飛機手搖泵數(shù)學(xué)建模與運動仿真

張皓

摘 要：液壓動力元件起著向系統(tǒng)提供動力源的作用，是系統(tǒng)不可缺少的核心元液壓件。而手搖泵是一種由人力驅(qū)動的柱塞泵。在一些小型的飛機上，它通常只在主液壓泵損壞時作應(yīng)急用。此外，當(dāng)飛機在地面停放時，還可以利用手搖泵向系統(tǒng)供油。本設(shè)計對手搖泵的構(gòu)件進行數(shù)據(jù)測量和運動分析，通過運用proe軟件來對手搖泵進行數(shù)學(xué)建模，然后再進行裝配，最后對其進行運動仿真來模擬手搖泵的真實運行情況，從而達到更加了解和清楚手搖泵作用的目的。

關(guān)鍵詞：手搖泵 Pro/E軟件，數(shù)學(xué)建模，運動仿真，液壓系統(tǒng)

1 引言

手搖泵屬于柱塞泵的一種。而柱塞泵特性研究對于整個飛機液壓系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響，因此國內(nèi)外很多的研究機構(gòu)和液壓元件生產(chǎn)公司都對柱塞泵的特性投入了大量研究，進行了多方面的探索[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓傳動也越來越廣，而作為液壓傳動系統(tǒng)心臟的液壓泵就顯得更加重要了。在容積式液壓泵中，惟有柱塞泵是實現(xiàn)高壓﹑高速化﹑大流量的一種最理想的結(jié)構(gòu)，在相同功率情況下，徑向往塞泵的徑向尺寸大、徑向力也大，常用于大扭炬、低轉(zhuǎn)速工況，做為按壓馬達使用。而柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，另外柱塞泵易于變量，能用多種方式自動調(diào)節(jié)流量，流量大。由于上述特點，柱塞泵被廣泛使用于工程機械、起重運輸、冶金、船舶等多種領(lǐng)域。

柱塞式液壓泵是靠柱塞在柱塞腔內(nèi)的往復(fù)運動，改變柱塞腔容積實現(xiàn)吸油和排油的。是容積式液壓泵的一種。柱塞式液壓泵由于其主要零件柱塞和缸休均為圓柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作壓力高而得到廣泛的應(yīng)用。

2液壓系統(tǒng)

2.1液壓系統(tǒng)組成

目前對液壓系統(tǒng)的分類方法主要有兩種，一種是按組成系統(tǒng)的液壓元件的功能類型劃分，另一種是按組成整個系統(tǒng)的分系統(tǒng)功能劃分[2]。

1）按液壓系統(tǒng)的功能劃分

按液壓系統(tǒng)的功能劃分，液壓系統(tǒng)主要由四種元件組成。

① 動力元件，指液壓泵，其作用是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液壓能。

② 執(zhí)行元件，其作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能。

③ 控制調(diào)節(jié)元件，用以調(diào)節(jié)各部分液體的壓力、流量和方向，滿足液壓系統(tǒng)工作的要求。

④ 輔助元件，除上述各元件之外的其他元件都稱為輔助元件。

2）按組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)的功能劃分

從系統(tǒng)的功能來看，液壓系統(tǒng)應(yīng)分為兩大部分。

① 液壓源系統(tǒng)

液壓源包括泵、油箱、油濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及蓄壓器等，現(xiàn)代民航客機上一般有三個隔離且獨立的液壓源系統(tǒng)。

② 工作系統(tǒng)

它是利用液壓源系統(tǒng)提供的液壓能實現(xiàn)工作任務(wù)的系統(tǒng)。利用執(zhí)行元件和控制調(diào)節(jié)元件進行適當(dāng)?shù)慕M合，即可產(chǎn)生各種形式的運動或不同順序的運動。

2.2 液壓動力

液壓動力系統(tǒng)由主液壓系統(tǒng)、地面勤務(wù)系統(tǒng)、輔助液壓系統(tǒng)、液壓指示系統(tǒng)組成[3]。

1）主液壓系統(tǒng)：包括A系統(tǒng)和B系統(tǒng)。

2）地面勤務(wù)系統(tǒng)：地面勤務(wù)系統(tǒng)從一個中心點為所有的液壓油箱加油。

3）輔助液壓系統(tǒng)：包括備用液壓系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)換組件系統(tǒng)。

4）液壓指示系統(tǒng)：包括液壓油量系統(tǒng)、液壓壓力系統(tǒng)、液壓泵低壓警告系統(tǒng)、液壓油超溫警告系統(tǒng)。

2.3地面勤務(wù)系統(tǒng)

地面勤務(wù)系統(tǒng)是從一個中心位置為所有的液壓油箱加油，位置如上圖所示。地面勤務(wù)系統(tǒng)部件主要包括油箱加油選擇活門、油箱加油過濾器組件、油箱人工加油泵、壓力加油接頭。

油箱加油選擇活門：是人工操縱的三位選擇活門。

油箱人工加油泵：是一個柱塞式泵。該泵在柱塞頂部有一個由彈簧加載的單向活門，另一個單向活門在吸油口上。油泵由一個人工操縱手柄。

用油箱加油選擇活門輸送來自人工加油泵的液壓油時，應(yīng)注意A口將油液輸送至系統(tǒng)A油箱；B口將油液輸送至系統(tǒng)B和備用系統(tǒng)油箱。

在人工加油操作中使用人工加油泵的吸油軟管。軟管一端在人工加油泵上，軟管另一端放入液壓油桶上。不適用時，在吸油軟管端加保護蓋。

3 手搖泵運動仿真

3.1Pro/E機構(gòu)仿真

Pro/E提供了一組功能強大的工具用來模擬測試產(chǎn)品或設(shè)備的機械性能。通過模擬模型的實際工作情況，CAE可在制造產(chǎn)品的物理樣機前，以計算機仿真的形式檢驗產(chǎn)品的位置、運動、受力、受熱等是否符合實際要求，以減少產(chǎn)品返工的次數(shù)，節(jié)約開發(fā)成本，加快產(chǎn)品設(shè)計進度[4]。

機構(gòu)仿真是Pro/E的一個應(yīng)用模塊，其功能是對組件產(chǎn)品進行機構(gòu)運動分析及仿真，以確保組件在進行機構(gòu)運動時沒有零件干涉的現(xiàn)象，并確認(rèn)零件的運動達到預(yù)期的效果。

3.2運動仿真

手搖泵的工作原理是當(dāng)柱塞向右運動，工作腔容積增大，壓力減小，下閥瓣打開，把油吸入，此時上閥瓣關(guān)閉；當(dāng)柱塞向左運動，工作腔容積減小，壓力增大，上閥瓣打開，把油擠出，此時下閥瓣關(guān)閉。

為了達到更加真實的模擬出手搖泵的運動狀況，需要多各個元件的運動起始時間和終止時間進行分析。

①對柱塞桿的運動時間進行分析。

在機構(gòu)模塊下，找到左下角機構(gòu)樹的“電動機”選項，右鍵選擇ServoMotor1的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到柱塞桿的時間-速度圖，可以看出柱塞桿是在0-7.6s過程是向左移動，在7.6-14.8s過程是從左往右移動，再然后向右移動到終止時間。

②對上閥瓣運動時間的分析

在機構(gòu)模塊下，找到左下角機構(gòu)樹的“電動機”選項，右鍵選擇上閥瓣的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到上閥瓣的位置-時間圖，可以看出上閥瓣在0-3s上升到6mm的位置，然后在3-7s位置保持不變，7-8s回到初始位置，之后到終止時間一直保持位置不變。

③對下閥瓣運動時間的分析

在機構(gòu)模塊下，找到左下角機構(gòu)樹的“電動機”選項，右鍵選擇下閥瓣的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到上閥瓣的位置-時間圖，可以看出上閥瓣在0-3s上升到6mm的位置，然后在3-8s位置保持不變，8-9s回到初始位置。

4 結(jié)論

在本次運動仿真中，通過Pro/E的組件模塊、機構(gòu)模塊和動畫模塊，得到簡化后手搖泵的運動仿真動畫，通過對比仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果，驗證了本次仿真的有效性，同時也可以很直觀的柱塞泵吸油、供油的過程。