阀芯配合间隙对液压泵变量特性影响研究

黄忠华,吴文俊,霍其康,仉志强

(1.广东科达液压技术有限公司,广东 佛山 528313;2.晋西铁路车辆有限责任公司,太原 030024;3.太原科技大学 机械工程学院,太原 030024;)

比例变量泵的排量调节方式划分为位置直接反馈式变量和位移-力反馈式变量[1]。其中位移-力反馈方式是通过变量缸活塞的位移推动弹簧产生变形力,从而带动反馈杆驱动先导阀在力平衡条件下关闭阀口,进而实现变量活塞的精确定位[2]。

宋建安等人[3]对电液比例控制泵的变量机构的特点以及结构进行了详细的介绍。吴志明等人[4]基于AMESim和ADAMS联合仿真分析了影响变量机构控制以及响应特性的主要因素。张婉茹等人[5]对恒压变量泵控系统进行研究,分析了影响系统动态特性的主要因素。陈绪林等人[6]基于HyPneu分析了柱塞副耦合间隙对柱塞泵容积效率的影响,并对A10V柱塞泵进行了优化,容积效率得到了提高。邹姜昆等人[7]研究了介质压缩性对柱塞泵泄漏的影响,结果表明,压力和密封间隙越大,容积效率越低,泄漏越大。张哲等人[8]基于ANSYS仿真分析了柱塞泵在不会造成“卡死”以及容积效率下降情况下的最佳的柱塞副间隙。

上述研究没有直接对大规格液压阀的阀芯和阀孔的配合间隙进行研究,特别是阀芯杆长比较大的应用工况。本文结合理论和实验数据,综合得出对后续同类产品具有指导意义的配合间隙数据。

1 泵变量原理

液控式位移-力反馈比例变量泵工作原理图如图1所示,该泵主要由主泵、变量反馈杆、机液伺服变量先导阀组成,其中A、B口为液压泵高低压工作油口,X1和X2先导压力油口,P为控制压力油口。在机液伺服变量先导阀处,通过改变X1和X2的先导压力差,推动伺服阀阀芯左右运动,改变进入非对称变量缸的油液总量,变量油缸向相应的方向移动,从而推动变量斜盘产生位移,完成液压泵的变量动作[9]。

图1 比例变量泵原理图Fig.1 Schematic diagram of proportional variable pump

机液伺服变量控制阀为正开口式滑阀,该阀的两端分别由控制压力X1和X2驱动控制,阀芯两端安装有参数相同的两个复位弹簧,阀芯两端直径相等且中间包含一个由阀套、两个单向运动的滑块、中心复位弹簧组成的定心机构,该机构能够使阀芯在左右移动时,提供对称的弹簧力;当先导控制压力信号丢失时,伺服阀通过内置的中心复位弹簧机构回摆至中位。当阀芯左右运动时,压力右端分别连通恒压端P和回油压力T;并且采用了阀芯限位装置将阀芯运动范围限制在-3 mm～3 mm内。

2 泵变量机构

变量机构是实现容积调速的核心机构之一,其工作稳定性对容积调速系统的性能影响较大,合理的变量机构是实现变量泵稳定工作的基础[4]。位移-力反馈式比例变量泵变量机构如图2所示。

图2 控制阀及变量油缸结构示意图Fig.2 Structure diagram of control valve and variable cylinder

图3 伺服阀关键配合的局部放大图Fig.3 Locally enlarged view of key fit of servo valve

图2中,变量油缸小腔在工作中一直处于高压状态,变量油缸的大腔与高压油的油压状态取决于机液伺服阀的工作状态。当反馈杆反馈的弹簧力数值与控制阀的左右腔的压力差值一致时,变量油缸处于稳定状态。在此结构中,变量反馈杆和机液伺服先导阀的配合精度是影响液压泵变量精度的关键因素。由于机液伺服先导阀的阀芯较长(阀芯全长275 mm),当配合精度要求较高时,其精度不容易保证。因此,解决该伺服阀较长阀芯引起的配合精度问题是变量系统设计的重点。伺服阀阀芯过长造成配合精度较差,会影响阀芯运动灵活性,为了解决该问题,适当增加配合间隙。

3 泵变量机构动态特性分析

液压泵变量机构的阀芯与阀套配合间隙影响液压泵的变量机构动态特性,而液压泵的变量机构动态特性决定了液压泵响应特性[10]。采用AMESIM建立液压柱塞泵的动态特性仿真模型[11],如图4所示。

图4 柱塞泵动态特性仿真模型Fig.4 Simulation model of dynamic characteristics of piston pump

该模型主要分析阀芯运动的配合间隙对液压泵变量机构动态特性的影响。该模型中Clearance模块分析配合间隙对变量系统的影响规律,f(x)模块用来模拟液压泵变量机构的响应时间。该仿真模型中的主要结构参数如表1所示。

表1 变量控制阀主要参数Tab.1 Variable control valve main parameters

调整模型中调整Clearance模块的间隙参数,分别设定0.015 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm.不同阀芯阀套配合间隙对应的液压泵变量机构响应位移曲线如图5所示。由图可见,当横坐标在(0～1)s区间时,变量机构位移迅速增大,1 s后,变量机构位移基本达到30 mm.对于不同的阀芯配合间隙,当间隙为0.02 mm时,变量机构移动速度最快,随着配合间隙的增大,由于配合处泄漏量较大,控制腔内减压较慢,因此移动速度降低。

图5 不同配合间隙下变量机构位移曲线Fig.5 Displacement curve of variable mechanism under different fit clearance

4 试验验证

根据仿真的结果,加工不同的阀芯(即对图3中Φ14的间隙按表1取不同的值),其实验结果如表2所示,分析可知,如果配合间隙两侧同时取配合间隙0.02 mm,响应时间并不是最优值;相反在一侧设计0.03 mm,另一侧设计0.02 mm,能够得到0.8 s的较短响应时间,故在生产中,采用一侧设计0.03 mm,另一侧设计0.02 mm的配合间隙。

图6 实验装置示意图Fig.6 Schematic diagram of experimental equipment

表2 配合间隙与响应时间Tab.2 Fit clearance and response time

5 总结

综上所述,HD1(NG10)液控阀阀芯属于细长杆(长275 mm,直径Φ14),如果两侧配合间隙都按照常规0.01 mm左右设定,则极易出现卡顿现象。根据经验,其中工作(工作流道)一侧最大可允许取0.02 mm,但是从仿真和实验结果可得如果两侧都取0.02 mm的配合间隙,液压泵的响应时间并没有达到最快的速度。从理论分析,可能是阀芯两头的Φ14工作圆柱面的不同轴度,导致间隙按照正常值取定时反而出现间隙过小而卡顿的现象。依据本文的仿真和试验结果,可以采用牺牲较少泄漏流量的方法来提高伺服阀芯的灵活性以及变量机构的动态特性。