基于AMESim 的三柱塞軸向柱塞泵的動(dòng)態(tài)特性仿真

王剛剛

（山西太鋼萬(wàn)邦爐料有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

三柱塞軸向柱塞泵主要通過(guò)柱塞在缸體孔中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，交替改變?nèi)齻€(gè)密閉工作容腔的容積，由此完成吸液和排液過(guò)程。這種類型的泵因其壓力高、流量大等特點(diǎn)而被應(yīng)用于各行各業(yè)，也廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械中。作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，軸向柱塞泵性能的好壞將會(huì)影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)軸向柱塞泵的額定流量和壓力的要求也不斷提高。柱塞泵一般通過(guò)增加柱塞直徑來(lái)增加泵的流量，但這樣會(huì)使泵的各部件結(jié)構(gòu)尺寸變大，結(jié)構(gòu)缺陷也加大。為提高柱塞泵各項(xiàng)性能，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化顯得很有必要。然而，傳統(tǒng)的柱塞泵設(shè)計(jì)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且控制參數(shù)變化很困難[1]。為此，本文基于AMESim 對(duì)三柱塞軸向柱塞泵進(jìn)行仿真研究。AMESim 是一款新型的液壓系統(tǒng)建模和仿真軟件，在該軟件中建立軸向柱塞泵的虛擬仿真樣機(jī)，可以反復(fù)修改樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直至滿足設(shè)計(jì)性能為止。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境，可以降低新產(chǎn)品的測(cè)試成本，提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)軸向柱塞泵的性能研究具有重要意義。

1 工作原理

軸向柱塞泵的工作原理（見(jiàn)圖1）：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸和連桿又帶動(dòng)柱塞在缸體孔內(nèi)左右移動(dòng)。柱塞右移，密封容積增大形成負(fù)壓，排液閥在系統(tǒng)壓力和彈簧力作用下關(guān)閉，吸液閥在油箱壓力下，克服彈簧阻力打開(kāi)吸油，完成吸油過(guò)程；柱塞左移，密閉容積減小壓力增大，排液閥打開(kāi)排液，吸液閥在油壓和彈簧力作用下關(guān)閉，完成壓油過(guò)程。在曲軸連桿作用下，每個(gè)柱塞每分鐘往復(fù)400～600 次，并通過(guò)吸、排液閥連續(xù)不斷地完成吸排液。

圖1 軸向柱塞泵工作原理

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

2.1 軸向柱塞泵數(shù)學(xué)模型

曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖2）：曲軸以角速度ω順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使得連桿帶動(dòng)柱塞左右移動(dòng)，設(shè)柱塞移動(dòng)的前死點(diǎn)為A，A 點(diǎn)到柱塞中心的距離設(shè)為x，設(shè)后死點(diǎn)為B 點(diǎn)，其到前死點(diǎn)A 的距離S 為柱塞左右移動(dòng)的行程，若吸入行程x 為正，則柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表示為[2]：

圖2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖

式中：x 為柱塞位移，m；u 為柱塞速度，m/s；a 為柱塞加速度，m/s2；φ 為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；ω 為曲柄角速度，rad/s；t 為時(shí)間，s；r 為曲柄半徑，m；λ 為曲柄半徑r與連桿長(zhǎng)度l 之比。

2.2 柱塞泵的流量特性

由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，柱塞運(yùn)動(dòng)速度是瞬時(shí)的，故軸向柱塞泵的瞬時(shí)輸出流量是變化的，存在流量脈動(dòng)。單個(gè)柱塞排油時(shí)的理論瞬時(shí)流量和實(shí)際流量為[2]：

3 仿真分析

3.1 軸向柱塞泵液壓模型的建立

建立三柱塞軸向柱塞泵的液壓模型如圖3 所示。

圖3 軸向柱塞泵液壓模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

軸向柱塞泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 柱塞運(yùn)動(dòng)分析

柱塞在曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時(shí)的速度和位移曲線如圖4 所示。

圖4 曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時(shí)的柱塞速度與位移曲線

由圖4 分析可知：柱塞泵在運(yùn)行狀態(tài)下，其速度和位移都是呈周期性變化的[3]。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時(shí)，柱塞最大速度約為3.259 6 m/s，速度的變化周期約為0.14 s。柱塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)泵內(nèi)各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦和磨損造成影響，尤其對(duì)柱塞、缸體孔及其密封件的影響最為顯著。

柱塞運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，運(yùn)動(dòng)副的摩擦和磨損嚴(yán)重，會(huì)使泵的內(nèi)泄露增加，從而導(dǎo)致容積效率下降。若柱塞運(yùn)動(dòng)速度過(guò)低，為保證泵的流量，則液力端的結(jié)構(gòu)尺寸將會(huì)增大，此外，柱塞所受油液的作用力與柱塞直徑的二次方成正比，驅(qū)動(dòng)端受力增大，從而導(dǎo)致泵的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量增大。

4.2 曲軸轉(zhuǎn)速對(duì)流量脈動(dòng)的影響

圖5 為曲軸轉(zhuǎn)速分別為450 r/min、550 r/min 和650 r/min 時(shí)柱塞泵的流量脈動(dòng)曲線，下頁(yè)圖6 為各轉(zhuǎn)速下泵的容積效率變化曲線。由圖5 可知，曲軸轉(zhuǎn)速越高，泵的流量越大，并且泵的瞬時(shí)流量有脈動(dòng)，轉(zhuǎn)速越高，流量脈動(dòng)率越大[4-5]。由圖6 可知，軸向柱塞泵在曲軸轉(zhuǎn)速分別在450 r/min、550 r/min 和650 r/min 時(shí)，容積效率分別為95.9%、95.0%和94.6%。由此可見(jiàn)，曲軸轉(zhuǎn)速越大，泵的容積效率越低。所以，在選擇曲軸轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)將轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)[6]。

圖5 曲軸轉(zhuǎn)速不同時(shí)泵的流量

圖6 曲軸轉(zhuǎn)速不同時(shí)泵的容積效率

5 結(jié)論

1）柱塞泵在運(yùn)行狀態(tài)下，其速度和位移都是呈周期性變化的，為了降低各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦磨損，應(yīng)合理選擇柱塞速度。

2）曲軸轉(zhuǎn)速越高，泵的流量越大，并且泵的瞬時(shí)流量有脈動(dòng)，轉(zhuǎn)速越高，流量脈動(dòng)率越大；曲軸轉(zhuǎn)速越大，泵的容積效率越低。因此，在選擇曲軸轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)該將轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。