基于AMESIM的斜盤(pán)式軸向柱塞泵壓力脈動(dòng)參數(shù)研究

李碩勛，趙鐵栓，鄭 威，黨兵兵

(長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 前言

液壓系統(tǒng)作為工程機(jī)械中的重要組成部分，在機(jī)械領(lǐng)域占有重大存在意義。斜盤(pán)式軸向柱塞泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，工作壓力高，高壓下仍能保持較高的容積效率和總效率，容易實(shí)現(xiàn)變量的優(yōu)點(diǎn)[1]。但是其對(duì)油液污染源較敏感，對(duì)材質(zhì)和加工工藝要求較高，又由于柱塞在缸體柱塞孔中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，以閉塞容腔的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸、排油的過(guò)程[1]，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、斜盤(pán)傾角、泵出口處容積和負(fù)荷等因素對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵影響，造成壓力流量脈動(dòng)、液壓沖擊、磨損問(wèn)題。因此，建模分析各因素影響泵的規(guī)律具有重要意義。

AMESim提供的液壓仿真環(huán)境，可以模擬控制對(duì)象建立真實(shí)建模環(huán)境。其中HCD庫(kù)功能強(qiáng)大，可以自主設(shè)計(jì)液壓元件[2]。針對(duì)研究對(duì)象及其特定環(huán)境建立不同功能的控制模型，該軟件考慮液壓元件非線性特性，給柱塞泵的建模、仿真、動(dòng)態(tài)分析提供方便。目前，對(duì)于斜盤(pán)式柱塞泵各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了大量的研究以優(yōu)化泵的性能。文獻(xiàn)[3]分析了柱塞數(shù)及奇偶數(shù)對(duì)流量脈動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[4]研究了不同材質(zhì)管道對(duì)壓力脈動(dòng)影響。本文主要使用仿真模型研究各個(gè)參數(shù)與壓力特性關(guān)系。

1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理

斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理如圖1所示。缸體周?chē)鶆蚍植计鏀?shù)個(gè)柱塞孔，通過(guò)柱塞與斜盤(pán)連接，斜盤(pán)保持一定傾角，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柱塞在柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸體轉(zhuǎn)動(dòng)在0°～180°時(shí)，柱塞逐漸從柱塞孔伸出，在柱塞孔中形成負(fù)壓力，此時(shí)為吸油過(guò)程；180°～360°時(shí)為排油過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程均通過(guò)配流盤(pán)上通油孔完成吸排油。

圖1 斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理

2 仿真模型的建立

2.1 柱塞的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

斜盤(pán)式軸向柱塞泵柱塞的運(yùn)動(dòng)主要有兩種：一是缸體繞主軸的旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)；二是柱塞在缸體柱塞孔中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

設(shè)定斜盤(pán)傾角為γ，缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角為β，斜盤(pán)分度圓半徑為R，以柱頭為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的原始坐標(biāo)系X0Y0Z0繞主軸方向(即X0軸)經(jīng)過(guò)缸體旋轉(zhuǎn)β建立新的坐標(biāo)系X1Y1Z1，再繞Z1軸經(jīng)過(guò)斜盤(pán)傾角γ建立新的坐標(biāo)系X2Y2Z2,根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式[5]：

經(jīng)過(guò)變換后的柱頭位置坐標(biāo)

柱塞處的運(yùn)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以只考慮X2方向位移。

2.2 單個(gè)柱塞模型的建立

根據(jù)柱塞泵工作原理，傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)缸體，在斜盤(pán)的作用下，使得柱塞在柱塞孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。油液經(jīng)過(guò)配流盤(pán)的兩個(gè)腰型孔分別進(jìn)入和流出的，兩個(gè)腰型孔分別是高壓油和低壓油。當(dāng)斜盤(pán)傾角變化時(shí)，泵的排量也發(fā)生變化。如圖2所示為采用AMESim建立柱塞泵單個(gè)柱塞模型。在建立柱塞模型時(shí)，考慮腰形孔吸油和排油時(shí)進(jìn)入?yún)^(qū)段的三角槽過(guò)渡區(qū)域，而三角槽的過(guò)流面積與三角槽在配流盤(pán)表面的分度圓半徑、開(kāi)口位置對(duì)應(yīng)的中心角以及三角槽溝底棱線與配流盤(pán)工作表面的夾角有關(guān)[3]，為了簡(jiǎn)化該截面過(guò)流面積的變化規(guī)律，在AMESim引入樣條曲線表達(dá)其功能，如圖3所示。而且一個(gè)柱塞的吸油和排油的兩個(gè)過(guò)程是相互獨(dú)立的，且相隔180°，即考慮柱塞泵的配流過(guò)程。

圖2 單個(gè)柱塞模型

圖3 配流盤(pán)的輸入樣條曲線

3 斜盤(pán)式柱塞泵仿真整體模型的搭建

如圖4所示，建立研究各個(gè)柱塞對(duì)整體泵排量、流量、壓力影響的斜盤(pán)式軸向柱塞泵模型。將單個(gè)柱塞模型做成超級(jí)元件，簡(jiǎn)化整體模型的復(fù)雜程度。仿真分析的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 斜盤(pán)式軸向柱塞泵整體模型

表1 仿真分析的主要參數(shù)

輸入信號(hào)0～1 s,輸出信號(hào)0.1；1.0～1.2 s，輸出信號(hào)從0.1～0.02；1.2～2 s，輸出信號(hào)0.02。

4 特性仿真曲線分析

利用所建立的泵模型研究該柱塞泵的各種參數(shù)對(duì)泵的流量、壓力的影響情況，并判斷其特性。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵的影響

初步設(shè)定斜盤(pán)傾角為7.5°時(shí)，分別設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min、1 000 r/min、1 300 r/min、1 600 r/min、1 900 r/min的工況下，泵的出油口的壓力變化。如圖5顯示，對(duì)上述情況的模型進(jìn)行批處理仿真，泵的出油口壓力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，而且壓力脈動(dòng)也越來(lái)越大。泵的出油口壓力在各種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下都能很快達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，壓力以及流量的穩(wěn)定狀態(tài)越差，并且振蕩次數(shù)增多，柱塞的磨損加重[6]。由圖5可以看出，該泵在1 300 r/min、1 600 r/min時(shí)壓力脈動(dòng)相對(duì)較小，穩(wěn)定狀態(tài)較好，本文之后的研究過(guò)程中取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300 r/min。

圖5 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的泵出油口壓力

4.2 斜盤(pán)傾角對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，改變斜盤(pán)傾角，斜盤(pán)式柱塞泵的出口壓力及流量與斜盤(pán)傾角的關(guān)系如圖6a表示。斜盤(pán)傾角越大，泵的出油口壓力越大，并且壓力脈動(dòng)越大，穩(wěn)定狀態(tài)越差。所以在設(shè)計(jì)斜盤(pán)式柱塞泵斜盤(pán)傾角不宜過(guò)大，其產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)以及沖擊將影響柱塞泵的各部件的使用壽命，加快各部件磨損；如圖6b所示，斜盤(pán)傾角越大，出油口的流量也越大，并且流量脈動(dòng)也越大，穩(wěn)定性也越差，而且流量脈動(dòng)特別明顯，對(duì)泵的壽命將會(huì)產(chǎn)生直接的影響。所以選擇泵的斜盤(pán)傾角不宜過(guò)大，本例中7.5°～10°本范圍內(nèi)的泵出口壓力以及流量最佳。

圖6 不同斜盤(pán)傾角下泵出口壓力和流量曲線

4.3 泵的出口處容積對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵的影響

泵出口處的容積越大，液壓油的壓縮性能越好，可以有效的緩沖壓力脈動(dòng)，進(jìn)而減少由于壓力脈動(dòng)所引起的噪聲以及磨損問(wèn)題。如圖7仿真結(jié)果所示，分別為出口容積為1 cm3、10 cm3、30 cm3的出口壓力曲線。

當(dāng)泵出口處的容積增大時(shí)，響應(yīng)速度變慢，泵出口處超調(diào)量減小，壓力脈動(dòng)減小，且振蕩的次數(shù)也減少。

圖7 泵出口容積不同時(shí)的輸出壓力曲線

4.4 液壓回路負(fù)載對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵的影響(圖8)

圖8 不同斜盤(pán)傾角系統(tǒng)負(fù)載變化對(duì)出油口壓力影響曲線

在仿真中研究負(fù)載對(duì)泵的壓力影響，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流孔的直徑來(lái)增加負(fù)載，近而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力。如圖8所示，在1 s處系統(tǒng)壓力增大，對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)也變大，產(chǎn)生噪聲以及震動(dòng)也越大，振蕩也越大。脈動(dòng)將會(huì)引起斜盤(pán)等各部件的振動(dòng)引起噪聲。所以工作中必須適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)的壓力，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、斜盤(pán)傾角、泵出口處容積以及負(fù)荷對(duì)斜盤(pán)式柱塞泵的影響分析后，可得到以下結(jié)論：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高以及斜盤(pán)傾角增大，可增大泵平均出口壓力，但是，出口壓力不穩(wěn)定，壓力脈動(dòng)明顯。

(2)泵出口處的容積會(huì)對(duì)泵系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生重大影響，出口容積越大，壓力脈動(dòng)越小，對(duì)泵的出口容積設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

(3)系統(tǒng)負(fù)載的增加會(huì)增大泵的出口壓力以及壓力脈動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮二者的影響。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)以及調(diào)整參數(shù)，建立了柱塞泵的系統(tǒng)仿真模型。分析了各種影響斜盤(pán)式柱塞泵壓力以及流量的因素，給泵的設(shè)計(jì)研發(fā)以及故障診斷提供了條件，縮短實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和進(jìn)行試驗(yàn)的周期。