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一种减小 轴向 柱塞 泵几何性流量脉动的方法及装置

阅读：1019发布：2020-09-13

专利汇可以提供一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置；该方法是将轴向柱塞泵上的柱塞与斜盘接触点的滑行轨迹按数学函数分布，使缸体在旋转过程中，控制各柱塞在不同瞬间的位移量，使各柱塞在不同瞬间的总供油流量之和趋于常数，以减小轴向柱塞泵几何性流量脉动；本发明可减小轴向柱塞泵产生的几何性流量脉动，为液压系统提供稳定的流量，减少由于流量脉动引起振动和噪声。，下面是一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1. 一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法，其特征在于：该方法是将轴向柱塞泵上的柱塞与斜盘接触点的滑行轨迹按数学函数分布，使缸体在旋转过程中，控制各柱塞在不同瞬间的位移量，使各柱塞在不同瞬间的总供油流量之和趋于常数，以减小轴向柱塞泵几何性流量脉动。
2. 根据权利要求1所述的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法，其特征在于：所述的数学函数根据柱塞数量确定柱塞与斜盘接触点不同的滑行轨迹的几何形状
3. 一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的装置，它包括缸体(1)，缸体(1)上设有三个或三个以上的柱塞孔(2)，柱塞孔(2)中设有弹簧(3)和可滑动的柱塞(4)，柱塞(4)的端部设有斜盘(5)；其特征在于：斜盘(5)上设有滑道(6)，滑道(6)底部的几何形状按旋转角度的数学函数规律设置。
4. 根据权利要求3所述的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的装置，其特征在于：所述的滑道(6)中设有三个或三个以上的滑靴(7)，滑靴(7)的底部和侧面设有滚珠(8)，滚珠(8)与滑道(6)滚动连接，滑靴(7)上部与柱塞(4)上的球头(9 )万向连接。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置，属于柱塞泵技术领域。

背景技术

轴向柱塞泵是液压系统的重要执行元件，其工作原理是在缸体上设有若干柱塞孔，柱塞孔中安装在弹簧和柱塞，柱塞的一端在弹簧的作用下顶在斜盘上，在斜盘或缸体旋转时，当柱塞从斜盘的最高点转向斜盘的最低点时，柱塞在弹簧的作用下柱塞从缸体的柱塞孔中伸出，通过活门将液体从油箱吸入缸体中；当柱塞从斜盘的最低点转向斜盘的最高点时，柱塞在斜盘的推动下柱塞被压入缸体的柱塞孔中，将液体从缸体的柱塞孔中挤出；为液压系统提供液压流量。
目前的斜盘只是一个倾斜放置的圆盘，当斜盘或缸体旋转时，柱塞在斜盘上的不同位置时，柱塞的位移速率是不同的，柱塞在斜盘的最高点和最低点时，柱塞的位移速率等于零，此时泵的流量也等于零；柱塞在斜盘上升过程的中点柱塞被压入缸体柱塞孔的速率最大，此时泵的供液流量最大；柱塞在斜盘下降过程的中点柱塞被弹簧顶出缸体柱塞孔的速率最大，此时泵的吸液流量最大；这样就出现一个问题，轴向柱塞泵存在几何性流量脉动。该流量脉动将导致液压系统的压力脉动，从而引起振动和噪声。传统教科书中列出了不同柱塞时的流量脉动系数系数表。
柱塞数 3 4 5 6 7 8 9 10 11 脉动系数 14.03 32.53 4.98 14.03 2.53 7.81 1.53 4.98 1.02
从上表中可看出流量的脉动还与柱塞的数量有关，一般来说偶数柱塞时的流量脉动系数远远大于奇数柱塞时的流量脉动系数，而且随着柱塞数的增加，流量不均匀系数减小。要减小流量脉动，需要增加柱塞数，但增加柱塞数往往会受到强度限制，或使泵的结构复杂。因此减小流量脉动对于提高液压系统的性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置，减小轴向柱塞泵产生的几何性流量脉动，为液压系统提供稳定的流量，减少由于流量脉动引起振动和噪声，以解决现有技术的不足。
本发明是这样实现的，本发明的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法是：将轴向柱塞泵上的柱塞与斜盘接触点的滑行轨迹按旋转角度的数学函数分布，使缸体在旋转过程中，控制各柱塞在不同瞬间的位移量，使各柱塞在不同瞬间的总供油流量之和趋于常数，以减小轴向柱塞泵几何性流量脉动。
上述的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法中，所述的数学函数根据柱塞数量或柱塞数量的奇偶性确定柱塞与斜盘接触点不同的滑行轨迹的几何形状。
根据前述的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法构建的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的装置，它包括缸体1，缸体1上设有三个或三个以上的柱塞孔2，柱塞孔2中设有弹簧3和可滑动的柱塞4，柱塞4的端部设有斜盘5；其特征在于：斜盘5上设有滑道6，滑道6底部的几何形状按旋转角度的数学函数规律设置。
上述的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的装置中，所述的滑道6中设有三个或三个以上的滑靴7，滑靴7的底部和侧面设有滚珠8，滚珠8与滑道6滚动连接，滑靴7上部与柱塞4上的球头9万向连接。
与现有技术相比，本发明所提供的减小轴向柱塞泵几何性流量脉动的方法及装置，有如下有益效果：
1、采用本发明的方法提供的斜盘结构支承柱塞运动，可使轴向柱塞泵的瞬时流量为常数，从而减小轴向柱塞泵几何性流量脉动。
2、采用本发明的方法提供的斜盘结构支承柱塞运动，可使轴向柱塞泵不需要考虑偶数柱塞、奇数柱塞流量脉动系数的影响。
3、采用本发明的方法提供的斜盘结构支承柱塞运动，可在轴向柱塞泵柱塞数量少的情况下，同样具有好的流量平稳性。克服要减小流量脉动，需要增加柱塞数量，造成柱塞数量的增加受到强度限制和使泵的结构复杂的矛盾。
4、本发明的结构中，将斜盘与柱塞的摩擦结构由滑动摩擦改为滚动摩擦，有利于改进斜盘式轴向柱塞泵的接触性能。
5、对于多柱塞轴向柱塞泵，采用同样的原理，可以确定不同柱塞情况下的斜盘曲线，实现减小轴向柱塞泵几何性流量脉动。根据轴向柱塞泵柱塞分布的对称性，只要解决了k柱塞轴向柱塞泵的几何性流量脉动，其滑行轨迹的几何形状将适应于kn个柱塞的轴向柱塞泵。以12柱塞的轴向柱塞泵为例，可以采用3柱塞滑行轨迹的几何形状或者4柱塞滑行轨迹的几何形状。
6、随着变频调速技术在液压系统中应用的深入研究，变频变量将有可能广泛应用。采用本发明的方法提供的斜盘结构支承柱塞运动，对于变频变量有可能形成较好的应用。
附图说明
附图1是本发明的轴向柱塞泵的结构示意图；
附图2是附图1中柱塞与斜盘连接的局部放大图；
附图3是传统轴向柱塞泵的工作原理简图；
附图中的标记为：1-缸体，2-柱塞孔，3-弹簧，4-柱塞，5-斜盘，6-滑道，7-滑靴，8- 滚珠，9-球头。

具体实施方式

实施例：在忽略液体的可压缩性、忽略泄漏及回充等情况下，首先对传统轴向柱塞泵的瞬时流量进行分析，经分析可知，轴向柱塞泵的瞬时流量完全决定于轴向柱塞泵机械原理所形成的工作腔几何空间变化率。分析过程如图3所示：当柱塞由上死点位置A随缸体转动到位置B时，柱塞与斜盘接触点轨迹的坐标为：

x_{1} Φ_{1} = - \frac{D}{2} \tan δ - \frac{D}{2} \cos Φ \tan δ = - \frac{D}{2} \tan δ_{1} 1 + \cos Φ_{1}

式中：x(Ф)……柱塞与斜盘接触点轨迹的x坐标
D……柱塞分布图直径
δ……斜盘倾角
柱塞位移：

x 1 = x_{1} Φ_{1} + D \tan δ = \frac{D}{2} \tan δ_{1} 1 - \cos Φ_{1}

x1……柱塞位移
柱塞运动速度：

v = \frac{dx 1}{dt} = \frac{dx}{dt} = \frac{dx}{dΦ} \frac{dΦ}{dt} = \frac{D}{2} ω \tan δ \sin Φ

当柱塞泵以恒定转速旋转时，单个柱塞的瞬时流量(定义排油为负)：

Q_{i}^{'} = - \frac{π}{4} d^{2} v_{i} = - \frac{π}{4} d^{2} \frac{D}{2} ω \tan δ \sin Φ_{i}

式中：Q’I……第i个柱塞的瞬时流量
      d……柱塞的直径
      ω……泵旋转角速度
      φi……第i个柱塞的旋转角度
泵的瞬时流量：

Q_{B}^{'} = Σ_{i = 1}^{k} Q^{'} = - \frac{π}{8} d^{2} Dω \tan δ Σ_{i = 1}^{k} \sin Φ_{i}

式中：Q’B……泵的瞬时流量
k……同时处于排油区的柱塞数目
轴向柱塞泵的流量脉动系数与柱塞数紧密相关，脉动系数定义为〔5〕：

δ = \frac{Q_{B \max}^{'} - Q_{B \min}^{'}}{Q_{Bt}}

式中：Q’Bmax……泵的瞬时流量最大值
Q’Bmin……泵的瞬时流量最小值
Q’Bt……泵的理论流量

Q_{Bt} = - \frac{π}{4} d^{2} Dz n_{B} \tan δ

式中：z……泵的柱塞数
nB……泵的转速
传统教科书中列出了不同柱塞时的流量脉动系数系数表。
柱塞数 3 4 5 6 7 8 9 10 11 脉动系数 14.03 32.53 4.98 14.03 2.53 7.81 1.53 4.98 1.02
从上表中可看出流量的脉动还与柱塞的数量有关，一般来说偶数柱塞时的流量脉动系数远远大于奇数柱塞时的流量脉动系数，而且随着柱塞数的增加，流量不均匀系数减小。要减小流量脉动，需要增加柱塞数，但增加柱塞数往往会受到强度限制，或使泵的结构复杂。
通过以上的分析，本发明对轴向柱塞泵的斜盘进行了改进，具体实施方法是：将轴向柱塞泵上的柱塞与斜盘接触点的滑行轨迹按数学函数分布，使转子在旋转过程中，控制各柱塞在不同瞬间的位移量，使各柱塞在不同瞬间的总供油流量之和趋于常数，以减小轴向柱塞泵几何性流量脉动。所述的数学函数根据柱塞数量或柱塞数量的奇偶性确定柱塞与斜盘接触点不同的滑行轨迹的几何形状。
轴向柱塞泵单个柱塞的瞬时流量为

Q_{i}^{'} = - \frac{π}{4} d^{2} v_{i} = - \frac{π}{4} d^{2} \frac{dx}{dΦ} \frac{dΦ}{dt} = - \frac{π}{4} d^{2} ω \frac{dx}{dΦ}

当ω不变时，其瞬时流量取决于可看出，是一个结构性变量，即只与柱塞和斜盘接触点轨迹的x坐标随Ф变化的情况关联的变量。既然是一个只与柱塞和斜盘接触点轨迹的x坐标随Ф 变化的情况关联的变量。
本发明针对不同柱塞数量的泵，确定不同的柱塞和斜盘接触点轨迹的x坐标随Ф变化的曲线方程。
对于三柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{9}{4 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 3 \\ D \tan δ (\frac{3}{2 π} Φ - \frac{5}{4}) & π / 3 \leq Φ < 2 π / 3 \\ D \tan δ (- \frac{9}{4 π^{2}} Φ^{2} + \frac{9}{2 π} Φ - \frac{9}{4}) & 2 π / 3 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于四柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{2}{π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 2 \\ D \tan δ (\frac{4}{π} Φ - 2 - \frac{2}{π^{2}} Φ^{2}) & π / 2 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于五柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{25}{12 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ \leq 2 π / 5 \\ D \tan δ (\frac{5}{3 π} Φ - \frac{4}{3}) & 2 π / 5 \leq Φ \leq 3 π / 5 \\ D \tan δ (\frac{- 25}{12 π^{2}} Φ^{2} + \frac{25}{6 π} Φ - \frac{25}{12}) & 3 π / 5 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于六柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{9}{4 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 3 \\ D \tan δ (\frac{3}{2 π} Φ - \frac{5}{4}) & π / 3 \leq Φ < 2 π / 3 \\ D \tan δ (- \frac{9}{4 π^{2}} Φ^{2} + \frac{9}{2 π} Φ - \frac{9}{4}) & 2 π / 3 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于七柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{49}{24 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < 3 π / 7 \\ D \tan δ (\frac{7}{4 π} Φ - \frac{11}{8}) & 3 π / 7 \leq Φ < 4 π / 7 \\ D \tan δ (- \frac{49}{24 π^{2}} Φ^{2} + \frac{49}{12 π} Φ - \frac{49}{24}) & 4 π / 7 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于八柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{8}{3 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 4 \\ D \tan δ (\frac{4}{3 π} Φ - \frac{7}{6}) & π / 4 \leq Φ < 3 π / 4 \\ D \tan δ (- \frac{8}{3 π^{2}} Φ^{2} + \frac{16}{3 π} Φ - \frac{8}{3}) & 3 π / 4 \leq Φ \leq π \end{matrix}

或者：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{2}{π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 2 \\ D \tan δ (\frac{4}{π} Φ - 2 - \frac{2}{π^{2}} Φ^{2}) & π / 2 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于九柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{81}{32 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < 2 π / 9 \\ D \tan δ (\frac{9}{8 π} Φ - \frac{9}{8}) & 2 π / 9 \leq Φ < 7 π / 9 \\ D \tan δ (- \frac{81}{3 {2 π}^{2}} Φ^{2} + \frac{81}{16 π} Φ - \frac{81}{32}) & 7 π / 9 \leq Φ \leq π \end{matrix}

或者：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{9}{4 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 3 \\ D \tan δ (\frac{3}{2 π} Φ - \frac{5}{4}) & π / 3 \leq Φ < 2 π / 3 \\ D \tan δ (- \frac{9}{{4 π}^{2}} Φ^{2} + \frac{9}{2 π} Φ - \frac{9}{4}) & 2 π / 3 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于十柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{25}{8 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < π / 5 \\ D \tan δ (\frac{5}{4 π} Φ - \frac{25}{8}) & π / 5 \leq Φ < 4 π / 5 \\ D \tan δ (- \frac{25}{{8 π}^{2}} Φ^{2} + \frac{25}{4 π} Φ - \frac{25}{8}) & 4 π / 5 \leq Φ \leq π \end{matrix}

或者：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{25}{12 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ \leq 2 π / 5 \\ D \tan δ (\frac{5}{3 π} Φ - \frac{4}{3}) & 2 π / 5 \leq Φ \leq 3 π / 5 \\ D \tan δ (\frac{- 25}{{12 π}^{2}} Φ^{2} + \frac{25}{6 π} Φ - \frac{25}{12}) & 3 π / 5 \leq Φ \leq π \end{matrix}

对于十一柱塞轴向柱塞泵：

x_{1} Φ_{1} = \{\begin{matrix} D \tan δ (\frac{11}{3 π^{2}} Φ^{2} - 1) & 0 \leq Φ < 3 π / 11 \\ D \tan δ (\frac{2}{π} Φ - \frac{14}{11}) & 3 π / 11 \leq Φ < 8 π / 11 \\ D \tan δ (- \frac{11}{{3 π}^{2}} Φ^{2} + \frac{22}{3 π} Φ - \frac{11}{3}) & 8 π / 11 \leq Φ \leq π \end{matrix}

随Ф变化，如果柱塞和斜盘接触点轨迹的x坐标按上式规律变化，可以从原理上消除轴向柱塞泵的几何性流量脉动。以上仅仅是 0≤Ф≤π之间的曲线方程，对于π≤Ф≤2π之间的曲线按对称性可以简单确定。
本发明的轴向柱塞泵几何性流量脉动的结构如图1所示，它包括缸体1，缸体1上设有三个或三个以上的柱塞孔2，柱塞孔2中设有弹簧3和可滑动的柱塞4，柱塞4的端部设有斜盘5；斜盘5上设有滑道6，滑道6底部的几何形状按旋转角度的数学函数规律设置。所述的滑道6中设有三个或三个以上的滑靴7，滑靴7的底部和侧面设有滚珠8，滚珠8与滑道6滚动连接，滑靴7上部与柱塞4上的球头 9万向连接。由于传统的轴向柱塞泵中的斜盘曲线是柱塞球头直接与斜盘形成点接触，不利于斜盘和柱塞球头工作。为改进柱塞球头与斜盘接触性能，本发明提出柱塞球头与斜盘的耦台结构如图2所示。该结构将柱塞球头滑靴与斜盘滑道之间的滑动摩擦改为滚动摩擦，可以改进接触的性能。滑靴上的滚珠在斜盘上的滑道中滑动，滑道底部的曲面按本发明所提出的曲线设计。
本发明所提出的斜盘经滑靴与柱塞的连接结构不但适用于本发明提出的斜盘式轴向柱塞泵的曲线结构，同样也适用于传统斜盘式轴向柱塞泵。

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