電比例斜盤式恒壓柱塞泵的聯(lián)合仿真與特性研究

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

引言

液壓泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源[1]。隨著全球社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題越來越嚴(yán)重，節(jié)能型產(chǎn)品日益受到重視。恒壓泵能夠根據(jù)外部負(fù)載的大小調(diào)節(jié)泵的流量，從而使出口壓力為恒定值，避免了液壓油從溢流閥大量溢出造成不必要的損失，順應(yīng)了節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)[2]。因此，眾多學(xué)者對(duì)恒壓泵進(jìn)行了大量的研究，ROEEATELLO A等[3]使用AMESim和ADAMS軟件對(duì)恒壓泵進(jìn)行了聯(lián)作者簡(jiǎn)介:李會(huì)妨(1994—)，女，河南濮陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事液壓元件方面的研究。

合仿真。PARK S H等[4]設(shè)計(jì)了一種能精確控制恒壓泵壓力流量的魯棒壓力控制系統(tǒng)， 并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。OUANG Xiaoping[5]建立了恒壓泵全耦合動(dòng)力學(xué)模型，并分析了斜盤傾角液壓控制系統(tǒng)與液壓物理子系統(tǒng)之間機(jī)液耦合作用對(duì)于壓力脈動(dòng)與斜盤振動(dòng)的影響。張宏等[6]在AMESim中建立了恒壓泵動(dòng)態(tài)特性測(cè)試模型，仿真結(jié)果表明恒壓泵的壓力脈動(dòng)主要受壓力控制閥的閥芯直徑和行程缸活塞直徑的影響，適當(dāng)提高行程缸預(yù)緊力可以提高變量泵的響應(yīng)時(shí)間。胡亮[7]聯(lián)合ADAMS與AMESim軟件對(duì)恒壓泵進(jìn)行了仿真研究，分析了調(diào)定壓力對(duì)泵出口壓力、出口流量等的影響。羅威等[8]利用AMESim的液壓機(jī)械信號(hào)庫(kù)建立該型恒壓變量柱塞泵的仿真模型，并對(duì)恒壓變量柱塞泵靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究。

現(xiàn)有針對(duì)恒壓柱塞泵的研究多采用是ADAMS與AMISim等軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，建模難度較大，且在仿真過程中，不同軟件之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而降低仿真速度。為實(shí)現(xiàn)恒壓泵液壓系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的無(wú)縫連接與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，本研究基于多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件SimulationX建立電比例斜盤式恒壓柱塞泵機(jī)械、液壓聯(lián)合仿真模型并進(jìn)行了分析研究。

1 電比例斜盤式恒壓柱塞泵的工作原理

圖1所示為電比例恒壓泵工作原理。電比例恒壓柱塞泵主要包括：泵體、變量機(jī)構(gòu)及壓力控制單元組成。其中壓力控制單元主要由比例先導(dǎo)閥、主控壓力閥組成。變量液壓缸有桿腔與泵出油口連通，泵出油口油液通過阻尼孔作用到比例先導(dǎo)閥的進(jìn)口和主控壓力閥的彈簧腔，當(dāng)泵出口壓力低于比例先導(dǎo)閥設(shè)定的壓力時(shí)，比例先導(dǎo)閥關(guān)閉，主控壓力閥左右兩腔壓力相等，彈簧力將主控壓力閥推向右位，變量液壓缸無(wú)桿腔壓力為0，因此變量液壓缸處于最大排量位置，泵以最大排量工作；當(dāng)泵出口壓力高于比例先導(dǎo)閥設(shè)定壓力時(shí)，比例先導(dǎo)閥打開，由于阻尼孔的作用， 主控壓力閥彈簧腔壓力低于泵出口壓力，主控壓力閥工作在左位，變量液壓缸無(wú)桿腔壓力升高，排量減小，平衡時(shí)泵出口壓力維持在比例先導(dǎo)閥設(shè)定壓力，通過改變比例先導(dǎo)閥設(shè)定壓力，可控制柱塞泵出口壓力。

圖1 恒壓泵工作原理圖

圖2所示為斜盤柱塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖，其核心部分由缸體、柱塞、滑靴、斜盤、配流盤組成[9]。柱塞均勻分布在缸體上的柱塞孔中，缸體軸線與斜盤軸線傾斜一定的角度，斜盤和配流盤固定不動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞一邊隨缸體旋轉(zhuǎn)，一邊相對(duì)缸體作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[10]。設(shè)斜盤傾角為β，缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，柱塞分度圓直徑為R，柱塞轉(zhuǎn)過的角度為φ，處于壓油區(qū)的個(gè)數(shù)為z1，則柱塞的z軸坐標(biāo)為[11]：

z=-Rcosφtanβ

(1)

柱塞瞬時(shí)速度為：

u=Rωtanβsinφ

(2)

單個(gè)柱塞的瞬時(shí)流量為：

(3)

整泵的瞬時(shí)流量為：

(4)

1.主軸 2.缸體 3.柱塞 4.滑靴5.斜盤 6.配流盤圖2 斜盤式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 電比例恒壓柱塞泵仿真模型的建立

為分析恒壓泵的動(dòng)靜態(tài)特性，基于多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件SimulationX搭建了恒壓泵機(jī)液聯(lián)合仿真模型，表1所示為液壓泵的主要參數(shù)。

2.1 配流面積計(jì)算模型

在柱塞泵工作過程中，隨著缸體的旋轉(zhuǎn)，缸體底部的柱塞腔窗口周期性地與配流盤吸、壓油窗口連通，完成泵的吸壓油過程[12]。油液通過柱塞腔底部腰形窗口和配流盤腰形槽之間形成的過流面積S與缸體轉(zhuǎn)角φ之間呈分段函數(shù)關(guān)系，在SimulationX軟件中建立配流面積計(jì)算模型，圖3為缸體旋轉(zhuǎn)兩周配流面積變化曲線。

表1 主要參數(shù)

圖3 瞬時(shí)流量面積變化曲線

2.2 單柱塞模型

作為柱塞泵的機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)換部件，柱塞一方面需要隨著缸體繞驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面由于斜盤的作用在柱塞腔內(nèi)作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成吸壓油過程。利用SimulationX軟件中的Hydraulics庫(kù)、MBS-Mechanics庫(kù)、Mechanics庫(kù)以及Signal-Blocks庫(kù)建立的單柱塞機(jī)液聯(lián)合仿真模型如圖4所示。

圖4 單柱塞模型

單柱塞模型由液壓部分和機(jī)械部分構(gòu)成，在液壓部分中，低壓油口和高壓油口用2個(gè)可變節(jié)流孔模擬配流盤對(duì)油液的節(jié)流作用，節(jié)流孔面積值由配流面積計(jì)算模塊得到；在機(jī)械部分中，采用CADimpor模塊導(dǎo)入液壓泵各零件的三維模型，并按照正確的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模塊用于模擬電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)；為使仿真模型更加接近液壓泵實(shí)際工況，在柱塞和缸體孔之間、斜盤與滑靴、配流盤與缸體設(shè)置相應(yīng)的摩擦力，并在斜盤旋轉(zhuǎn)副中設(shè)置了其轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩。最后，通過力接口實(shí)現(xiàn)了液壓部分與機(jī)械部分的耦合。

2.3 變量機(jī)構(gòu)模型

根據(jù)恒壓柱塞泵的工作原理，利用Hydraulics庫(kù)、MBS-Mechanics庫(kù)、Mechanics庫(kù)以及Signal-Blocks庫(kù)建立了變量系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 變量機(jī)構(gòu)模型

在變量系統(tǒng)模型中，采用2個(gè)二位二通閥及相應(yīng)的彈簧-阻尼元件組成二位三通的主控壓力閥；根據(jù)變量液壓缸的作用半徑、有桿腔面積、無(wú)桿腔面積、彈簧剛度以及預(yù)壓力設(shè)置模型中各元件的參數(shù)；由于Hydraulics庫(kù)中的溢流閥設(shè)定壓力可以根據(jù)設(shè)定的信號(hào)實(shí)時(shí)變化，所以可以用溢流閥來實(shí)現(xiàn)比例先導(dǎo)閥的功能。

2.4 整體仿真模型

恒壓柱塞泵由9個(gè)柱塞組成，柱塞均勻得分布在缸體內(nèi)，相鄰柱塞轉(zhuǎn)角相差40°，利用上述單柱塞模型和變量系統(tǒng)模型，按照正確的組合關(guān)系，即可構(gòu)成電比例斜盤式恒壓柱塞泵整機(jī)機(jī)液耦合仿真模型，如圖6所示。通過在泵出口設(shè)置負(fù)載節(jié)流閥模擬變化的負(fù)載，負(fù)載節(jié)流閥直徑開口與負(fù)載呈反比關(guān)系。

圖6 恒壓柱塞泵的整體模型

3 仿真分析

利用所建立的電比例斜盤式恒壓柱塞泵的機(jī)-液耦合仿真模型，對(duì)恒壓泵整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，并分析主控壓力閥閥芯直徑、變量缸大小腔直徑比及變量缸彈簧剛度對(duì)恒壓泵動(dòng)態(tài)特性的影響，最后對(duì)恒壓泵的靜態(tài)特性進(jìn)行分析。具體如下：

3.1 恒壓泵整體動(dòng)態(tài)特性仿真分析

圖7為單柱塞的壓力與流量曲線。由圖中曲線可知，流量以正弦規(guī)律脈動(dòng)，符合理論流量公式，在剛壓油時(shí)存在一定的流量倒灌，這是由于壓油腔和柱塞腔存在壓差導(dǎo)致的，而吸油區(qū)域流量變化平緩；柱塞腔底部受到間歇的壓力作用，最大壓力為泵的出口壓力并且存在周期地波動(dòng)，壓力在開始下降前存在一定的正向壓力超調(diào)，產(chǎn)生的原因是在柱塞還處于壓油過程時(shí)壓油面積已經(jīng)逐漸關(guān)閉。

圖7 單柱塞的壓力與流量曲線

圖8所示為比例先導(dǎo)閥設(shè)定壓力為10 MPa時(shí)，恒壓泵的負(fù)載階躍響應(yīng)曲線。仿真過程中在0.5 s時(shí)負(fù)載節(jié)流閥直徑從3 mm階躍變化到2 mm，1 s時(shí)直徑從2 mm階躍變化到2.5 mm。

圖8 恒壓泵負(fù)載階躍響應(yīng)曲線

由圖中曲線可知，泵出口壓力呈周期性波動(dòng)，這是由柱塞泵的流量脈動(dòng)和斜盤振動(dòng)引起的，當(dāng)負(fù)載階躍變化時(shí)，泵出口壓力會(huì)存在1 MPa左右的超調(diào)，穩(wěn)定后壓力都會(huì)維持在設(shè)定壓力10 MPa值附近，滿足恒壓泵的工作特性。

圖9為恒壓泵的壓力階躍響應(yīng)曲線。由圖中曲線可知，壓力階躍響應(yīng)過程中，斜盤傾角存在大的超調(diào)，但由于液壓油的壓縮性，恒壓泵出口壓力超調(diào)較小。當(dāng)設(shè)定泵出口壓力值依次為10， 25， 18 MPa時(shí)，恒壓泵實(shí)際出口壓力均能穩(wěn)定在設(shè)定壓力附近。

圖9 恒壓泵設(shè)定壓力階躍響應(yīng)曲線

3.2 主控壓力閥閥芯直徑對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

仿真中，斜盤擺角的初始值為0°。圖10和圖11分別為不同的主控閥閥芯直徑所對(duì)應(yīng)的泵出口壓力響應(yīng)曲線和斜盤擺角響應(yīng)曲線。由圖中曲線可知，主控閥閥芯直徑的對(duì)斜盤擺角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度影響不大，但對(duì)泵出口壓力的穩(wěn)態(tài)值有明顯影響，當(dāng)設(shè)置主控閥閥芯直徑分別為3.9， 6.9， 9.9 mm時(shí)，閥芯直徑越大，由于等效單位面積的主閥復(fù)位彈簧力越小，泵出口壓力穩(wěn)態(tài)值越接近設(shè)定壓力，但閥芯直徑過大會(huì)導(dǎo)致明顯壓力震蕩，從而增加了達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。

圖10 不同閥芯直徑的壓力響應(yīng)曲線

圖11 不同閥芯直徑的斜盤擺角響應(yīng)曲線

3.3 變量缸大腔與小腔直徑比對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

為研究變量缸大小腔直徑比對(duì)恒壓泵動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性的影響，設(shè)置變量缸小腔直徑為12 mm，大腔分別取18.6， 24.6， 30.6 mm，即變量缸大腔小腔直徑比值取為1.55， 2.05， 2.55進(jìn)行仿真研究。

圖12 不同直徑比的壓力響應(yīng)曲線

圖12和圖13分別為不同的變量缸大小腔直徑比所對(duì)應(yīng)的泵出口壓力響應(yīng)曲線和斜盤擺角曲線。由圖中曲線可知，變量缸大小腔直徑比值為1.55時(shí)，變量缸動(dòng)作較迅速，但有較大的壓力震蕩和超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間長(zhǎng)。隨著比值的增大，由于達(dá)到相同的斜盤傾角，大腔與小腔面積比越大，所需油液越多，圖中可看出，泵出口壓力和斜盤擺角響應(yīng)速度逐漸變慢，壓力震蕩和超調(diào)量逐漸減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間變短。

圖13 不同直徑比的斜盤擺角響應(yīng)曲線

3.4 變量缸彈簧剛度對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

圖14和圖15分別為恒壓泵不同彈簧剛度所對(duì)應(yīng)的壓力響應(yīng)曲線和斜盤擺角響應(yīng)曲線。由圖中曲線可知，變量缸彈簧剛度對(duì)恒壓泵出口壓力的超調(diào)量和斜盤擺角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有較明顯的影響，隨著彈簧剛度的增大，斜盤擺角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯提高，但泵出口壓力超調(diào)量也隨之增大。

圖14 不同彈簧剛度的壓力響應(yīng)曲線

圖15 不同彈簧剛度的斜盤擺角響應(yīng)曲線

3.5 靜態(tài)特性

圖17為比例先導(dǎo)閥設(shè)定壓力為15 MPa時(shí)泵出口壓力與流量的變化曲線。仿真中負(fù)載節(jié)流閥直徑按照?qǐng)D16中的曲線變化， 0.5～2.6 s負(fù)載節(jié)流閥直徑由5mm 線性減少到0.275 mm，從而負(fù)載越來越大。由圖17中曲線可知，1.24 s之前泵出口壓力沒有達(dá)到比例先導(dǎo)閥的設(shè)定壓力，恒壓泵以最大排量給負(fù)載提供流量，泵出口壓力隨著負(fù)載的變大而越來越大；1.24 s之后隨著負(fù)載變大，泵出口壓力恒定在比例先導(dǎo)閥的設(shè)定壓力附近，恒壓泵給負(fù)載提供的流量越來越小。

圖16 負(fù)載節(jié)流閥直徑變化曲線

圖17 設(shè)定壓力為15 MPa的泵出口流量與壓力

圖18為恒壓泵靜態(tài)工作特性曲線。仿真中負(fù)載節(jié)流閥直徑按照?qǐng)D16中的曲線變化，通過設(shè)定不同的比例先導(dǎo)閥的設(shè)定壓力，即可得到不同設(shè)定壓力下泵出口壓力和流量變化曲線，以壓力為橫坐標(biāo)流量為縱坐標(biāo)就可得到如圖18的靜態(tài)工作曲線。由圖中曲線可知，電比例斜盤式恒壓柱塞泵具有良好的恒壓特性，由于主控壓力閥彈簧的作用，泵出口壓力值總是比設(shè)定壓力值高出0.5～1 MPa左右。

圖18 恒壓泵靜態(tài)工作特性曲線

4 結(jié)論

(1) 在SimulationX中搭建恒壓柱塞泵的機(jī)械、液壓耦合模型并進(jìn)行仿真研究，研究結(jié)果表明：電比例斜盤式恒壓柱塞泵具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性；

(2) 主控壓力閥閥芯會(huì)影響泵的穩(wěn)態(tài)輸出值，閥芯直徑越大，穩(wěn)態(tài)值越接近設(shè)定壓力值，但直徑過大會(huì)出現(xiàn)壓力震蕩從而增大穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間；

(3) 變量缸大腔與小腔的直徑比與變量缸彈簧剛度對(duì)恒壓泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和超調(diào)量有明顯影響，隨著變量缸大小腔直徑比值的增大，泵出口壓力和斜盤擺角響應(yīng)速度逐漸變慢，壓力震蕩和超調(diào)量逐漸減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間變短；隨著彈簧剛度的增大，斜盤擺角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯提高，但泵出口壓力超調(diào)量也隨之增大。