节流气穴及其引起的节流气穴噪声。此结构适用于工作参数固定的轴向柱塞泵,除了可以将上述三种结构一起使用外，还可采用多阻尼槽复合结构。例如四阻尼槽结构(图6)。
    德国REXROTH柱塞泵构压力变化曲线
    这个结构在液压泵工作参数变化范围较大时，也仍然有效。正确使用该结构，选择的参数，可有效消除气蚀，避免液压冲击。
    德国REXROTH柱塞泵旋转式轴向柱塞泵降低配流噪声的结构很多，但一般来说应满足下述要求。
    1) 在缸孔从吸油槽转向排油槽的配流过程中，缸孔内的压力应是连续升高的，没有阶跃性的突变及正的调峰值压力；
    2) 缸孔内的压力变化速度应尽可能小；
    3) 在缸孔从排油槽转向吸油槽的配流过程中，没有负的调峰值压力；
    4) 避免低压，过低的压力会产生气蚀，使缸孔内油压的升压过程变短，增大压力变化的速度。