1. 引言
水液压径向柱塞泵具有优异的抗噪声特性和低脉动的优点，在各种工业领域得到了广泛应用，如海水淡化、钢铁除磷和煤矿开采等[1]。根据配流方式的不同，径向柱塞泵可以分为阀配流和轴配流两种方式，和轴配流相比，阀配流更适合于高压工况[2]。
近年来，国内外对水基径向柱塞泵投入了大量研究，取得了一定的创新成果。郭桐等人[2]-[4]设计了一种滑阀配流的水基径向柱塞泵，并进行了一系列实验、理论和数值研究。西南交通大学于兰英等人[5]利用AMESim建立仿真模型，研究了配流特性和余隙容积、阀芯质量、弹簧刚度之间的关系。太原理工大学严璐等人[6]研究了高速径向泵阀配流的动态特性，阐述了锥阀和球阀的配流特性。太原理工大学张杰等人[7]利用AMESim仿真软件对阀配流乳化液泵滞后性影响进行了系统研究，研究了阀芯质量、弹簧刚度、预紧力和余隙容积对容积效率的影响。河南质量工程职业学院曹小荣等人[8]利用阀配流动态数学模型仿真和实际测试进行了对比，验证了数学模型的准确性。
在本研究中，设计、试制并测试了一种单向阀配流的水基径向柱塞泵。利用AMESim建立模型来分析单向阀的配流特性，探讨影响单向阀配流特性的关键参数。制造出了原理样机并进行了测试，分析实际流量与理论流量不同的原因，最后在200小时的试验后，将水基径向柱塞泵拆开检查单向阀的使用情况。
2. 物理模型
Figure 1. Schematic diagram of radial piston pump structure
图1. 径向柱塞泵结构原理图
如图1所示为本研究设计的径向柱塞泵，通过中间的偏心轴带动星轮旋转，星轮上分别连接主副连杆，主连杆和星轮相对固定，副连杆和星轮通过销钉连接。主副连杆另外一端通过销钉与滑块连接，滑块可滑动的安装在泵体的滑道孔内，滑块的另一端固定安装柱塞。如此即可将偏心轴的旋转运动转化为柱塞的往复运动。径向柱塞泵的液力端为单独的结构单元，分别沿轴向布置在泵体上，通过单向阀和柱塞的配合作用进行吸排液。
3. 仿真分析
鉴于吸排液阀的工作性能决定了柱塞泵的工作效率，为直观对比分析两种结构的优劣，笔者利用AMESim软件建立径向柱塞泵的仿真模型，因本研究的径向柱塞泵结构不同于常规往复柱塞泵，遂根据三维模型构建了符合径向柱塞泵运动规律的AMESim模型，通过电机带动七个连杆来驱动柱塞往复运动，整泵模型如图2所示。插装式球阀吸排液结构和平板阀结构分别如图3(a)和图3(b)所示。
Figure 2. Radial piston pump system model
图2. 径向柱塞泵系统模型
(a) 插装式球阀结构 (b) 平板阀结构
Figure 3. Different valve core check valve structures
图3. 不同阀芯单向阀结构
本研究使用的插装式球阀为HAWE自产的RK47和RK48单向阀，平板阀结构根据流量连续性原理并结合单向阀的受力状态最终确定仿真初始数值并在AMESim输入对应参数。
在其他条件相同的情况下，仿真计算出泵的出口流量如图4所示。平板阀配流作用下泵的瞬时流量相比插装式球阀更大，两种配流阀的流量波动基本一致。进一步分析单个柱塞腔吸排液过程中流量的变化趋势，从图6分析可知，插装式单向阀在吸排液的结束阶段均出现了流量的倒吸现象，吸排液初始阶段流量倒吸的原因可能是余隙容积过大，柱塞腔建压慢导致，而吸排液结束阶段流量倒吸很大程度上是由于吸排液阀关闭滞后导致。图5为某个柱塞位移和阀芯位移的对比，吸液阀开启滞后0.005 s，关闭滞后0.01 s，排液阀开启滞后0.005 s，关闭滞后0.01 s，因笔者仿真设计采样步长为0.005 s，吸排液滞后均为0.005整数倍，实际滞后角可能更高，考虑到计算时长，不再做细化处理，上述现象即导致插装式球阀配流整体流量小的主要原因。
Figure 4. Pump outlet flow rate under different one-way valves
图4. 不同单向阀下泵的出口流量
Figure 5. Insert ball valve plunger-spool displacement curve
图5. 插装式球阀柱塞–阀芯位移曲线
结合仿真结果，笔者最终选择自主设计的平板阀作为径向柱塞泵样机的最终配流方式。图7所式为平板阀配流柱塞腔吸液过程压力变化，吸液初始阶段柱塞腔为负压，压力值为−0.5 bar，压力稳定后最小值压力为0.08 bar，吸液口初始压力为2 bar，分析可知柱塞吸液阶段最大压力损失为1.92 bar，另一方面吸液初始阶段因吸液阀芯开度小，柱塞运动较快，导致吸液不畅产生负压，若负压较大即会产生汽蚀，需优化单向阀来改善负压和压损情况。
(a)
(b)
Figure 6. Single plunger suction and discharge flow of different one-way valves
图6. 不同单向阀单柱塞吸排液流量
Figure 7. Plunger cavity pressure change curve during liquid suction process
图7. 柱塞腔吸液过程压力变化曲线
在不改变吸排液阀结构的情况下，笔者拟通过增加吸液压力进一步分析了柱塞腔的压力变化，仿真结果如图8所示，增加吸液入口压力并不能完全改变吸液初始负压的状态，且吸液过程最大压降值未得到改善。
Figure 8. Plunger cavity pressure change curve under five liquid suction pressures
图8. 五种吸液压力下柱塞腔压力变化曲线
图9为平板阀配流柱塞及吸排液阀芯位移曲线，0.12 s开始排液，0.18秒开始吸液，吸液阀开启滞后24˚，排液阀开启滞后15˚，吸液阀关闭滞后3˚，排液阀关闭滞后0˚。
Figure 9. Displacement curve of the flow distribution plunger and suction and discharge valve core of the flat valve
图9. 平板阀配流柱塞及吸排液阀芯位移曲线
Figure 10. Comparison of pressure in the plunger chamber during the suction phase for five parameters
图10. 五种参数柱塞腔吸液阶段压力对比
通过对吸排液阀弹簧的优化，在设计值一定范围内选取了五组参数进行仿真对比，旨在减小阀芯滞后、吸液负压及压损现象，最终柱塞腔吸液段压力对比结果如图10，吸排液阀滞后角对比如图11。从图10分析可知，改变吸排液弹簧的刚度及初始力并不能改变吸液初始阶段负压状况，但减小了压力损失，五组仿真数据，最小压力损失为1.4 bar，相比原参数压力损失1.92 bar提升了0.52 bar。分析图11阀芯滞后现象可知，在不改变其他参数的前提下，优化弹簧刚度和初始力对阀芯滞后现象改变不显著，导致阀芯滞后的主要原因系余隙容积，图12为两种余隙容积下的阀芯滞后情况，2 cm3余隙容积阀芯滞后现象相比10 cm3有显著减小。因余隙容积与单向阀结构设计相关，本设计的径向柱塞泵因结构原因，无法进一步改善余隙容积，遂最终设计余隙容积仍为10 cm3，其中吸液阀弹簧刚度2 N/mm，初始力7.5 N，排液阀弹簧刚度5 N/mm，初始力为18 N。
Figure 11. Comparison of hysteresis of the suction and discharge valve core
图11. 吸排液阀芯滞后对比
Figure 12. Comparison of two types of clearance volume spool hysteresis
图12. 两种余隙容积阀芯滞后对比
4. 实验分析与讨论
设计并加工出了径向柱塞泵(图13)并进行试验，泵由永磁变频一体机直接驱动，通过溢流阀控制泵出口压力，利用压力传感器、流量传感器、振动传感器和温度传感器等检测泵的工作状态。
Figure 13. Test radial piston pump
图13. 测试用径向柱塞泵
在转速500 rpm，压力0~37.5 MPa间进行测试，最终测的泵的实际流量和AMESim仿真流量对比如图14所示。实际流量低于仿真流量主要原因是柱塞密封发生了泄漏，实际的流量波动约为2.11%~4.95%。分析实际流量波动与理论相差较多的原因，一方面是柱塞泄漏导致，另一方面是本实验系统流量计所测流量为溢流阀溢流口流量，经溢流阀溢流后流量波动发生了变化。
Figure 14. Comparison of actual flow and AMESim simulated flow
图14. 实际流量和AMESim仿真流量对比
在37.5 MPa的恒定压力下对泵进行200小时的测试后，拆开吸排液阀(图15)，吸排液阀阀芯密封处有轻微撞击痕迹，未出现其他明显损坏。
Figure 15. Use of suction and discharge valves
图15. 吸排液阀使用情况
5. 结论
在本研究中，开发了一种新型单向阀配流径向柱塞泵。利用AMESim仿真软件对整泵进行仿真分析，对单向阀的结构参数进行优化选配，加工出了原理样机并进行了200小时的测试，对实验结果进行了分析，最终总结如下。
1) 自主设计的平板阀相比在售插装式球阀更适合本研究的径向柱塞泵。
2) 合理的吸排液弹簧设计，能够降低柱塞吸液过程中的压力损失，提高泵的吸液效率。
3) 柱塞腔吸液负压的产生与弹簧设计、余隙容积相关度不高，猜测可能和单向阀的通径或单向阀结构(平板阀、锥阀等)有关。
4) 余隙容积亦是影响柱塞泵容积效率的关键参数，较低的余隙容积能够提高吸排液阀芯的响应速度。