供稿| 牛麗光，秦娜，張智慧/NIU Li-guang, QIN Na, ZHANG Zhi-hui

基于AMESim的某型三缸單作用柱塞泵的脈動(dòng)特性分析

Analysis of the Flow Pulsation of Single Acting Triplex Plunger Pump Based on the AMEsim Software

供稿| 牛麗光1，秦娜1，張智慧2/NIU Li-guang, QIN Na, ZHANG Zhi-hui

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

液壓泵能夠正常工作，條件之一就是其密封工作腔容積要能夠交替變化[1]，正是如此，液壓泵不可避免的會(huì)存在流量脈動(dòng)，絕大多數(shù)情況下，這種脈動(dòng)是有害的[2,3,4]，因此研究高壓柱塞泵的脈動(dòng)特性就具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文應(yīng)用仿真軟件AMESim，對(duì)某型三缸單作用高壓柱塞泵的脈動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究，并將仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明仿真模型合理，仿真結(jié)果真實(shí)可信，這就為對(duì)柱塞泵脈動(dòng)特性進(jìn)行進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。

工作原理

該型號(hào)三缸單作用高壓柱塞泵常用于某軍用產(chǎn)品配套設(shè)備，圖1為該型柱塞泵的工作原理圖，如圖所示：三缸單作用高壓柱塞泵的曲軸由外在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)連桿帶動(dòng)柱塞上下運(yùn)動(dòng)。柱塞向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，容腔容積逐漸減小，壓力逐漸增大，液體通過(guò)出水閥壓向高壓泵出口，而此時(shí)由于進(jìn)水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液體不能通過(guò)進(jìn)水閥流出；當(dāng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，情況正好相反，此時(shí)容腔容積逐漸增大，壓力逐漸降低，液體通過(guò)進(jìn)水閥吸入高壓泵，此時(shí)出水閥則處于關(guān)閉狀態(tài)，液體不能通過(guò)出水閥吸入。這樣，曲軸每旋轉(zhuǎn)一周，三個(gè)柱塞都會(huì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，完成一次吸液和壓液動(dòng)作，曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。

圖1 三缸單作用高壓柱塞泵工作原理圖

數(shù)學(xué)模型

圖2（a）為三缸單作用高壓柱塞泵中某一柱塞的運(yùn)動(dòng)示意圖，圖2（b）為不考慮高壓泵中曲軸、連桿以及柱塞等的重力影響時(shí)某一瞬時(shí)的速度矢量圖。由圖2（b）速度矢量圖中速度平行四邊形可得：

將上式進(jìn)行化簡(jiǎn)，得：

由于：

同理，可求得與其相位相差120°和240°的另外兩個(gè)柱塞的軸向速度，由 可得三個(gè)柱塞的瞬時(shí)流量，將瞬時(shí)流量相加，在不考慮泄漏的情況下，可得該高壓泵的理論瞬時(shí)流量q。柱塞泵參數(shù)，求的其柱塞面積為 A = 0 .0023m2，將理論瞬時(shí)流量q繪制成曲線，如圖5中曲線a（實(shí)線）所示。

仿真模型

仿真軟件AMESim

AMESim軟件是專(zhuān)門(mén)用于模擬工程系統(tǒng)的仿真軟件，該軟件尤其適用于液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究。在AMESim軟件中，用符號(hào)來(lái)表達(dá)液壓元件的實(shí)際功能及其主要規(guī)格參數(shù)，能夠非常方便地構(gòu)建仿真模型，以進(jìn)行時(shí)域或頻域的仿真研究。另外，仿真結(jié)果以多種形式顯示，能夠直觀的表達(dá)工程系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。因此，采用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究[5]。

圖2 某柱塞某瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)示意圖及速度矢量圖

圖3 三缸單作用柱塞泵單個(gè)柱塞軸向速度曲線圖

建立仿真模型

基于AMESim仿真軟件，建立的仿真模型如圖4所示。

仿真結(jié)果

將該型號(hào)柱塞泵的實(shí)際參數(shù)輸入AMESim軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，并將其出口的流量輸出，仿真結(jié)果如圖5中曲線b（虛線）所示。由圖5可以看出：仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合，誤差在3%以內(nèi)，據(jù)此可以證明仿真模型的合理性，利用AMESim軟件對(duì)該型號(hào)柱塞泵進(jìn)行仿真研究是完全可行的。

圖4 三缸單作用柱塞泵液壓仿真模型

圖5 理論計(jì)算與仿真結(jié)果對(duì)比曲線圖

結(jié)束語(yǔ)

柱塞泵的流量脈動(dòng)是液壓系統(tǒng)振動(dòng)的最主要來(lái)源之一，研究泵的流量脈動(dòng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)某型號(hào)三缸單作用高壓柱塞泵，運(yùn)用AMESim軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，仿真模型合理，仿真結(jié)果真實(shí)可信；為對(duì)該類(lèi)型的柱塞泵脈動(dòng)特性進(jìn)行進(jìn)一步研究提供了一種新的思路。

[1] 章宏甲，黃誼，王積偉．液壓與氣壓傳動(dòng)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：67

[2] 蘇爾皇．使用蓄能器消減液壓系統(tǒng)中脈動(dòng)的正確方法．工程機(jī)械，1981，8：52

[3] 趙克定， 李尚義，羅曉鳴，等．并聯(lián)和串聯(lián)囊式蓄能器的理論分析和數(shù)字仿真．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，2（4）：66

[4] 楊世綿，田振華，韓立強(qiáng)．蓄能器吸收泵壓力脈動(dòng)效果的分析研究．吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1987，12（2）：19

[5] 李延民，張智慧，張永．液控金屬針布包卷機(jī)的特性分析．紡織器材，2008，4：1

文章應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的模擬工程系統(tǒng)的仿真軟件AMESim，對(duì)某型三缸單作用柱塞泵的脈動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究，并將仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，指出利用AMESim軟件對(duì)柱塞泵的脈動(dòng)特性進(jìn)行仿真研究是完全可行的，為對(duì)柱塞泵進(jìn)行分析研究提供了一種新的思路。

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