基于AMEsim對柱塞泵的仿真分析

高林，張平格

（河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

1 柱塞泵和仿真軟件介紹

由于軸向柱塞泵具有使用效率高，壽命長、工作介質(zhì)可選擇性廣、壓力等級高等優(yōu)點，所以在汽車、造船等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，泵在工作中泵出口的流量會出現(xiàn)一定程度的波動，會影響柱塞泵的效率和工作性能，所以優(yōu)化泵的部件降低流量和壓力沖擊有一定的意義。

常用的軸向柱塞泵一般由斜盤、柱塞、缸體、配流盤、傳動軸以及吸排液口組成。如圖1所示。

圖1 斜盤柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

柱塞與主動軸以轉(zhuǎn)動副的形式連接在一起，在缸內(nèi)作直線往復運動和繞軸的轉(zhuǎn)動，腔內(nèi)的體積不斷改變，壓力也在改變，通過配流盤的上的吸排油的腰型槽完成工作循環(huán)。

在AMEsim這個平臺上可以研究原件或者是整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)態(tài)性能，在航天航空、船舶、工程機械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。軟件目前還正處于快速創(chuàng)新的階段中，現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)庫模型有數(shù)十個，在本文中我們用到的有液壓庫、機械庫、液壓及其氣動元件系統(tǒng)與應(yīng)用軟件設(shè)計庫、信號庫等。

在了解柱塞泵的原理和理解各組成元件的作用后，在液壓元件草圖模式中可以從模型庫里面選用基本的模型來組合和建立一個可以和元件相匹配的模型。

為了更好地研究柱塞泵的流量脈動的規(guī)律，對于柱塞泵的研究,常規(guī)的實驗方法需要花費的成本太大，筆者借助AMESim平臺在對柱塞泵的工作原理，具體工作參數(shù)分析的前提下，建立由HCD庫、機械庫、液壓庫多個庫組合設(shè)計的柱塞泵模型。

嚴璐發(fā)表的高速徑向柱塞泵配流閥的動態(tài)性能和研究中建模用的是機械庫中CAM00這個子模型，需要編輯凸輪的角度和輪廓并寫入數(shù)據(jù)文件，否則，極易出現(xiàn)仿真失敗的情況。對于丁新隆發(fā)表的斜盤柱塞泵的脈動特性研究和董蒙發(fā)表的軸向柱塞泵脈動特性仿真分析對于傳動件建模時采用的時數(shù)字信號的輸入和傳感器接受的數(shù)據(jù)，沒有考慮傳動件動態(tài)的實時參數(shù)。

筆者用偏心滾子為模型，先進行理論上的數(shù)學分析，從Amesim平臺中的機械庫里的CFECCF0、LCON13、DAM002、F000等子模型組合成的傳動部分仿真模型。

2 數(shù)學模型

偏心盤模擬的斜盤與從動件的接觸是彈性接觸的，從動件脫離偏心圓盤后，兩個物體就會獨立運動。

式中，A為偏心滾子的旋轉(zhuǎn)中心；T為偏心盤中心；R為偏心盤半徑；N為偏心盤與從動件的接觸點；W2為2的轉(zhuǎn)速，單位為rev/min；ξ為偏心盤的角位移。

確定傳動部分與柱塞的坐標。以X-A-Y組成的平面坐標系中描述N點的位置，通過述積分式求出角速度。

AT為滾子中心到偏心盤的距離；sβ為接觸點的壓力角；在接觸點的杠桿臂為：

接觸點到從動件軸的位移為：

偏心滾子和從動件之間的動態(tài)接觸，由物體之間的間隙，剛度和阻尼系數(shù)共同決定。由假設(shè)接觸點的位移和速度計算在N-n-t組成的坐標系中的的接觸力。被稱為Xref(參考位移)和Vref(參考速度)。

gap為滾子和從動件的間隙；X1為從動件的實際位置；如果間隙大于零的話，接觸力等于零。如果間隙小于零，那么接觸力

Kc為接觸剛度；re為有效阻尼系數(shù)。偏心滾子于從動件接觸時，受載荷作用下發(fā)生輕微變形，產(chǎn)生的最大局部壓力為（接觸類型是圓柱式平面）L為實際接觸長度；Er為折算好的楊氏模量。通過上述分析了接觸點的速度，接觸力和最大的局部壓力。

3 仿真模型

嚴璐以CAM00子模型直接傳遞轉(zhuǎn)矩到柱塞缸，不知道凸輪運動規(guī)律的情況會出現(xiàn)初始化失敗的情況，按照參考文獻的模型，搭建出單柱塞仿真模型，仿真沒有正常地運行，如圖2。

圖2 單柱塞液壓仿真圖

出現(xiàn)這種情況的原因是，沒有將凸輪的運動規(guī)律導入文件中，需要建立從動件的數(shù)學模型，利用MATLAB求出運動參數(shù)曲線。筆者采用AMEsim中的液壓庫CFECCF0、LCON13、DAM002、F000等子模型來組合用來傳遞轉(zhuǎn)矩，模型的組合所示。這種模型無須知道運動規(guī)律且無須建立模型使用MATLAB求解動態(tài)參數(shù)便可運行。

初始參數(shù)設(shè)置如下，轉(zhuǎn)速為2000rev/min；阻尼額定值為0.5N/（m/s）；模擬的傳動件的質(zhì)量為0.03kg；活塞直徑為8.5mm；接觸長度為30mm；活塞桿的質(zhì)量為0.0007kg；仿真時間為0.03s；接觸方式為彈性接觸。在液壓仿真平臺AMEsim中搭建了以下的模型，選擇好運行參數(shù)打印間隔為0.0002s,然后進行仿真運行，如圖3。

圖3 軸向柱塞泵液壓仿真系統(tǒng)模型

4 分析仿真數(shù)據(jù)

單個柱塞在柱塞腔內(nèi)的運動曲線如圖4，從結(jié)果可以看出，柱塞在腔內(nèi)的運動規(guī)律呈現(xiàn)為三角函數(shù)運動規(guī)律，速度變化平穩(wěn)，只是在運動開始速度突然出現(xiàn)會存在一些沖擊。

圖4 柱塞速度運動圖

柱塞泵的出口壓力的動態(tài)曲線如圖5所示，隨著仿真的運行，壓力呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，直到達到一個穩(wěn)定的壓力區(qū)間。

圖5 出口流量壓力圖

建立模型的時候，選擇BHC11模型來模擬柱塞腔的作用，通過圖6和圖7的仿真結(jié)果可以看出，腔內(nèi)容積的變化是動態(tài)的余弦運動規(guī)律，流量體積變化平緩，腔內(nèi)的壓力變化隨時間的推移呈現(xiàn)出間隔0.02s的脈動沖擊，且隨仿真的運行，這個壓力越來越大，沖擊的最大數(shù)值為1600bar。

圖6 柱塞腔壓力圖

圖7 柱塞腔容積圖