基于SimulationX變量柱塞泵的工程建模與仿真

堵利賓

摘 要：論述如何利用ITI公司的Simulation X軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，回避對(duì)變量柱塞泵詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的需求，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)液壓變量柱塞泵進(jìn)行工程建模，并根據(jù)液壓變量泵的實(shí)際狀態(tài)設(shè)置模型的主要參數(shù)，通過(guò)結(jié)合仿真曲線(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比，并對(duì)仿真模型進(jìn)行了修正，最后對(duì)液壓變量泵模型進(jìn)行封裝。作為液壓變量柱塞泵的非研發(fā)制造者，不需要對(duì)液壓柱塞泵的結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)詳細(xì)了解，也同樣能夠?qū)崿F(xiàn)建模，并應(yīng)用到系統(tǒng)仿真中，該建模技術(shù)路線(xiàn)清晰，建模操作簡(jiǎn)單，建模效率高，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，誤差小，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)建模與仿真的使用要求。

關(guān)鍵詞：SimulationX；變量柱塞泵；工程建模；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.31.088

1 引言

基于工程機(jī)械高壓化、節(jié)能環(huán)保發(fā)展要求，各類(lèi)工程機(jī)械開(kāi)始轉(zhuǎn)型液壓變量系統(tǒng)，以解決定量系統(tǒng)能耗高、效率低的缺陷。液壓變量柱塞泵作為液壓變量系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其性能好壞直接影響各種工程機(jī)械設(shè)備的作業(yè)性能。傳統(tǒng)工程機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)常大量采用經(jīng)驗(yàn)公式和靜態(tài)設(shè)計(jì)，而且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的微分方程和差分方程不能夠很好地解決真實(shí)系統(tǒng)在復(fù)雜工況環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)行特性，以至于設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng)在遇到實(shí)際工作中的復(fù)雜工況時(shí)無(wú)法有效應(yīng)對(duì)，往往無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的工作能力。因此，大規(guī)模采用專(zhuān)業(yè)化的仿真軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真分析是近年來(lái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向。

本文將以某全液壓履帶起重機(jī)的液壓變量泵為例，應(yīng)用 ITI公司的SimulationX 軟件仿真平臺(tái)對(duì)液壓變量柱塞泵進(jìn)行建模及仿真，從而為系統(tǒng)建模與仿真提供基礎(chǔ)組件。

ITI-SimulationX是德國(guó)ITI公司自1993年開(kāi)始推出的一種新型的工程高級(jí)建模和多學(xué)科仿真軟件，支持最新的多物理領(lǐng)域仿真語(yǔ)言Modelica以及交互式圖形界面（GUI），它包含的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)有1D力學(xué)、3D多體系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液力學(xué)（包括管道模型和液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)）、氣動(dòng)力學(xué)（包括管道模型和氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫(kù)）、熱力學(xué)、熱液電子學(xué)、電驅(qū)動(dòng)、磁學(xué)和控制等，在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程的建模和仿真。

同時(shí)，SimulationX還具有多種仿真運(yùn)算功能：時(shí)間域上的瞬態(tài)仿真、頻域上的穩(wěn)態(tài)仿真、平衡計(jì)算、固有頻率和模態(tài)分析、可靠性分析、變量分析等。因此本文采用該軟件作為仿真平臺(tái)。

2 建模方法

液壓柱塞變量泵主要有傳動(dòng)軸、殼體、缸體、柱塞、變量機(jī)構(gòu)、配流盤(pán)等組成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示為恒功率變量柱塞泵結(jié)構(gòu)原理圖，該變量柱塞泵為雙泵，即由兩個(gè)柱塞泵（包括缸體、柱塞、配流盤(pán)等）布置在一個(gè)殼體內(nèi)，通過(guò)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)柱塞泵同步，每個(gè)泵都有自己的變量機(jī)構(gòu)，且具備功率控制，與負(fù)載無(wú)關(guān)，即雙泵能夠?qū)崿F(xiàn)分功率控制。由于柱塞組件與傳動(dòng)軸之間有一定的傾斜角，當(dāng)柱塞泵的傳動(dòng)軸按一定方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則向上方旋轉(zhuǎn)的柱塞不斷向外伸出，柱塞底部的容積也在不斷增大，從而出現(xiàn)負(fù)壓，液壓油在大氣壓的作用下，從變量柱塞泵的吸油口經(jīng)過(guò)配流盤(pán)的吸油槽進(jìn)入柱塞底部腔體，完成柱塞泵的吸油過(guò)程。同時(shí)，向下方旋轉(zhuǎn)的柱塞不斷向內(nèi)縮進(jìn)，柱塞底部的容積在不斷減小，液壓油在柱塞壓力作用下經(jīng)過(guò)配流盤(pán)出油槽排到變量柱塞泵的出口，完成壓油過(guò)程。

當(dāng)變量柱塞泵出口壓力為零時(shí)，變量泵工作在最大排量，隨著變量泵出口壓力的增加，變量泵出口壓力油作用在活門(mén)組件上的力也隨之增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)功率彈簧平衡力時(shí)，活門(mén)組件滑動(dòng)，控制油進(jìn)入流量活塞大腔，推動(dòng)流量活塞向上運(yùn)動(dòng)，以至于變量柱塞泵的排量減小，直至到達(dá)平衡，從而實(shí)現(xiàn)功率恒定。

從該泵的結(jié)構(gòu)原理可以了解到，該泵的零部件超過(guò)百件，而且每個(gè)零部件單元的結(jié)構(gòu)形式和尺寸多樣，給建模帶來(lái)相當(dāng)大的困難。如果按照變量柱塞泵的實(shí)際機(jī)構(gòu)詳細(xì)建模，其建模、參數(shù)標(biāo)定等環(huán)節(jié)的工作量非常大，可能需要幾周的時(shí)間，尤其是作為元件的使用方而非研制方，要獲取這些詳細(xì)參數(shù)也并非易事，而本文將采用功能工程建模的方式，對(duì)恒功率變量柱塞泵進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。本次建模對(duì)象為液壓變量柱塞雙泵，其為分功率恒定負(fù)流量控制，其原理如圖2所示，該方法不需要了解元件的詳細(xì)構(gòu)造和尺寸，僅通過(guò)元件的主要功能模塊和基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行建模。

3 建模原理

根據(jù)SimulationX的液壓庫(kù)、信號(hào)庫(kù)和機(jī)械庫(kù)中提供的液壓變量泵、壓力傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等基礎(chǔ)模型搭建變量柱塞泵模型，如圖3所示。該泵為分功率控制，并且每個(gè)單泵為恒功率控制；通過(guò)公式（1）與（2）計(jì)算出泵的排量以實(shí)現(xiàn)恒功率負(fù)流量控制。

通過(guò)Type designer將其封裝，便于搭建系統(tǒng)模型時(shí)使用，完成如圖4所示的封裝模型圖元和名稱(chēng)。

選取并定義模型圖元的內(nèi)部端口參量和外部連接接口名稱(chēng)與備注說(shuō)明，然后定義模型圖元的變量或參量，完成如圖5所示的預(yù)設(shè)值，以及根據(jù)需要完成的模型控制邏輯運(yùn)算等，最后完成封裝。

上述搭建的變量柱塞泵模型需要進(jìn)行一些基本參數(shù)設(shè)置，如圖6所示。主要考慮了容積效率、機(jī)械效率、額定輸入功率等參數(shù)。這些參數(shù)基本上都是柱塞泵的基本功能性能參數(shù)，很容易獲取。

4 模型驗(yàn)證

通過(guò)搭建基本的系統(tǒng)回路對(duì)變量柱塞泵模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證回路模型如圖7所示。根據(jù)泵的實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)試數(shù)據(jù)（如表1所示）對(duì)變量柱塞泵模型進(jìn)行驗(yàn)證。為了測(cè)試變量泵的流量—壓力特性，通過(guò)節(jié)流加載的方式進(jìn)行試驗(yàn)，首先將節(jié)流閥的開(kāi)度達(dá)到最大（此時(shí)泵的排油壓力為 最大排量），隨后逐漸減小節(jié)流開(kāi)度，增加變量泵的負(fù)載，變量柱塞泵的壓力隨之上升，流量逐漸減小，節(jié)流閥完全關(guān)閉后，泵的排油壓力達(dá)到最小，其中，泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為2000rpm，輸入功率170kW，安全閥設(shè)定32MPa，通過(guò)觀察壓力-流量特性曲線(xiàn)來(lái)驗(yàn)證模型的正確性和準(zhǔn)確性。

同樣的方式，經(jīng)過(guò)仿真分析與上實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主泵的壓力-流量特性曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8中，實(shí)線(xiàn)曲線(xiàn)表示液壓柱塞泵的實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，點(diǎn)劃線(xiàn)曲線(xiàn)表示模型仿真結(jié)果?？梢钥闯?，柱塞泵實(shí)際為非標(biāo)準(zhǔn)恒功率控制，而模型輸出為標(biāo)準(zhǔn)的恒功率控制，二者有些差別，但是其誤差均在3%以?xún)?nèi)（如表2所示）。

5 結(jié)論

利用ITI公司的SimulationX軟件的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)恒功率變量柱塞泵進(jìn)行工程建模、封裝與仿真，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)變量泵模型進(jìn)行校正，能夠快速完成變量泵的仿真模型，從而為系統(tǒng)建模做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。該模型同標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模型一樣，能夠方便查看各端口的壓力、流量等狀態(tài)變量。結(jié)果表明： 基于ITI-SimulationX的液壓柱塞變量泵的工程建模與仿真能夠模擬恒功率變量柱塞泵的實(shí)際特性，滿(mǎn)足系統(tǒng)建模與仿真的需求，相對(duì)于變量柱塞泵的詳細(xì)建模與仿真，此方法建模與仿真的工作量能夠降低百分九十以上。

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