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基于AMESim的恒压力轴向柱塞泵动态特性仿真

段飞蛟, 曹克强, 李永林, 胡良谋
(空军工程大学工程学院, 陕西西安710038)
 
摘要: 分析了恒压力轴向柱塞泵的工作原理, 推导并建立了液压泵压力流量和压力调节机构的数学模型, 并在此基础上以AMESim工程软件为平台建立了轴向柱塞泵的仿真模型, 分析了压力流量脉动状况并对液压泵在内部磨损和系统流量变化两种情况下的压力流量进行了仿真计算, 对两种情况下泵的工作情况进行分析比较, 为液压脉动抑制和故障分析提供了参考。
关键词: 恒压力变量泵; 数字建模; AMESim; 脉动; 磨损
中图分类号: TH137  文献标识码: A  文章编号: 1001-3881(2008)11-160-3
Digital Modeling of Piston Pump and Its Analysis Based on AMESim
DUAN Feijiao, CAO Keqiang, L I Yonglin, HU L iangmou
(Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi 710038, China)
Abstract: The math model of the movement, flux and control system of position pump was established by analyzing its working principle, and its hydraulic system simulation model was established based on AMESim. The pressure and flux pulsation of the position pump was analyzed, and the pressure and flux was calculated by simulation when there are sign of wear for the position pump and system flux change.
Keywords: Piston pump; Digital model; AMESim; Pulsation; Wear
 
  恒压力轴向柱塞变量泵是在航空中应用较多的液压泵, 主要应用于飞机的主液压系统。它可根据出口压力变化调整斜盘倾角来改变流量, 并通过调整流量使出口压力保持在恒定状态, 具有效率高、结构简单、体积小、功率系数高等优点。由于轴向柱塞泵的结构特点, 液压泵在工作时会产生流量脉动, 较小的流量脉动也会引起压力脉动; 当系统所需流量较大如
进行起落架收放时, 液压泵出口压力会减小; 泵长时间使用后, 会因内部磨损导致泄漏量增大, 使泵流量和压力不足, 功率下降, 影响系统的正常工作。
 
    AMESim工程软件是一种新型的基于图形化的工程仿真软件, 主要用于模拟控制对象的真实建模环境。运用该软件中的液压仿真库和机械仿真库可以充分考虑液压泵工作过程中的摩擦、泄漏和液压油的物理特性。
 
    笔者在对轴向柱塞泵的工作原理分析的基础上,推导并建立了液压泵的数学模型, 结合AMESim工程软件对某型航空用轴向柱塞泵进行建模, 对泵的压力流量脉动及在负载变化和内部磨损两种情况下的压力流量变化进行了仿真分析。
 
1 恒压力轴向柱塞泵工作原理
 
    如图1 所示, 液压泵由壳体、转轴、斜盘、转子、柱塞和压力调节机构组成。当转子转动时, 柱塞在弹簧和斜盘的作用下在转子内做往复运动, 当某个柱塞从斜盘下死点到上死点运动过程中, 柱塞工作容腔增大, 此时柱塞腔和进油腔相通处于吸油过程。同理, 当柱塞从上死点到下死点的运动过程中, 柱塞完成排油过程。当斜盘倾角变大时, 柱塞工作腔容积变大, 泵流量增加; 当倾角变小时, 流量减小。液压泵通过回油活门感受出口压力变化, 当出口压力超过预定压力时, 油压所形成的开门力矩大于调压弹簧的关门力矩, 使活门打开, 接通活塞的回油路。活塞在弹簧力和活塞上节流孔压差的作用下带动活塞杆产生位移, 使斜盘倾角减小, 流量降低, 泵出口压力下降到预定值。
 

 
2 恒压力变量泵数学模型
2.1 流量与斜盘倾角和转速的关系
   
    液压泵流量:

式中: Qi为柱塞的排油量;m为处在排油槽内柱塞的数量。

    假设在初始状态缸体转角α=0, 柱塞转角为αi =, 柱塞的轴向位移sp i

    对式( 1) 求导可得柱塞相对缸体速度:

式中:r为柱塞内径; ω为液压泵转速;Rf 为柱塞分布圆半径;n为柱塞数; α为缸体的转角; γ为斜盘的倾角, 由压力调节机构决定。
 
2.2 斜盘倾角与压力关系
 
(1) 斜盘倾角γ与控制杆行程l的关系
    由斜盘圆心至分油盘的距离a为定值可得:

    由斜盘圆心至控制杆的距离为定值可得

式中:R 为斜盘半径;l为控制杆行程;l0 为斜盘控制杆长度;d为连接杆长度;x1 为平衡弹簧伸缩量;x1o 为平衡弹簧初始长度; γ为斜盘倾角; θ为连杆与控制杆的夹角。
 
( 2) 控制杆行程l与液压泵出口压力p的关系
    由控制活塞的受力平衡方程可得
    p·A1= k1 x1+ (p -Δp) A2             ( 9)
 
    对压力传感器杠杆求力矩平衡方程可得

    对半球形节流窗口应用节流孔流量公式:

    对活塞节流窗口应用节流孔流量公式:

    半球形截流孔面积S为
                   S1 =2πr1 (l3-x2-x2o)                  ( 13)
式中:A1 为控制活塞左侧面积;A2 为控制活塞右侧面积;A3 为传压器杠杆出口压力作用点面积;k1为平衡弹簧刚度;k2为调压弹簧刚度;x2为调压弹簧长度;x2o为调压弹簧初始长度;l1为出口压力在传压器上的力臂;l2为调压弹簧在传压器上的力臂;l3为调压弹簧底座至截流窗口距离; Δp为控制活塞截流孔的截流压力损失。
 
2.3 吸油口排油口过流面积
 
    如果以缸孔底部油窗口后缘刚脱离配油腰形槽的瞬时位置α4作为柱塞运动的起始位置, 缸孔底部油窗口与配流盘吸油腰形槽形成的过流面积Aws 为:

式中: αWC为缸孔底部窗口端部半圆形的包角, 且

式中:RV3为吸油槽外侧所在圆半径;RV2 为吸油槽内侧所在圆半径。
 
3  AMESim 仿真模型建立由斜盘圆心至分油盘的距离
3.1 柱塞模型
 

 
    如图2所示, 柱塞模型由控制模型、运动转化模块、柱塞容积模型组成。柱塞容积模块由质量模块、容积模块和摩擦泄漏模块组成。质量模块模拟柱塞的惯性力, 容积模块、摩擦泄漏模块模拟柱塞容积变化、泄漏流量和摩擦力。根据流量与斜盘倾角和转速的数学模型建立控制模块, 将转子的转速信号和压力传感器的压力信号经压力调节机构模型转化为运动转化模块的输入信号; 运动转化模块输出速度、位移和力参数至柱塞容积模块; 柱塞容积模型输出柱塞流量、压力、摩擦力和泄漏流量等参数。
 
3.2 配油盘吸油口及排油口模型
 

 
    如图3所示, 在建模过程中节流孔的面积变化体现吸油口与排油口过流面积的变化, 根据柱塞上的位移传感器输出的位移信号为依据, 通过控制系统判断柱塞处于吸油还是排油过程, 并给节流孔面积赋值, 当柱塞吸油时吸油口打开, 柱塞排油口面积为0; 当柱塞排油时, 排油节流孔打开, 吸油节流孔面积为0。
 
3.3 压力调节机构模型
 

 
    根据液压泵的压力和斜盘倾角关系的数学模型建立压力调节模块, 如图4所示。压力调节用控制模块体现, k值为液压泵调压弹簧的伸缩量, 用来模拟调压弹簧的作用, 通过调节图4中的常量k值可以调节泵的额定出口压力, 液压泵转子的转速传感器和液压泵出口压力传感器的输出压力和转速信号, 经控制模块的数学模型转化为压力和转速与柱塞行程的关系, 从而控制柱塞的行程和液压泵的流量, 流量改变, 实现出口压力的调节。
 
4  仿真及结果分析
4.1 仿真参数
 
    笔者以液压泵模型与节流器模型构成液压系统回路, 通过调整节流器的流量和压力特性模拟液压系统负载变化, 计算液压泵在一定负载下的压力和流量。
 
    以某型航空用液压泵为例, 一般工作情况节流阀参数设置: 流量特性1L /m in, 对应压降0.1MPa; 大流量工作情况下参数设置: 流量特性1.8L /m in, 对应压降0.1MPa 模拟系统的两种状态负载1和负载2。
 

 
    为了计算泄漏对压力和流量的影响, 取系统在负载1下工作时, 液压泵转速和柱塞行程为定值, 取柱塞与缸孔正常状态下间隙值为0.015mm; 磨损状态下间隙值为0.1mm 。共同仿真参数如表1所示。
 
4.2 仿真计算结果分析
 
    某型航空用液压泵的性能: 当转速n = 2 050 rad/min, 供油流量在0 ~28L /m in 范围内改变时, 泵出口压力为(15 ±0175)MPa, 仿真结果与该泵性能相符。图5、6分别为泵在负载1 即系统正常工作时液压泵出口的流量和压力随时间的变化曲线, 液压泵由零负载升至满负载压力需0.6s; 仿真结果体现了由于柱塞泵柱塞的吸排油过程所导致的泵出口处产生的流量脉动和压力脉动。
 

 
    图7、8分别为在负载1下, 泵的转速和斜盘倾角恒定, 柱塞与缸体不同间隙下柱塞的泄漏量随时间的变化曲线。由图可见, 内部磨损会导致泵的泄漏量增加, 对比图6、9可以看出泄漏会导致压力大幅下降, 不能提供系统所需压力, 使液压泵功率损失增大。
 

 
    图10和11分别为液压泵在负载2 下工作的流量和压力随时间的变化曲线。系统流量达到泵的最大流量时, 泵出口压力很快下降到1413MPa 以下, 调节部分自动使斜盘倾角和流量增加到最大; 对比两种负载下泵的流量脉动和压力脉动情况, 可看出当泵流量增大时, 流量脉动增大, 压力脉动也随之增大。
 

 
5 结束语
    通过对恒压力轴向柱塞泵的工作原理进行分析, 对某型航空用液压泵进行公式推导并建立了数学模型, 在此基础上运用AMESim 工程软件的基本液压元件库对该型液压泵进行建模和仿真。
 
(1) 对压力和流量脉动进行了量化分析, 为抑制脉动提供了参考;
 
(2) 对泵磨损情况对泵压力流量的影响进行了量化分析, 得出了泵磨损程度和压力流量损失的对应关系, 为泵故障分析提供了参考;
 
(3) 对泵在不同负载下的工况进行了模拟, 得出了泵的流量与压力脉动的关系;
 
(4) 推导并建立了某型泵的调节系统数学模型, 为该泵的温度建模提供了参考。
 
参考文献
【1】谢三保. 飞机液压系统热力学模型与数字仿真[D ]. 北京: 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院, 2004.
 
【2】沈燕良, 曹克强, 王建平. 飞机系统原理[M ]. 西安: 空军工程大学工程学院, 2004.
 
【3】王占林. 飞机高压液压能源系统[M ]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004.
 
【4】冯刚, 江峰. 变量柱塞泵的键合图建模和动态特性仿真[J ]. 机床与液压, 2004 (12) : 20 -21.
 
【5】谢三保, 焦宗夏. 飞机液压系统温度仿真计算与分析[J ]. 机床与液压, 2005 (5) : 67 -68.



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