基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李華聰，符江鋒

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李華聰，符江鋒

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

針對(duì)柱塞傾斜安裝的某型航空燃油柱塞泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，首先基于坐標(biāo)互換法建立柱塞運(yùn)動(dòng)方程，然后采用AMESim軟件構(gòu)建柱塞泵模型，最后仿真分析柱塞傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)柱塞泵運(yùn)動(dòng)特性、流量特性及壓力特性的影響。仿真結(jié)果表明，相同工況下柱塞傾角對(duì)流量的影響小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，但斜柱塞結(jié)構(gòu)能增大柱塞行程，增加泵的供油量，適度改善柱塞泵的流量脈動(dòng)情況。

航空燃油柱塞泵；斜柱塞；流量脈動(dòng)；泵壓力；AMESim建模

1 引 言

目前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)［1］在燃油控制系統(tǒng)中，普遍采用斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵。國內(nèi)有關(guān)柱塞平行安裝的軸向柱塞泵相關(guān)理論已比較成熟，而對(duì)斜柱塞泵主要是測繪仿制，還沒有形成完整的理論體系和設(shè)計(jì)體系。因而，對(duì)柱塞傾斜安裝的航空燃油柱塞泵［2-3］進(jìn)行仿真研究具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

AMESim作為一款非常優(yōu)秀的仿真軟件，為流體、機(jī)械、控制和電磁等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案，已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域。

以航空領(lǐng)域所采用的斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵為仿真研究對(duì)象，首先對(duì)柱塞泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［4］，然后采用AMESim軟件建立柱塞泵仿真模型，最后在分析柱塞泵運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究柱塞傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)流量特性及壓力特性的影響。仿真結(jié)果期望為航空燃油柱塞泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相應(yīng)理論依據(jù)。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知，柱塞泵的基本組成元件有柱塞、滑靴、斜盤、轉(zhuǎn)子和分油盤等。柱塞泵通常在轉(zhuǎn)子中裝配由多個(gè)柱塞組成的柱塞陣列，斜盤主要用于控制柱塞位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓油的輸出流量。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞泵從供油區(qū)吸油，然后把油壓入高壓回路，這樣導(dǎo)致連續(xù)的液壓油輸出。

首先基于圖2所示的坐標(biāo)系，采用直角坐標(biāo)與球坐標(biāo)互換的方法，推導(dǎo)柱塞運(yùn)動(dòng)方程，為后文的仿真分析提供理論依據(jù)。

圖1 斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵

圖2 直角坐標(biāo)系

坐標(biāo)系中：

O：柱塞軸線與轉(zhuǎn)子軸線的交點(diǎn)；

Z：轉(zhuǎn)子軸線，指向斜盤為正；

X：在起始平面上，過原點(diǎn)O垂直于Z軸，向下死點(diǎn)一側(cè)為正；

Y：過原點(diǎn)O垂直于Z軸和X軸，朝吸油側(cè)為正；

R：斜盤球形工作面半徑。

柱塞球心C點(diǎn)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡始終在以L為半徑的球面上，如圖3所示。柱塞在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中始終在以O(shè)A為旋轉(zhuǎn)軸線，過原點(diǎn)O與轉(zhuǎn)子軸線夾角為θ的射線為母線形成的錐面上。

在直角坐標(biāo)系下，柱塞所在錐面方程為：

柱塞球心C所在球面方程為：

其中，l、m、k為斜盤與保持架的球心O1坐標(biāo)，L為斜盤球面中心O1至柱塞球頭中心C的距離。

根據(jù)圖2可得：

其中，a為柱塞錐頂點(diǎn)O至斜盤旋轉(zhuǎn)軸線A的距離；c為斜盤球面中心O1至斜盤旋轉(zhuǎn)軸線A的距離；φ為斜盤傾角。

將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)系

將式（4）代入式（2）可得ρ方程，進(jìn)而可求得柱塞位移方程如下：

其中，ρ0為α＝0°時(shí)的ρ值。

對(duì)式（5）進(jìn)一步求導(dǎo)可得柱塞相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度及加速度。

圖3 球面坐標(biāo)系

3 柱塞泵模型建立

AMESim是一種新型的基于圖形化的工程應(yīng)用仿真軟件，用于模擬控制對(duì)象的真實(shí)建模環(huán)境。該軟件在建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，充分考慮了液壓油的物理特性及液壓元件的非線性特性。仿真亦選取了AMESim作為平臺(tái)，對(duì)航空燃油柱塞泵進(jìn)行建模研究［5］。

3.1 單個(gè)柱塞模型

基于第2節(jié)柱塞運(yùn)動(dòng)分析所建立的單個(gè)柱塞模型如圖4所示，其中關(guān)聯(lián)了柱塞傾角、斜盤傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等。左側(cè)分別為斜盤傾角信號(hào)、柱塞傾角信號(hào)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)，右側(cè)為液壓油進(jìn)油口和出油口。

3.2 燃油柱塞泵模型

將單個(gè)柱塞模型進(jìn)行封裝，利用AMESim軟件提供的超級(jí)元件工具，建立柱塞的標(biāo)準(zhǔn)模型，然后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，得到燃油柱塞泵完整的仿真模型。

圖4 單個(gè)柱塞模型

圖5為所建立的某型航空燃油柱塞泵完整模型，包含柱塞運(yùn)動(dòng)模型、分油盤模型、柱塞腔模型、轉(zhuǎn)子模型和斜盤模型。

圖5 燃油柱塞泵模型

4 仿真與分析

在前文所建立的運(yùn)動(dòng)方程和燃油柱塞泵模型基礎(chǔ)上，通過設(shè)置柱塞泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)節(jié)柱塞傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速［6］，計(jì)算仿真燃油柱塞泵在一定工況下的運(yùn)動(dòng)特性、流量特性及壓力特性。

4.1 仿真參數(shù)

以某型航空燃油柱塞泵為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，所選取的柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1所示。在進(jìn)口壓力為0.3Mpa，節(jié)流嘴后壓力為0.5Mpa、等效節(jié)流嘴直徑為7.5mm條件下對(duì)柱塞泵進(jìn)行仿真分析。

表1 柱塞泵結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中，a為柱塞錐頂點(diǎn)至斜盤旋轉(zhuǎn)軸線A的距離；c為斜盤球面中心至斜盤旋轉(zhuǎn)軸線A的距離；L為斜盤球面中心至柱塞球頭中心C的距離。

4.2 運(yùn)動(dòng)特性

柱塞泵的轉(zhuǎn)速恒定及外部節(jié)流孔面積不變，而柱塞傾角在13°-15°范圍內(nèi)變化時(shí)，柱塞傾角對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)特性的影響如圖6和圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，柱塞傾角增大，柱塞位移和速度也相應(yīng)升高，位移和速度均符合柱塞泵正弦運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。

4.3 流量特性

設(shè)定斜盤傾角為13.5°，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4330r／min，泵在不同柱塞傾角時(shí)的出口流量曲線如圖8，由上至下依次為柱塞傾角為15°、14°、13°時(shí)的出口流量曲線。固定斜盤傾角為13.5°，柱塞傾角為15°，泵在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的流量曲線如圖9。

圖6 柱塞位移曲線

圖7 柱塞速度曲線

圖8 柱塞傾角對(duì)流量的影響

圖9 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)流量的影響

由圖8可看出，柱塞傾角在13°、14°、15°下泵的最大供油量分別為257L／min、276L／min、295L／min，柱塞泵柱塞傾角增大，流量相應(yīng)增大。在柱塞傾角小于20°時(shí)，其流量脈動(dòng)增大不明顯，幾乎可以忽略。由圖9可見，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，柱塞泵流量相應(yīng)增大，其流量脈動(dòng)情況明顯高于柱塞傾角的影響。由此可推論，柱塞傾角對(duì)提高柱塞泵性能起到了積極作用。在柱塞泵特定的大流量設(shè)計(jì)目標(biāo)下［7］，通過增大柱塞傾角能有效降低對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的高要求，一定程度上改善流量脈動(dòng)情況。另一方面，柱塞傾斜能安裝在錐形缸體中，也有利于減少柱塞泵整體質(zhì)量和體積。但柱塞傾角也不宜設(shè)置過大，不然會(huì)使柱塞與斜盤面的接觸角過小，使兩者接觸應(yīng)力增大，加速接觸部分材料的損耗速度。

4.4 壓力特性

柱塞泵的流量脈動(dòng)會(huì)引起壓力脈動(dòng)，是其噪聲來源之一，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在與4.3節(jié)相同的工況下，柱塞傾角對(duì)泵后壓力的影響如圖10所示。柱塞傾角在13°、14°、15°下泵后壓力分別為79bar、91bar、103bar，柱塞傾角增大，流量增大，與實(shí)際柱塞泵的工作原理相符。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)泵后壓力的影響如圖11所示。由仿真曲線可以看出，由于轉(zhuǎn)速增大，流量增大，節(jié)流嘴直徑和出口壓力不變的情況下，泵后壓力也增大，其壓力脈動(dòng)增加幅度比柱塞傾角影響要大。

圖10 柱塞傾角對(duì)泵后壓力的影響

圖11 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)泵后壓力的影響

5 結(jié)束語

對(duì)柱塞傾斜安裝的某型航空燃油柱塞泵進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，采用AMESim工程軟件建立了其系統(tǒng)原型，最后實(shí)驗(yàn)了柱塞傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)柱塞泵運(yùn)動(dòng)特性、流量特性和壓力特性的影響。仿真可得如下結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)論證了采用坐標(biāo)互換法建立的柱塞運(yùn)動(dòng)方程的正確性及有效性。 （2）相同工況下，柱塞傾角能增大柱塞行程，提高柱塞泵流量。

（3）增大柱塞傾角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都會(huì)引起泵后壓力的增加，壓力脈動(dòng)也隨之增大。

（4）增大柱塞傾角引起的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)變化小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高所引起的變化，因此在柱塞泵大流量設(shè)計(jì)目標(biāo)下，一定程度的增大柱塞傾角，能有效抑制流量脈動(dòng)，提高柱塞泵的性能。

以上仿真結(jié)果為航空燃油柱塞泵進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

［1］樊思齊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制（上冊(cè)）［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［2］陳永琴.航空燃油柱塞泵運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性分析研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［3］蒲志理.航空油泵設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1983.

［4］Zhiru Shi，Gordon Parker，Jonathan Granstrom.Kinematic Analysis of a Swash-Plate Controlled Variable Displacement Axial-Piston Pump With a Conical Barrel Assembly［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control.2010，132：1-8.

［5］符江鋒.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油柱塞泵計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（3）：153-157.

［6］劉明明，石宏，黃笑飛，等.柱塞傾角對(duì)航空柱塞泵性能的影響分析［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（5）：18-22.

［7］劉鋒.柱塞式燃油泵多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

Characteristics Simulation of Aero-engine Fuel Piston Pump Based on AMESim

SHE Zeng-ling，LIHua-cong，F(xiàn)U Jiang-feng
（School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

The kinematics analysis is carried out on an aero-engine fuel piston pump with inclined pistons assembly.First，a piston kinematic equation is established based on coordinate transformation.And then，the piston pump model is established by AMESim.Finally，the effect of the different piston inclination angle or rotor speed performed on the characteristics of kinematic，flow and pressure of the pump are analyzed.The results show that the effect of the piston angle performed on the flow range is less than the rotor speed under the same operating condition，but，the pump with inclined piston has greater piston stroke and fuel delivery and reduces the flow ripple scale reasonably.

Aero-engine fuel piston；Inclined piston；Flow ripple；Pumping pressure；AMESim modeling

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.026

V228.1；TP391.9

：A

：1002-2279（2014）04-0083-04

佘增玲（1989-），女，湖南衡陽人，碩士研究生，主研方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制。

2013-12-05