吸收压力脉动的波纹管蓄能器的特性研究

　　前言

　　柱塞泵结构紧凑,体积小,重量轻,并且有着较高的容积效率和总效率,能在较高的转速和压力下工作,在液压系统中有着广泛的应用。柱塞泵的工作原理是密闭的工作容积发生周期性变化,完成吸水和排水,因此造成其瞬间流量是脉动的,柱塞泵的出口流量也存在脉动,当流量脉动遇到液压管路系统的阻抗时又形成压力脉动。压力脉动会产生周期性的压力波,引起系统中其他元件的共振,产生周期性的振动、爬行、噪声,甚至损坏,严重时会使整个系统处于共振而无法正常工作[1]。为了降低或消除柱塞泵的压力脉动,一般在泵的出口附近安装皮囊式蓄能器。压力脉动大多是由流量脉动引起的,在一个脉动周期内,高于平均流量的部分被蓄能器吸收,低于平均流量的部分由蓄能器供给。不少资料已对此做过介绍[2-4],它们主要从蓄能器的充气压力、充气体积、蓄能器前管路长度、流通面积以及流量脉动率等方面进行仿真分析。由于一些分析计算作了较大的简化,使得模型与实际系统相差甚远,分析计算结果失去实用价值。在实际应用中,由于蓄能器结构不合理、参数选择不当以及安装不合理等原因,蓄能器吸收压力脉动的效果不甚理想,而且采用皮囊式蓄能器吸收压力脉动,当充气压力为一定值时,其只能对某一范围内的压力脉动起作用,比如,当充气压力为2MPa时,其对于压力高于2MPa的压力脉动才起作用。由于安装空间有限,不能在泵外安装单独的蓄能器以吸收压力脉动,本文提出了一种新型的波纹管蓄能器,安装在柱塞泵的内部,与泵的出水口相通,吸收压力脉动,主要从波纹管蓄能器的刚度、阻尼孔的径及长度进行了仿真分析,以得到吸收压力脉动的最佳效果。

　　1　波纹管蓄能器的数学模型及性能分析

　　波纹管蓄能器虽然安装在柱塞泵内部,但与泵的出水口相通,系统回路简化为图1所示,波纹管蓄能器结构如图2所示。

　　为方便建立系统的数学模型,对系统作如下假设[5-6]:

　　①忽略波纹管内的气体压力,即pb1=0,波纹管蓄能器的等效刚度为:kb=kt+kc

　　式中:kc为波纹管波纹刚度;kt为弹簧刚度;

　　②泵出口的平均流量q等于通过节流阀的平均流量qR,即q=qR,稳态时,通过波纹管蓄能器的平均流量qb=0;

　　③蓄能器前阻尼孔中的液体流动按层流计算;

　　④忽略液体的压缩性和系统的泄漏。

　　根据图1、图2和以上假设,可建立蓄能器前阻尼孔液柱的动量方程、波纹管蓄能器的力平衡方程和系统流量连续性方程。

　　1. 1　蓄能器前阻尼孔液柱的动量方程

　　忽略液体的重力,根据牛顿第二定律,蓄能器前阻尼孔液柱的动量方程为: