斜盘式水压柱塞泵的流体脉动控制

　　1 前 言

　　在液压泵的噪声控制中，减小液压泵的流体脉动是减小柱塞泵及其噪声的最有效方法，其常用的方法是在结构上进行改进及在噪声传播途径上加装各类设备进行控制。结构改进通常包括采用球面配流、加大转子油缸配流时间，减小斜盘角，配流盘结构优化等。比如，Chikhalsouk, M.等人在配流槽的前后两端设计一对消声深槽来降低流体噪声[1]，BecherD 设计出弹性环，来抑制由低压向高压或由高压向低压过渡过程所产生的压力脉动，从而达到降低流体脉动[2]。Horinouchi , Katsutoshi 则采用多级阻尼孔的方法进行降噪[3]。

　　在加装降噪装置方面，使用的方法是加装复合型噪声控制装置、蓄能器、消声器及柔性元件来降低泵类元件所产生的流体脉动和汽蚀等噪声。20 世纪70 年代，Rebel 通过引入高响应的伺服控制阀和辅助泵组成的闭环控制系统产生固定频率的压力脉动来抵消泵所产生的流体脉动[4]，1986 年，Lipscombe设计一种机械式流体噪声控制装置，其驱动线状活塞产生与流体脉动幅值相等而相角相反的流体脉动来控制流体脉动。1994 年，Calvert 等人在离心泵的磁性推力轴承中采用自适应控制来降低流体噪声[5]。Yokota, Shinichi 则通过由多层 PZT 驱动的主动蓄能器来吸收高频流体脉动噪声，其具有非常明显的作用[6]。

　　然而，结构改进通常用于盘配流结构柱塞泵中，而对于阀配流柱塞泵，则在结构上很难进行一些有效的结构优化措施；另外，采用主动控制虽能明显地的降低脉动的作用，但在经济和空间上较难实现。为此，本文采用蓄能器及波纹管的方法进行流体脉动控制。

　　2 柱塞泵瞬时流量

　　在蓄能器及波纹管的参数设计中，必须对柱塞泵的脉动频率有所了解。本文通过 ADAMS 对柱塞泵进行运动分析，得出 180 r/min 下的柱塞速度曲线，并以此为基础，通过式（1）进行计算。

　　式中，sin(vi)为符号函数（当 vi>0，sin(vi)=1，vi<0，sin(vi)=-1，vi=0，sin(vi)=0）；vi为第 i 柱塞速度；A 为柱塞截面积。

　　已知柱塞截面积 A=0.0031 m³，柱塞数为 7，由式（1）可得柱塞泵理论流量曲线如图 1 所示。

　　3 数学建模

　　由图 1 可以得出，在转速为 180 r/min 时，其柱塞泵流量脉动频率为 6 Hz，脉动率为 0.22，明显大于其它结构的柱塞泵。本文在柱塞泵公共出水环腔内加装盒式蓄能器及在每出水阀端部加装波纹管来进行脉动控制，其原理图可等效为图 2 所示。

　　为便于分析做如下假设：蓄能器内气体处于绝热过程中；忽略蓄能器皮囊粘性阻尼系数及皮囊的弹簧刚度；蓄能器作用截面积为皮囊内腔截面积；忽略波纹管的阻尼系数；波纹管与蓄能器阻尼孔内流体为层流；对于固定节流孔（节流阀等），在某一压力附近，其流量-压力为线性关系。