CN102155372B - 一种基于压力平均的低噪声轴向柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压力平均的轴向柱塞泵，它包括：斜盘、若干个滑靴和柱塞、缸体、配流盘、壳体、主轴、后单向阀、前单向阀和压力回收容腔。高压柱塞腔结束排油过程进入配流盘过渡区之后，柱塞腔内高压油经过前单向阀流入压力回收容腔，高压柱塞腔预降压，压力回收容腔压力升高，而低压柱塞腔结束吸油过程进入配流盘盘过渡区之后，储存在压力回收容腔的高压油液经过后单向阀流入低压柱塞腔，低压柱塞腔预升压，压力回收容腔压力降低。在压力平均作用下，柱塞腔的预升压和预降压效果约等于轴向柱塞泵高压排油腰形槽和低压吸油腰形槽压力差的一半，轴向柱塞泵出口流量脉动降低，斜盘转动力矩降低，泵出口平均流量增加。

Description

一种基于压力平均的低噪声轴向柱塞泵

技术领域

本发明涉及一种轴向柱塞泵，尤其涉及一种基于压力平均的低噪音轴向柱塞泵。

背景技术

轴向柱塞泵由于具有工作压力高、功率密度大、变量控制方便等优点，是液压传动系统中应用最广泛的核心动力元件，但是也存在噪声大等显著缺点，随着绿色环保成为社会发展的一大主题，对于降低轴向柱塞泵工作噪声等级的要求日益迫切。轴向柱塞泵的噪声分为结构噪声和流体噪声，分别主要是由柱塞腔压力冲击和泵出口流量脉动引起的，而轴向柱塞泵配流结构直接决定柱塞腔压力冲击和泵出口流量脉动。如图1所示，柱塞在缸孔中往复运动实现轴向柱塞泵的吸油和排油,如果柱塞腔在完成吸油之后立即与排油腰形槽接通，由于存在较大的压力差，油液从排油腰形槽流入柱塞腔，产生较大的流量倒灌，而流量倒灌是决定泵流量脉动幅值的主要原因。从排油到吸油转化时也存在同样的问题，因此柱塞腔在完成吸油和排油切换时，需要借助配流盘过渡区完成高低压转换，在转换过程中会存在压力正负超调，形成压力冲击。为了降低轴向柱塞泵的噪声等级，配流结构的设计和优化至关重要。传统的轴向柱塞泵的配流结构主要是围绕配流盘过渡区进行优化设计，包括以下结构：

1、阻尼槽：柱塞腔通过阻尼槽与腰形槽接通，通过油液的倒灌，实现柱塞腔压力的高低压转换，但是由于阻尼槽初始端的通流面积小，流量倒灌峰值保持在较小范围内，随着柱塞腔和腰形槽之间压力差降低，阻尼槽的面积逐渐增大，所以常见的阻尼槽形状为如图1所示三角槽，也有U型槽、阶梯组合槽等，优化轴向柱塞泵过渡区配流效果，降低柱塞腔压力冲击和柱塞泵出口流量脉动。

2、错配角：柱塞在往复运动中存在速度为零的上下死点O₁和O₂，是吸油和排油行程的分界点，配流盘对称轴线和上下死点连线的夹角β称为错配角，错配角的存在有利于增加柱塞腔的预升压和预降压时间，减小通过流量倒灌实现柱塞腔压力转换的比例，从而降低流量倒灌总量和瞬时峰值。如果错配角过大，柱塞腔的预升压和预降压时间过大，会造成柱塞腔压力正负超调，行成压力冲击和气穴气蚀。

3、阻尼孔：阻尼孔可以看作是截面面积恒定的阻尼槽，对于柱塞腔完成压力过渡的作用方式与阻尼槽相同，为了达到和阻尼槽相同的配流效果，可以采用阶梯孔结构，以实现节流面积的逐步增加，但是研究和试验结果表明其降低压力冲击和流量脉动效果不如阻尼槽。但是由于阻尼槽初始阶段的通流面积非常小，油液流速过大，容易发生气穴现象，在阻尼槽前端设置阻尼孔，柱塞腔先与阻尼孔接通产生部分流量倒灌，可以提前进行预升压或预降压，所以孔槽结合是一种广泛采用的配流结构。

由于错配角配流效果对轴向柱塞泵的工作参数非常敏感，所以错配角一般不大于4.5°，以避免压力冲击和气穴气蚀，因此柱塞腔的高低压切换主要是依靠流量倒灌实现的，阻尼槽的配流效果受轴向柱塞泵工作参数的影响也比较明显，为了控制流量倒灌的瞬时峰值，阻尼槽的包角通常比较大，以满足通流面积缓慢增大的要求，所以腰形槽包角相对减少，柱塞的有效吸油和排油行程减少，泵的平均出口流量降低。

综上所述，现有的配流结构不仅降噪效果对轴向柱塞泵工作参数敏感，而且以减小柱塞的有效吸排油行程为代价，降低了轴向柱塞泵的平均出口流量和容积效率。随着轴向柱塞泵高压高速化趋势的发展，设计一种降噪效果对轴向柱塞泵工作参数敏感度低，又不以降低泵出口平均流量为代价的配流结构对于研发高性能低噪声轴向柱塞泵非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于压力平均的低噪声轴向柱塞泵，本发明不仅能够在较大的工作参数范围内降低轴向柱塞泵的流量脉动，从而降低轴向柱塞泵噪声等级，而且能够提高轴向柱塞泵的平均出口流量和总体效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于压力平均的轴向柱塞泵，它包括：斜盘、若干个滑靴和柱塞、缸体、配流盘、壳体、主轴、后单向阀、前单向阀和压力回收容腔等；其中，所述配流盘上具有排油腰形槽和吸油腰形槽，排油腰形槽的头部具有高压阻尼槽，吸油腰形槽的头部具有低压阻尼槽，后连接阻尼孔位于高压阻尼槽的顶部，前连接阻尼孔位于低压阻尼槽的顶部，后连接阻尼孔通过油路与后单向阀的出口端接通，前连接阻尼孔通过油路与前单向阀的进口端接通，后单向阀固定在压力回收容腔的出口，前单向阀固定在压力回收容腔的进口，压力回收容腔固定在轴向柱塞泵壳体上；所述配流盘固定在壳体内侧，缸体端部紧压在配流盘上，缸体周向均匀分布若干个柱塞腔，柱塞插入柱塞腔中，柱塞的球头插入滑靴的球窝中，主轴和缸体之间通过花键连接，滑靴紧压在斜盘上。

本发明具有的有益的效果是：通过本发明的配流结构，经过下死点O₂附近过渡区的高压柱塞腔高压油流入压力回收容腔，高压柱塞腔预降压，压力回收容腔压力升高，当低压柱塞腔经过上死点O₁附近时，储存在压力回收容腔的高压油液流入低压柱塞腔，低压柱塞腔预升压，压力回收容腔压力降低。借助压力回收容腔的反复充油和排油，间接实现下死点高压柱塞腔和上死点低压柱塞腔的压力平均。在压力平均作用下，柱塞腔的预升压和预降压效果约等于轴向柱塞泵高压排油腰形槽和低压吸油腰形槽压力差的一半，所以需要通过流量倒灌实现柱塞腔压力转换的压力过渡差值降低近一半，流量倒灌的峰值和总量同时大幅度降低，轴向柱塞泵出口流量脉动降低，斜盘转动力矩降低，泵出口平均流量增加，由于流体噪声和结构噪声振动源幅值降低，柱塞泵的噪声等级降低将有大幅度降低；而由于流量倒灌总量降低，由倒灌造成的内泄漏降低，柱塞泵效率升高；同时由于配流盘过渡区包角减小，腰形槽包角增大，柱塞的有效吸排油行程增加，轴向柱塞泵的平均出口流量增加。

附图说明

图1是轴向柱塞泵传统配流结构示意图；

图2是柱塞腔流量变化示意图；

图3是本发明基于压力平均配流结构原理示意图；

图中：斜盘1、滑靴2、柱塞3、缸体4、柱塞腔5、配流盘6、壳体7、主轴8、排油腰形槽9、高压阻尼槽10、吸油腰形槽11、低压阻尼槽12、后连接阻尼孔13、前连接阻尼孔14、后单向阀15、前单向阀16、压力回收容腔17。

具体实施方式

柱塞腔运动一周，存在两次流量倒灌，图2为典型的轴向柱塞泵柱塞腔流量变化曲线，速度为零的点上下死点，是吸油和排油的分界点，与速度正负相反的流量即为流量倒灌。其中从高压排油腰形槽到低压柱塞腔的流量倒灌峰值决定柱塞泵出口流量脉动下峰值，同时也降低了柱塞泵的有效排油量，从高压柱塞腔到低压吸油腰形槽的流量倒灌使压力能转化成能量耗散，是一种内泄漏。本发明的配流结构把上下死点附近柱塞腔间接接通，油液从下死点O₂附近的高压柱塞腔流入上死点O₁附近的低压柱塞腔，过渡区的高低压柱塞腔同时实现预降压和预升压，实现压力平均，图2中的两处流量倒灌的峰值和总量同时大幅度减小，在降低轴向柱塞泵噪声等级同时，还能提高泵的有效出口流量和总体效率。

下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图3所示，本发明基于压力平均的轴向柱塞泵包括：斜盘1、若干个滑靴2和柱塞3、缸体4、配流盘6、壳体7、主轴8、后单向阀15、前单向阀16、压力回收容腔17。其中，配流盘6分布有排油腰形槽9和吸油腰形槽11，排油腰形槽9的头部具有高压阻尼槽10，吸油腰形槽11的头部具有低压阻尼槽12，配流盘6固定在壳体7内侧，缸体4端部紧压在配流盘6上，缸体4周向均匀分布若干个柱塞腔5，柱塞3插入柱塞腔2中，柱塞3的球头插入滑靴2的球窝中，主轴8和缸体7之间通过花键连接，滑靴2紧压在斜盘1上。主轴8旋转时带动缸体7旋转，由于滑靴2压紧在斜盘1上，柱塞3随缸体4旋转过程中，滑靴2带动柱塞3在缸体4内轴向往复滑动，柱塞腔5体积周期性的增大和减小，并周期性地与高压阻尼槽10、排油腰形槽9、低压阻尼槽12、吸油腰形槽11接通，形成轴向柱塞泵的吸排油过程。后连接阻尼孔13位于高压阻尼槽10的顶部，保证柱塞腔5脱离吸腰形槽11之后立即与后连接阻尼孔13接通，前连接阻尼孔14位于低压阻尼槽12的顶部，保证柱塞腔5脱离排油腰形槽9之后立即与前连接阻尼孔14接通，后连接阻尼孔13通过油路与后单向阀15的出口端接通，前连接阻尼孔14通过油路与前单向阀16的进口端接通，后单向阀15应固定在压力回收容腔17的出口，前单向阀16固定在压力回收容腔17的进口，压力回收容腔17固定在轴向柱塞泵壳体7上。

由于通常轴向柱塞泵的柱塞3个数为奇数，所以不会出现两个柱塞腔5同时分别与后连接阻尼孔13和前连接阻尼孔14接通的情况，以柱塞腔A与下死点过渡区的前连接阻尼孔14接通为起点详细说明本发明的工作过程：

1、下死点柱塞腔A预降压：柱塞腔A与下死点过渡区的前连接阻尼孔14接通时，上死点附近的后连接阻尼孔13没有与任何柱塞腔2接通，由于柱塞腔A刚脱离排油腰形槽9，柱塞腔A的压力P约等于排油腰形槽9的压力P_H，大于压力回收容腔17的压力P_C，所以前单向阀16打开，柱塞腔A内高压油液流入压力回收容腔17内，柱塞腔A的压力P逐渐降低，实现预降压，压力回收容腔17的压力P_C逐渐升高；当P=P_C时，前单向阀16关闭，柱塞腔A与吸油腰形槽11之间剩余的压力差通过低压阻尼槽12消除，柱塞腔A的压力P逐渐降低到吸油腰形槽11的压力P_L，完成从高压到低压的过渡，进入吸油阶段，而此时压力回收容腔17的压力P_C维持恒定。

2、上死点柱塞腔B预升压：在柱塞腔A的预降压过程即将完成时，柱塞腔B与上死点过渡区的后连接阻尼孔13接通，此时下死点附近前连接阻尼孔14没有与任何柱塞腔2接通，由于柱塞腔B刚脱离吸油腰形槽11，柱塞腔B的压力P约等于吸油腰形槽11的压力P_L，而此时的压力回收容腔17已完成从柱塞腔A的充油，所以压力回收容腔17的压力P_C大于柱塞腔B的压力P，后单向阀15打开，压力油从压力回收容腔17进入柱塞腔B，柱塞腔B的压力P逐渐升高，实现预升压，压力回收容腔17的压力P_C逐渐降低；当P=P_C时，后单向阀15关闭，排油腰形槽9与柱塞腔B之间剩余的压力差通过高压阻尼槽10消除，柱塞腔B的压力P逐渐升高到排油腰形槽9的压力P_H，完成从低压到高压的过渡，进入排油阶段。

压力回收容腔17通过与高压柱塞腔A和低压柱塞腔B的间隔接通，压力不断的升高和降低，间接把下死点的柱塞腔A内的高压油转移到上死点的低压柱塞腔B内，分别实现预降压和预升压。压力回收容腔17内的压力升高降低一次，称为一个循环，对于9柱塞轴向柱塞泵，柱塞泵旋转一周，压力回收容腔17内的压力循环9次。由于通过压力平均实现的预升压和预降压承担了柱塞腔5压力转换过程中近一半的压力差，理论分析显示柱塞腔的流量倒灌量峰值和总量大幅度降低，轴向柱塞泵流量脉动和斜盘转矩脉动都有50%以上的减小，轴向柱塞泵噪声等级大幅度降低，同时泵出口平均流量和总效率也有明显升高。而且由于基于压力平均的配流结构能实现柱塞腔近一半的压力差转换的功能效果基本不受轴向柱塞泵工作参数影响，所以本发明配流结构能保证轴向柱塞泵工作噪声在较广泛的工作参数范围内都有大幅度降低。

Claims (2)

1.一种基于压力平均的轴向柱塞泵，其特征在于，它包括：斜盘（1）、若干个滑靴（2）和柱塞（3）、缸体（4）、配流盘（6）、壳体（7）、主轴（8）、后单向阀（15）、前单向阀（16）和压力回收容腔（17）；其中，所述配流盘（6）上具有排油腰形槽（9）和吸油腰形槽（11），排油腰形槽（9）的头部具有高压阻尼槽（10），吸油腰形槽（11）的头部具有低压阻尼槽（12），后连接阻尼孔（13）位于高压阻尼槽（10）的顶部，前连接阻尼孔（14）位于低压阻尼槽（12）的顶部，后连接阻尼孔（13）通过油路与后单向阀（15）的出口端接通，前连接阻尼孔（14）通过油路与前单向阀（16）的进口端接通，后单向阀（15）固定在压力回收容腔（17）的出口，前单向阀（16）固定在压力回收容腔（17）的进口，压力回收容腔（17）固定在轴向柱塞泵壳体（7）上。

2.根据权利要求1所述基于压力平均的轴向柱塞泵，其特征在于，所述配流盘（6）固定在壳体（7）内侧，缸体（4）端部紧压在配流盘（6）上，缸体（4）周向均匀分布若干个柱塞腔（5），柱塞（3）插入柱塞腔（2）中，柱塞（3）的球头插入滑靴（2）的球窝中，主轴（8）和缸体（7）之间通过花键连接，滑靴（2）紧压在斜盘（1）上。

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