基于AMESim的負載敏感泵壓力-流量特性影響因素探究

屈盛官， 肖傳偉， 方 波， 李小強

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 廣東廣州 510640)

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,液壓技術(shù)越來越成熟,各類液壓元器件也越來越多地被應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中[1-2]。作為液壓系統(tǒng)動力源的負載敏感泵不僅具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[3-4]，而且能自動控制系統(tǒng)流量與壓力，有效地降低溢流和節(jié)流損失[5]，因而在工程機械中應(yīng)用廣泛。在負載敏感泵工作過程中，壓力、流量是負載敏感泵的兩大重要指標，隨著壓力的變化，其流量相應(yīng)地作出改變，壓力-流量特性描述了該工作性能。壓力-流量特性作為負載敏感泵的重要特性之一[6]，其變化直接影響著負載敏感泵的整體性能。

國內(nèi)外專家對負載敏感泵的工作特性做了大量的研究工作。KASSEM等[7]通過建立流量特性方程，分析了系統(tǒng)參數(shù)對流量、壓力特性的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果確定系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)解；BERGADA J M和DAVIES D L等[8-9]對負載敏感泵的流量特性進行進一步理論分析，推導(dǎo)其計算公式，同時，他們還對油膜壓力、流體流動、力和力矩作了研究，得到不同工況下的壓力特性與流量特性；馬吉恩[10]建立了泵流動特性的分布參數(shù)式數(shù)學(xué)模型，通過Fluent仿真得到壓力脈動預(yù)測結(jié)果，然后根據(jù)泵的動態(tài)輸出特性對斜盤的橫向傾角進行了優(yōu)化；尹杰等[4]利用AMESim建立負載敏感泵模型，對其工作特性進行仿真分析，對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，其特性與實際情況相符，并分析阻尼孔大小對動態(tài)穩(wěn)定性的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，負載敏感泵的流量特性以及壓力特性已被廣泛研究和試驗，但對負載敏感泵的壓力-流量特性曲線本身及其影響因素的仿真試驗研究較少，本研究通過對某型負載敏感泵工作原理進行分析，建立其數(shù)學(xué)模型和AMESim仿真模型，仿真分析得到壓力-流量特性曲線，并進一步研究壓力-流量特性曲線的影響因素，為負載敏感泵的進一步廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 負載敏感泵工作原理

負載敏感泵是通過改變斜盤傾角來改變泵系統(tǒng)的輸出流量，及時響應(yīng)負載系統(tǒng)，達到節(jié)能目的。用來改變斜盤傾角的控制結(jié)構(gòu)就是負載敏感泵的變量機構(gòu)。負載敏感泵的工作原理圖如圖1所示，其變量機構(gòu)包括壓力切斷閥、負載敏感閥、控制活塞缸以及返向活塞

1.壓力切斷閥 2.負載敏感閥 3.控制活塞缸 4.返向活塞缸 5.可變節(jié)流閥圖1 負載敏感泵工作原理圖

缸[11]，其中，壓力切斷閥用于限制泵的最大工作壓力，負載敏感閥起到控制泵排量的作用，由圖可知，壓力切斷閥與負載敏感閥左端均設(shè)置有可調(diào)彈簧，分別稱之為壓力切斷閥可調(diào)彈簧與負載敏感閥可調(diào)彈簧。控制活塞缸和返向活塞缸共同作用于斜盤兩端，使斜盤傾角發(fā)生變化，從而控制泵排量，其中控制活塞缸用于使斜盤傾角增大，返向活塞缸用于使斜盤傾角減小。

首先分析壓力切斷閥的作用，從圖中可看出該壓力切斷閥左右兩端分別作用有壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力與泵出口壓力，壓力切斷閥的工作位置由左右兩端壓差值所決定，在壓力切斷閥的作用下，該負載敏感泵通常有兩種工作狀態(tài)，即變排量狀態(tài)和壓力切斷狀態(tài)。

當泵出口壓力小于壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力時，壓力切斷閥左位工作，此時負載敏感泵處于正常工作狀態(tài)，可輸出流量，其具體排量由負載敏感閥決定，稱為變排量狀態(tài)。當泵出口壓力大于壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力時，壓力切斷閥右位工作，泵出口壓力同時作用于控制活塞缸與返向活塞缸，由于返向活塞的作用面積大于控制活塞的作用面積，作用于返向活塞上的力大于控制活塞上的力，斜盤開始轉(zhuǎn)動，傾角減小，泵排量隨之減小，直至排量減至最小，僅產(chǎn)生供系統(tǒng)內(nèi)部泄漏的流量，稱為壓力切斷狀態(tài)。處于壓力切斷狀態(tài)時，理論上泵出口壓力稍大于壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力時，泵即可在最小排量下工作。實際上，泵出口壓力克服彈簧力從關(guān)閉到完全開啟存在一個壓力差，即在壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力附近，壓力切斷狀態(tài)起始點與泵排量最小時的壓力值之間存在壓力差。

接著分析負載敏感閥的作用，從圖中可以看出該負載敏感閥左端受負載壓力作用及負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力作用，右端受泵出口壓力作用，在負載敏感閥的作用下，該負載敏感泵也有兩種工作狀態(tài)，即最大排量狀態(tài)與恒排量狀態(tài)。

假設(shè)泵出口壓力小于壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，壓力切斷閥左位工作，此時負載敏感泵可正常輸出流量。當泵出口壓力與負載壓力形成的壓力差小于負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，負載敏感閥左位工作，使返向活塞缸與油箱相連接，控制活塞在泵出口壓力的作用下將斜盤頂至傾角最大的位置，負載敏感泵處于最大排量狀態(tài)。當泵出口壓力與負載壓力形成的壓力差大于負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，負載敏感閥右位工作，油液經(jīng)負載敏感閥后進入返向活塞缸，斜盤開始轉(zhuǎn)動，傾角變小，負載敏感泵流量隨之減小，當流量減小至某一值，泵出口壓力與負載壓力形成的壓力差等于負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，則斜盤不再轉(zhuǎn)動，斜盤傾角固定于某一位置，泵出口流量不再改變。如兩端壓差再改變，泵出口流量將再次隨之改變，此為恒排量狀態(tài)，理論上處于這兩種狀態(tài)時，泵出口流量應(yīng)保持在某一恒定值，但隨著負載敏感泵出口壓力的升高，泵泄漏量逐漸增大，使得泵出口壓力增大時，其流量有一個減小的趨勢。

2 負載敏感泵數(shù)學(xué)模型

1) 負載敏感閥閥芯運動方程

(1)

式中，p—— 泵出口壓力

pL—— 控制油路壓力

AL1—— 負載敏感閥閥芯作用面積

KL—— 負載敏感閥彈簧剛度

x1—— 彈簧預(yù)壓縮量

xL—— 閥芯位移

mL—— 閥芯質(zhì)量

2) 負載敏感閥閥口流量方程

(2)

其中，Δp1在不同的工作階段有不同的取值，當負載敏感閥左位工作時，如式(3)所示，當負載敏感閥右位工作時，如式(4)所示。

Δp1=pF

(3)

Δp1=p-pF

(4)

式中，QL—— 負載敏感閥閥口流量

Cd—— 流量系數(shù)

AL2—— 閥口通流面積

Δp1—— 閥口壓差

ρ—— 油液密度

pF—— 返向活塞缸壓力

3) 壓力切斷閥閥芯運動方程

(5)

式中，p—— 泵出口壓力

AY1—— 壓力切斷閥閥芯作用面積

KY—— 壓力切斷閥彈簧剛度

x2—— 彈簧預(yù)壓縮量

xY—— 閥芯位移

mY—— 閥芯質(zhì)量

4) 壓力切斷閥閥口流量方程

(6)

其中， Δp2在不同的工作階段有不同的取值，當壓力切斷閥左位工作時，如式(7)所示，當壓力切斷閥右位工作時，如式(8)所示。

Δp2=pF

(7)

Δp2=p-pF

(8)

式中，QY—— 壓力切斷閥閥口流量

AY2—— 閥口通流面積

Δp2—— 閥口壓差

ρ—— 油液密度

5) 返向活塞缸流量方程

斜盤擺角增大時：

(9)

斜盤擺角減小時：

(10)

式中，QF—— 返向活塞缸流量

AF—— 返向活塞缸閥芯作用面積

xF—— 閥芯位移

V—— 返向活塞缸內(nèi)油液體積

K—— 油液體積模量

6) 斜盤受力平衡方程

斜盤擺角增大時：

(11)

斜盤擺角增大時：

(12)

式中，AK—— 控制活塞缸閥芯作用面積

rK—— 控制活塞缸到轉(zhuǎn)動中心的距離

xK—— 控制活塞缸閥芯位移

rF—— 返向活塞缸到轉(zhuǎn)動中心的距離

I—— 斜盤轉(zhuǎn)動慣量

7) 泄漏流量方程[12-13]

(13)

式中，QX—— 泄漏流量

d—— 活塞缸直徑

h0—— 閥芯與活塞缸同心時的配合間隙

Δp—— 閥芯兩端壓差

η—— 油液動力黏度

l—— 閥芯與活塞缸接觸長度

e—— 閥芯與活塞缸的偏心量

3 基于AMESim的負載敏感泵模型建立與仿真分析

AMESim提供的液壓仿真環(huán)境，可以模擬控制對象建立真實建模環(huán)境并具有較高精確度[14-15]。利用AMESim仿真平臺,建立負載敏感閥、壓力切斷閥、控制活塞缸、返向活塞缸的AMESim仿真模型，將其按負載敏感泵結(jié)構(gòu)連接起來，形成負載敏感泵仿真模型，如圖2所示。利用比例溢流閥A、插裝閥C以及階段性信號控制泵出口壓力，利用比例溢流閥B以及階段性信號控制油路壓力。

圖2 負載敏感泵仿真模型

在仿真模型參數(shù)設(shè)置階段，設(shè)置壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力為34 MPa，負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力為2 MPa，負載敏感泵具體仿真模型參數(shù)如表1所示。

對所建立的負載敏感泵仿真模型進行動態(tài)仿真，得到壓力隨流量變化的動態(tài)曲線，如圖3所示。

圖3 負載敏感泵的壓力-流量特性曲線

元件仿真參數(shù)數(shù)值電動機電動機轉(zhuǎn)速/r·min-12550變量泵變量泵排量/mL·r-174負載敏感閥彈簧剛度/N·mm-1153彈簧預(yù)緊力/N20.4活塞直徑/mm7桿直徑/mm6壓力切斷閥彈簧剛度/N·mm-1168彈簧預(yù)緊力/N260.4活塞直徑/mm10桿直徑/mm9.5控制活塞缸彈簧剛度/N·mm-16.2活塞直徑/mm16.5返向活塞缸彈簧剛度/N·mm-11.8活塞直徑/mm28比例溢流閥A溢流壓力/MPa0～34比例溢流閥B溢流壓力/MPa大于34插裝閥C彈簧剛度/N·mm-17

在圖3中，根據(jù)所標出來ABC三點，分析負載敏感泵的壓力-流量特性。在一定的轉(zhuǎn)速下，當泵出口壓力為空載，輸出流量最大，為A點。隨著壓力的升高，輸出流量逐漸減小，但幅度變化較小，此時，負載敏感泵的輸出壓力還未達到壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，斜盤傾角最大，泵排量最大，當壓力升高至34 MPa時，為B點。負載敏感泵的輸出壓力等于壓力切斷閥的可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，此時達到臨界點，隨著壓力再次升高，曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，泵的輸出壓力大于壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力，壓力切斷閥右位工作，油液經(jīng)泵出口，流經(jīng)壓力切斷閥和負載敏感閥后，流入返向活塞缸中，推動斜盤傾角減小，泵排量迅速減小，隨著壓力繼續(xù)升高，泵工作在最小排量狀態(tài)，為C點，此時負載敏感泵完全切斷，輸出流量為0。

可將負載敏感泵的壓力-流量特性曲線分為AB段與BC段。AB段表示當負載敏感泵的泵出口壓力小于所設(shè)置的壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力時泵的壓力-流量特性曲線；BC段表示當負載敏感泵的輸出壓力大于所設(shè)置的壓力切斷閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力時泵的壓力-流量特性曲線。

3.1 壓力切斷閥彈簧剛度對壓力-流量特性曲線的影響

保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，通過改變壓力切斷閥彈簧剛度的大小，探究其對系統(tǒng)壓力-流量特性曲線的影響，將其設(shè)置為50， 168， 300 N/mm，通過仿真，得到不同壓力切斷閥彈簧剛度下的壓力-流量特性曲線。如圖4所示。

圖4 不同壓力切斷閥彈簧剛度下的壓力-流量特性曲線

由圖4可以看出，壓力切斷閥彈簧剛度對壓力-流量特性曲線有一定的影響，在其他仿真參數(shù)不變的前提下，彈簧剛度越大，C點的位置越靠上，BC段斜率越大。即表示：彈簧剛度越大，負載敏感泵完全切斷時的壓力值越大，開始切斷至完全切斷的壓差值越大。一般來說，這個壓差值要求被限制在一定范圍內(nèi)，因此現(xiàn)實情況中不允許取太大的彈簧剛度。

3.2 壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力對壓力-流量特性曲線的影響

保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，通過改變壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力的大小，探究其對系統(tǒng)壓力-流量特性曲線的影響，將其設(shè)置為250， 200， 300 N，通過仿真，得到不同壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力下的壓力-流量特性曲線，如圖5所示。

圖5 不同壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力下的壓力-流量特性曲線

由圖5可以看出，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力不同，其壓力-流量特性曲線也不同，具體表現(xiàn)為：彈簧預(yù)緊力越大，B點的位置越往上移，BC段越往上移。即表示：彈簧預(yù)緊力越大，負載敏感泵開始切斷時的壓力值越大，壓力切斷閥開始右位工作的壓力值越大。在實際應(yīng)用中，應(yīng)選取合適的彈簧預(yù)緊力，使泵具有合適的開始切斷壓力值。

3.3 電動機轉(zhuǎn)速對壓力-流量特性曲線的影響

保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，通過改變電動機轉(zhuǎn)速的大小，探究其對系統(tǒng)壓力-流量特性曲線的影響，將其設(shè)置為1000 r/min，2000 r/min，2550 r/min，通過仿真，得到不同電動機轉(zhuǎn)速下的壓力-流量特性曲線，如圖6所示。

圖6 不同電動機轉(zhuǎn)速下的壓力-流量特性曲線

由圖6可以看出，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，電動機轉(zhuǎn)速不同，其壓力-流量特性曲線也不同，具體表現(xiàn)為：電動機轉(zhuǎn)速越大，A點位置越往右移，AB段越往右移。即表示：電動機轉(zhuǎn)速越大，負載敏感泵的最大輸出流量也越大。

3.4 泄漏量對壓力-流量特性曲線的影響

保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，通過改變控制活塞缸與返向活塞缸的閥芯泄漏間隙的大小，探究泄漏量對系統(tǒng)壓力-流量特性曲線的影響，將泄漏間隙設(shè)置為0.01， 0.1， 0.15 mm，泄漏間隙越大，即表示泄漏量越大，通過仿真，得到不同泄漏量下的壓力-流量特性曲線，如圖7所示。

由圖7可以看出，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，泄漏量不同，其壓力-流量特性曲線也不同，具體表現(xiàn)為：泄漏量越大，B點位置越往左移，AB段的斜率越大。即表示：在泵壓力小于開始切斷壓力時，隨著壓力的升高，控制活塞缸、返向活塞缸與閥芯之間泄漏間隙越大，泄漏量也越大。這無疑會影響負載敏感泵的工作狀態(tài)，因此需選擇合適的泄漏間隙。

圖7 不同泄漏量下的壓力-流量特性曲線

3.5 控制油路壓力對壓力流量曲線的影響

在本仿真系統(tǒng)中，比例溢流閥B的溢流壓力決定控制油路的壓力，即決定負載敏感閥左端油腔的壓力，保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，通過改變比例溢流閥B的溢流壓力，即改變控制油路的壓力，探究控制油路壓力對系統(tǒng)壓力-流量特性曲線的影響，將控制油路壓力設(shè)為12， 22， 32 MPa，通過仿真，得到不同控制油路壓力下的壓力-流量特性曲線，如圖8所示。

圖8 不同控制油路壓力下的壓力-流量特性曲線

由圖8可以看出，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，控制油路壓力不同，其壓力-流量特性曲線也不同。具體表現(xiàn)為：控制油路壓力越大，B點位置越往上移，BC段越往上移，負載敏感閥開始右位工作的壓力值越大。

負載敏感閥左端受控制油路壓力作用與彈簧力作用，右端受泵出口壓力作用，負載敏感閥可調(diào)彈簧設(shè)定壓力為2 MPa，當泵出口壓力作用力大于控制油路壓力作用力與可調(diào)彈簧設(shè)定壓力之和，負載敏感閥右位工作，油液經(jīng)泵出口流經(jīng)負載敏感閥后進入返向活塞缸，使泵排量減小，從而限制了泵出口壓力的升高，由圖可知，設(shè)置控制油路壓力為12 MPa時，隨著泵出口壓力由空載升高至14 MPa，負載敏感閥左位工作，泵排量最大，當泵出口壓力超過14 MPa，負載敏感閥開始右位工作，泵排量慢慢減小至最小狀態(tài)。由于泵出口壓力未到達切斷壓力，此過程中壓力切斷閥均屬于左位工作狀態(tài)，泵的壓力-流量特性曲線由負載敏感閥控制。

4 負載敏感泵試驗驗證分析

為了驗證負載敏感泵仿真模型的準確性，搭建了負載敏感泵試驗臺，負載敏感泵試驗臺原理圖如圖9所示，負載敏感泵試驗裝置如圖10所示。利用壓力傳感器和流量傳感器對負載敏感泵出口的壓力與流量以及控制油路的壓力與流量進行測量。

1.油箱 2.空氣濾清器 3.油液加熱器 4.液位繼電器 5.溫度計 6.油箱截止閥 7.截止閥 8.冷卻系統(tǒng)泵 9.冷卻系統(tǒng)電動機 10.冷卻器 11.冷卻系統(tǒng)過濾器 12.單向閥 13.高壓過濾器 14.插裝閥 15.泵出口壓力比例溢流閥 16.安全閥 17.低壓過濾器 18.泵出口流量計 19.泵出口壓力表 20、21.節(jié)流閥 22.控制油路壓力比例溢流閥 23.控制油路壓力表 24.電動機 25.扭矩轉(zhuǎn)速傳感器圖9 負載敏感泵試驗臺原理圖

圖10 負載敏感泵試驗裝置

啟動電動機并調(diào)節(jié)負載敏感泵轉(zhuǎn)速至2550 r/min，調(diào)節(jié)控制油路壓力比例溢流閥，使該比例溢流閥完全關(guān)閉，調(diào)節(jié)泵出口壓力比例溢流閥，進而控制插裝閥，使負載敏感泵的出口壓力由空載逐漸增大至切斷壓力34 MPa，在試驗過程中同時檢測負載敏感泵的出口壓力和輸出流量，繪制負載敏感泵的壓力-流量特性曲線，將試驗測試所得結(jié)果與模型仿真所得結(jié)果作比較，如圖11所示，結(jié)果顯示試驗測試結(jié)果與模型仿真結(jié)果吻合性良好，驗證了負載敏感泵仿真模型的準確性及其精度。

圖11 試驗測試與模型仿真壓力-流量特性曲線

啟動電動機并調(diào)節(jié)負載敏感泵轉(zhuǎn)速至2550 r/min，調(diào)節(jié)控制油路壓力比例溢流閥，使控制油路壓力分別為12， 22， 32 MPa，調(diào)節(jié)泵出口壓力比例溢流閥，進而控制插裝閥，使負載敏感泵的出口壓力由空載逐漸增大至最大壓力，在試驗過程中同時檢測負載敏感泵的出口壓力和輸出流量，繪制不同控制油路壓力下的負載敏感泵的壓力-流量特性曲線，將試驗測試所得結(jié)果與模型仿真所得結(jié)果作比較，如圖12所示，結(jié)果顯示試驗測試結(jié)果與模型仿真結(jié)果吻合性良好，驗證了負載敏感泵仿真模型的準確性及其精度。

圖12 試驗測試與模型仿真在不同控制口壓力下的壓力-流量特性曲線

5 結(jié)論

(1) 對負載敏感泵的原理進行了分析，并且建立了負載敏感泵的數(shù)學(xué)模型；

(2) 利用AMESim仿真平臺建立了負載敏感泵的仿真模型，進行仿真分析后得到泵的壓力-流量特性曲線，并將曲線象征性的分成AB段與BC段以及ABC三點；

(3) 進一步探究負載敏感泵壓力-流量特性曲線的影響因素。研究表明：壓力切斷閥彈簧剛度越大，C點的位置越靠上，BC段斜率越大，即表示彈簧剛度越大，負載敏感泵完全切斷時的壓力值越大；

壓力切斷閥彈簧預(yù)緊力越大，B點的位置越往上移，BC段越往上移，即表示彈簧預(yù)緊力越大，負載敏感泵開始切斷時的壓力值越大，壓力切斷閥開始右位工作的壓力值越大；電動機轉(zhuǎn)速越大，A點位置越往右移，AB段越往右移，即表示電動機轉(zhuǎn)速越大，負載敏感泵的最大輸出流量也越大；泄漏量越大，B點位置越往左移，AB段的斜率越大，即表示在泵壓力小于開始切斷壓力時，隨著壓力的升高，活塞缸與閥芯之間泄漏間隙越大，泄漏量也越大；控制油路壓力越大，B點位置越往上移，BC段越往上移，負載敏感閥開始右位工作的壓力值越大；

(4) 利用負載敏感泵試驗臺進行試驗，試驗結(jié)果驗證了模型的正確性和精度。