基于AMEsim的某型航空發(fā)動機軸向柱塞泵特性仿真

劉明明，石 宏，黃笑飛

(沈陽航空航天大學動力與能源學院 遼寧 沈陽 110136)

軸向柱塞泵是航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)的重要組成部分，其工作情況的好壞直接影響燃油系統(tǒng)的工作狀況。軸向柱塞泵具有容積效率高，供油量調(diào)節(jié)簡單，體積小，經(jīng)濟性好等優(yōu)點［1］。但是由于軸向柱塞泵的工作特性，燃油泵在工作時會產(chǎn)生流量脈動，流量脈動又會引起壓力脈動，當需要較大的燃油量時，泵的出口壓力會減小;尤其是泵在長期使用后，會因內(nèi)部磨損導致泄漏量增大，使泵流量和壓力不足，功率下降，影響燃油系統(tǒng)的正常工作［2］。因此，對柱塞泵的柱塞在工作過程中的壓力和流量特性進行分析就顯得尤為重要。

AMEsim是一種新型的基于圖形化的工程應用仿真軟件，用于模擬控制對象的真實建模環(huán)境。該軟件在建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型時，充分考慮了液壓油的物理特性及液壓元件的非線性特性。例如:液壓油的壓縮性、滯環(huán)、飽和特性、庫侖力、元件的泄漏等，其功能強大的后處理功能為工程分析提供了良好的支持［3］。本文以AMEsim軟件作為仿真平臺，建立了單個柱塞的液壓仿真模型，對柱塞在運動過程中的流量和壓力特性進行了仿真分析。

1 柱塞泵的基本原理及柱塞運動方程

1.1 柱塞泵的工作原理

柱塞泵主要由轉子、柱塞、斜盤和分油盤等元件構成，如圖1所示。柱塞在轉子柱塞孔中隨轉子一起旋轉，在油壓力和彈簧力等的作用下，柱塞頭部頂靠在斜盤面上。斜盤面可以是球面，即球面斜盤，也可以是圓錐面，即錐面斜盤。當存在一定的斜盤角度時，柱塞在柱塞腔中作往復運動，不斷改變柱塞腔里的自由容積。轉子端面與分油盤貼合。分油盤上有兩個月牙形窗孔:一個通低壓進口腔，為進油窗;一個通高壓出口腔，為出油窗。分油盤固定不動，當轉子旋轉時，柱塞腔輪換與進、出油窗接通。當柱塞在吸油行程時，柱塞腔通進油窗，吸進相應體積的低壓液體;當柱塞在排油行程時，柱塞腔通出油窗，將液體排往出口。由于每個柱塞只有半個周期處于供油狀態(tài)，但轉子上有許多柱塞同時工作，因此，出口處便得到連續(xù)的供油量［1］。

圖1 柱塞泵的工作原理圖

柱塞腔里的液體由于受到柱塞端面的推動而向出口流動。如果出口處有流動阻力，則液體受到擠壓，出口處呈現(xiàn)一定壓力。流動阻力越大，液體受到的擠壓越大，出口壓力越大。

1.2 柱塞的行程分析

圖2 柱塞行程計算圖

式中，l為柱塞中心線與轉子軸線交點O到斜盤轉軸A之間的距離。

當柱塞在任意位置角α時(α為轉子轉角)令:α=0°，柱塞處于吸油行程開始位置;α=180°，柱塞處于排油位置開始位置，柱塞行程為

式中:K1=l(1 －tanθtanφ)sinθtanφ

K2=tanθtanφ

由式(2)可見，當K1、K2不變時，行程s隨轉子轉角α改變。當a=180°時，由于K2＜1，故式(2)可近似為

假設轉子轉角α=ωt，ω為轉子的角速度，ω=dα/d t。斜盤傾角φ和柱塞傾角θ為定值，對柱塞行程s(α)求導可得柱塞的相對運動速度

由式(3)可見，柱塞的速度是α角的函數(shù)［2］。

2 仿真模型的建立

在建立模型之前，需要做如下假設:

(1)液體的流動是一維的。

(2)油液屬性是均勻的。

(3)不考慮油液的溫度對液壓元件影響。

(4)計算的壓強是節(jié)點所對應的容腔內(nèi)油液的平均壓強。

2.1 柱塞模型

單個柱塞模型是將泵軸轉速、斜盤傾角、柱塞傾角及柱塞相對于缸孔的運動速度之間的關系聯(lián)系起來。因此柱塞模型包括運動轉化模型、斜盤傾角和柱塞傾角信號的輸入模型、柱塞容積模型、泄漏模型和柱塞的運動方程模型，如圖3所示。容積模型和泄漏模型用來模擬柱塞容積的變化和泄漏流量，運動方程模型用來模擬斜盤傾角、柱塞傾角和轉子轉角間的函數(shù)關系［4］。

圖3 柱塞模型

2.2 分油盤吸/排油口模型

分油盤模型是利用開關構成分油盤的高壓腔和低壓腔，通過轉子角度信號判斷柱塞處于吸油行程還是排油行程。

當α=0°～180°范圍內(nèi)，柱塞吸油，吸油孔打開，柱塞排油節(jié)流孔面積為0，當α=180°～360°范圍內(nèi)，柱塞排油，此時，排油節(jié)流孔打開，吸油節(jié)流孔面積為0［5］。如圖4所示

圖4 吸/排油口模型

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

以某型航空發(fā)動機上的柱塞泵為例，一般工作情況下節(jié)流閥參數(shù)設置:流量特性1L/min，對應壓降1bar。為了計算泄漏對壓力和流量的影響，取柱塞與缸孔正常狀態(tài)下間隙值為0.01 mm;磨損狀態(tài)下間隙值為0.1 mm。通過仿真計算，斜盤傾角為13.5°、柱塞傾角為13°時，柱塞的最大行程為1.5 cm，仿真結果與柱塞的理論行程相符。共同仿真參數(shù)如表1所示。

表1

3.2 柱塞的液壓沖擊

如果分油盤過渡區(qū)尺寸小于或等于轉子端面的柱塞腔孔直徑，則在上死點附近的油窗轉接過程中，充滿低壓液體的柱塞腔會突然與高壓排油窗接通，此時在柱塞腔中產(chǎn)生液壓沖擊現(xiàn)象，腔內(nèi)油壓瞬時升高，超過泵出口壓力很多。同樣，在下死點附近，充滿高壓液體的柱塞腔會突然與低壓吸油窗接通，產(chǎn)生液壓沖擊，使腔內(nèi)壓力瞬時低于泵進口壓力。如果在吸油窗下端和排油窗上端各開一個三角形尖槽(如圖5所示)。

圖5 開有三角形尖槽的分油盤

三角形尖槽的尖角與處在上，下死點的柱塞腔孔相接，這種結構可以減弱液壓沖擊現(xiàn)象。圖6是分油盤未開三角形尖槽，圖7是具有三角形尖槽結構的分油窗內(nèi)柱塞腔的壓力曲線，可以明顯看出，開有三角形尖槽的分油盤，油液壓力的躍升明顯減弱。

圖6 不帶三角形尖槽分油盤柱塞腔壓力

圖7 具有三角形尖槽的分油盤柱塞腔壓力

3.3 斜盤角度變化對柱塞的影響

圖8、圖9分別為在泵的轉速恒定及外部節(jié)流孔面積不變，而斜盤角度在0°～13.5°范圍內(nèi)變化時，柱塞腔內(nèi)壓力和軸向液壓作用力的變化曲線，由圖可知，當斜盤傾角較小時，柱塞吸油與排油轉接過程中所受的液壓沖擊和出口壓力都比較小;隨著斜盤傾角變大，軸向油壓作用力和柱塞腔的壓力有明顯的增加，在斜盤傾角最大時，柱塞所受的軸向油壓作用力和柱塞腔內(nèi)的壓力最大。

圖8 柱塞腔壓力

圖9 軸向油壓作用力

3.4 泄漏分析

圖10、圖 11 為在泄漏間隙為 0.01 mm、0.1 mm時泄漏量特性曲線。由圖可知，當泄漏間隙變大時，泄漏量隨之增加，柱塞在吸油行程中，泄漏量逐漸增加，然后穩(wěn)定在某一值;當柱塞處于吸油與排油交接處時，由于柱塞軸向油壓作用力和柱塞腔的壓力瞬間增大，泄漏量突然增加;當柱塞處于排油行程時，泄漏量隨著柱塞腔的壓力和柱塞軸向油壓作用力的減小而隨之減小。

圖10 泄漏間隙為0.01 mm的泄漏量

圖11 泄漏間隙為0.1 mm的泄漏量

4 結論

通過對柱塞在工作過程中流量和壓力特性的仿真分析，得出以下結論:

(1)分油盤結構設計會影響柱塞腔的壓力，由3.2節(jié)的分析可知，帶有三角形尖槽結構的分油盤對壓力的上升有一定的抵消作用;

(2)隨著斜盤傾角的變化，軸向油壓作用力和柱塞腔的壓力也隨之變化，斜盤傾角越大，柱塞腔的壓力和柱塞所受軸向油壓作用力也越大;

(3)柱塞腔的壓力、軸向油壓作用力及泄漏間隙都會對泄漏量產(chǎn)生影響。

［1］李壯云.液壓元件與系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

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