（机械电子工程专业论文）双排油口轴向柱塞泵配流特性建模及数字仿真研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 双排油口轴向柱塞泵配流特性建模及数字仿真研究 摘要 轴向柱塞泵具有高压力、大流量、高效率、结构紧凑、寿命长等优点， 因此得到广泛的应用，特别是工程机械行业，对高性能、低噪声、长寿命 的柱塞泵和马达有着极大的需求。近年来随着人们环保意识越来越强以及 用户对主机质量要求的提高，对轴向柱塞泵的性能要求也越来越高。在高 压高速的工况下，轴向柱塞泵的振动和噪声问题比较突出，因此研究如何 减小轴向柱塞泵的振动和降低其噪声就很有必要。 轴向柱塞泵噪声产生的原因很多，主要是流体噪声和机械噪声，而由 于流量脉动、压力冲击等产生的流体噪声是轴向柱塞泵的主要噪声源。论 文主要通过理论分析、仿真计算，对轴向柱塞泵产生的流体噪声进行分析， 探索减小脉动和降低噪声的结构和方法。 论文运用多学科综合仿真软件s i m u l a t i o n x ，对9 柱塞两配流窗口轴向 柱塞泵进行了仿真研究，确定了合理的配流盘的结构。在此基础上分析了 柱塞数目分别为1 0 和1 l 时，柱塞腔内的压力和泵出口的压力流量脉动， 对排量相同而柱塞数目不同时泵的压力流量进行了比较。 并且以现有的轴向柱塞泵为基础，对其配流盘的结构进行合理的改造， 提出了两种新型双排油口泵的配流原理：串联型双排油口轴向柱塞泵( 三 个配流窗口) 和并联型双排油口轴向柱塞泵( 三个配流窗口和四个配流窗 口两种类型) ，使泵的功能增加。在仿真软件s i m u l a t i o n x 中对串联型双排 油口轴向柱塞泵和并联型双排油口轴向柱塞泵进行了建模和仿真分析，确 定了合理的配流结构，使得新型泵的压力流量脉动水平与现有泵相当。 通过建模仿真，分析不同柱塞数目对串联型双排油口轴向柱塞泵出口 的压力流量脉动的影响，得出其变化规律与两配流口泵一致。并且对串联 太原理工大学硕士研究生学位论文 型三配流窗口轴向柱塞泵和并联型三配流窗口轴向柱塞泵出口的压力流量 和柱塞腔内的压力流量冲击经行了比较。分析两种新型泵的应用范围，得 出并联型三配流窗口轴向柱塞泵的应用范围要广于串联型三配流窗口轴向 柱塞泵的应用范围。 关键词：轴向柱塞泵，配流盘，压力脉动，流量脉动 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nf l o wd i s t r i b u t i o nf e a t u r e sm o d e l i n ga n dd i g i t a l s i m u l a t i o no fd u a ld i s c h a r g i n ga x i a lp i s t o np u m p a b s t r a c t a x i a lp i s t o np u m ph a sb e e nu s e dw i d e l y , b e c a u s et h ep u m pw i 也1 1 i g h p r e s s u r e ，h i g hf l o w , h i 曲e f f i c i e n c y , c o m p a c t ，l o n gl i f ea n do t h e ra d v a n t a g e s e s p e c i a l l yi nt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi n d u s t r y , h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wn o i s e a n d l o n g l i f e s p i s t o np u m p sa n dm o t o r s h a v ea g r e a t d e m a n d w i t h e n e r g y - s a v i n ge m i s s i o nr e d u c t i o na n dt h eg r o w i n ga w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n di m p r o v e m e n t o fh o s tq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，i th a sah i g h e rd e m a n d f o ra x i a lp i s t o np u m p t h ea x i a lp i s t o np u m pi sm o r en o i s ei nt h eh i g h v o l t a g e a n dh i g h s p e e dv i b r a t i o n ，s oi ti sn e c e s s a r yt oc o n t r o lt h en o i s eo fa x i a lp i s t o n p u m p t h e r ea r em a n yw a y st oc a u s et h en o i s eo ft h ea x i a lp i s t o np u m p t h em a i n a r ef l u i dn o i s ea n dm e c h a n i c a ln o i s e t h ef l u i dn o i s eg e n e r a t e dd u et of l o w p u l s a t i o n a n dt h ep r e s s u r ei m p a c ti sc o n s i d e r e dt ob et h em a i nr e a s o n t h i s a r t i c l ea n a l y s i st h ef l u i dn o i s eo ft h ea i a lp i s t o np u m pb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o na n de x p l o r ew a y st or e d u c et h e p u l s a t i n ga n d n o i s e i nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r es i m u l a t i o n x ，t h ea x i a lp i s t o np u m po ft h et w o s t r e a mw i n d o wh a sb e e ns i m u l a t e da n dd e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l es t r u c t u r eo f t h ev a l v ep l a t e b a s e do nt h ea x i a lp i s t o np u m po fn i n ep l u n g e r , t h ea r t i c l e a n a l y s i st h ep l u n g e rc a v i t yp r e s s u r ea n dp u m po u t l e tp r e s s u r ea n df l o wp u l s a t i o n o ft e na n de l e v e np l u n g e r a n dc o m p a r e dt h ep r e s s u r ea n df l o wo ft h e p u m pw i t h s a m ed i s p l a c e m e n tb u td i f f e r e n tp l u n g e rn u m b e r b a s e do nt h ep u m pw i t ht w os t r e a mw i n d o w , t r a n s f o r mt h es t r u c t u r eo ft h e v a l v ep l a t er e a s o n a b l ya n dc o m eu pw i t ht h ea x i a lp i s t o np u m pw i t ht w on e w d o u b l ed i s c h a r g i n gp o r t t h e ya r et h ea x i a lp i s t o np u m p so fs e r i e st h r e es t r e a m i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w i n d o wa n dp a r a l l e ld o u b l e - a c t i n g ( t h r e es t r e a mw i n d o wa n df o u rs t r e a m d o w ) t h e nd d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h e md e t a i l e d l ynsimulationwin(10w)henm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h e md e t a i i nt h e s o r w a r es i m u l a t i o n xa n d d e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l ef l o wd i s t r i b u t i o ns t m c 嘶 t h en e wp u m p sf u n c t i o n si si n c r e a s e da n di t sn o i s el e v e li sc o r r e s p o n d i n gw i t h t h ee x i s t i n gp u m p a n a l y s i s e dt h eo u t l e tp r e s s u r ea n df l o wo ft h ea x i a lp i s t o np u m p sw i t hs e r i e s t h r e es t r e a mw i n d o ww h e nd i f f e r e n t p l u n g e rn u m b e rb ys i m u l a t i o n a n d c o m p a r e dt h eo u t l e tp r e s s u r ea n df l o wa n dt h ep l u n g e rp r e s s u r ea n df l o wi m p a c t o nt h ea x i a lp i s t o np u m po fs e r i e st h r e ew i t ht h es t r e a mw i n d o wa n dp a r a l l e l t h r e ew i t ht h es t r e a mw i n d o w t h e na n a l y s i s e dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o no ft w o n e wp u m p t h er a n g eo fa p p l i c a t i o n so ft h ea x i a lp i s t o np u m po ft h ep a r a l l e l t h r e ew i t ht h es t r e a mw i n d o wi sw i d et h a nt b es e r i e s k e yw o r d s ： a x i a l p i s t o np u m p ，v a l v ep l a t e ，p r e s s u r ep u l s a t i o n ，f l o w p u l s a t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 本课题研究的背景及意义 第一章绪论 近年来随着国民经济的快速发展，我国的基础设施建设进入了高速发展的阶段，国 家对道路、桥梁、水利等基础设施及房地产行业的投资，为工程机械产业提供了广阔的 市场。由于液压传动具有大的功率密度、好的控制精度、灵活的元件布置和易于实现机 电液一体化控制等优点，所以液压传动技术已经广泛地应用于工程机械领域，而且对于 整个液压行业而言，工程机械占其中的份额也越来越高【1 5 1 。因此在工程机械上最大的 发挥液压传动技术的优势，对提高整机的控制性能有很重要的意义。 液压元件是对主机性能影响极大的一类基础件，而我国实际情况是液压元件的技术 明显落后于主机设备的发展要求，所以对液压基础件的研究成为学科和行业的研究重 点。液压泵是液压系统的动力源，为系统提供具有一定压力和流量的油液，确保执行机 构工作，其性能的好坏直接影响到液压系统的工作性能。轴向柱塞泵具有高压力、大流 量、高效率、结构紧凑、寿命长等优点，因此得到广泛的应用，特别是工程机械行业， 对高性能、低噪声、长寿命的轴向柱塞泵和马达有很大的需求。与国外的液压件相比， 国内生产的液压件性能偏低，从国外进口的液压泵比国内生产的液压泵性能好，因此国 内主机厂家基本使用国外的液压泵，如力士乐、p a r k e r 等，而对于国内厂家的液压泵很 少使用。这是由于现阶段我国的制造技术落后，国内主要的液压泵厂家其多数产品依靠 测绘，缺乏自主创新，制造出来的液压泵的性能也无法保证，这就导致了我们的液压件 和国外先进的液压件在竞争时处于劣势。 在当前时期内，我国正在大力发展装备制造业，因此对于液压行业的技术人员而言， 借此时机努力提高本国液压件的技术水平，缩小与国外先进液压件的技术差距，提升本 国产品的竞争力，让国内的主机厂商也可以使用国产性能较好的液压泵；同时要充分发 挥自主创新能力，对现有轴向柱塞泵可以进行合理地改造，增加其使用功能，使轴向柱 塞泵的应用范围更加广泛。 同时随着人们环保意识的增强和节能减排的提出，节能环保对现代社会的发展有着 重要的影响。而在此影响下，现代液压行业也在努力向这方面发展【6 1 ，所以对于液压系 太原理工大学硕士研究生学位论文 统和液压元件的噪声要求就更加苛刻。这对于液压泵的要求也就更高了，特别是对于轴 向柱塞泵而言，它在高速高压状态下，整泵产生的噪声比较大，因此对于研究轴向柱塞 泵的噪声控制问题就很有必要。 轴向柱塞泵产生噪声的原因很多，其中主要有流体噪声和机械噪声，由于流量脉动、 压力冲击等引起的流体噪声被认为是柱塞泵产生噪声的主要原因i 4 。本文希望通过理论 分析、仿真计算，分析轴向柱塞泵产生流体噪声的原因，同时对减小噪声和脉动的配流 盘结构进行分析；并且以现有的轴向柱塞泵为基础，对其进行合理化地改造，使其功能 增加，而且噪声水平与现有泵相当。 1 2 轴向柱塞泵流体噪声的研究现状 液压元件的噪声主要包括流体噪声和机械噪声。在液压元件和液压系统中，流体噪 声占很大的比例。而液压泵则是液压系统中最主要的噪声源，因此对于控制整个系统的 噪声而言，应该主要从液压泵着手，当然其他元件的噪声也是不能忽视的。轴向柱塞泵 产生噪声的因素很多，主要有以下四方面的原因：一是在液压泵压油过程中，由于柱塞 的不连续排油，泵出口的流量呈周期性的变化，产生流量脉动，进而引起管道中的压力 脉动，使系统中产生振动，激发噪声；二是由于柱塞腔内压力脉动和冲击，使泵内的作 用力和力矩脉动变化和突变，导致缸体、斜盘等部件的振动，产生噪声；三是由于液压 油中溶解部分空气，在液压系统中，如果某点的压力低于液压油所在温度下的空气分离 压时，原先溶解在油液中的空气就会分离出来，在液体中产生大量气泡，使得液流的流 动特性变坏，造成压力和流量的不稳定，当带有气泡的油液进入高压区时，周围的高压 使气泡迅速崩溃，局部产生压力冲击，引起振动和噪声；四是由于机械原因，运动副之 间的摩擦、联轴器偏斜等产生振动、激发噪声瞄芦j 。 轴向柱塞泵的主要噪声源是泵中产生的流体噪声，因此减小流体噪声已经成为了轴 向柱塞泵降噪研究的重要方向。轴向柱塞泵产生流体噪声的原因主要有两个方面：一是 本身固有的流量脉动，二是配流过程中产生的压力冲击。流量脉动是公认的轴向柱塞泵 流体噪声的主要成因之一，而且流量脉动是轴向柱塞泵的固有特性，这是由轴向柱塞泵 自身的结构所决定的，因此流量脉动不能消除，只能尽量减小。轴向柱塞泵的流量脉动 引起系统中的压力脉动，使管道振动，产生流体噪声。同时流体噪声与柱塞腔内的压力 急剧变化也有密切关系，柱塞转过配流盘上的吸油窗口而进入压油窗i z l 时，压油窗口内 太原理工大学硕士研究生学位论文 的高压油瞬时压入充满低压油的柱塞腔，产生高压回流现象；而柱塞从压油窗口向吸油 窗口转换时，柱塞处于困油区，与吸压油窗口都不接通，此时柱塞会有微小的轴向位移， 使柱塞腔内的压力升高，所以必须对泵配流过程中柱塞腔内的压力瞬变过程深入研究。 对于轴向柱塞泵在配流过程中产生噪声、油液冲击及气穴等现象，国内外对此进行了很 多的探索和研究。 德国亚深工大( t u a a c h e n ) 的i f a s 研究所主要对柱塞泵的机械噪声、流量脉动以及 噪声传播的测试进行了研究。该研究所对柱塞泵外壳进行测绘和仿真，通过优化壳体的 结构来实现对柱塞泵机械噪声的控制【1 0 1 。对于柱塞泵的流量脉动情况，该小组在仿真软 件d s h p l u s 环境下搭建了包括机械、液压和摩擦三个模块的完整轴向柱塞泵的仿真模 型，其中机械模块对轴向柱塞泵的运动和动力学进行仿真，液压模块分析泵内的压力分 布和流量变化，摩擦模块对泵的三个主要摩擦副进行分析【1 1 1 3 1 。另外他们对九柱塞的轴 向柱塞泵的脉动情况进行了d s h p l u s 与a d a m s 的联合建模仿真，模型中考虑流体可 压缩性。 英国巴斯大学的k a e d g e 教授等人对柱塞泵柱塞腔内的压力变化进行了大量实测 研究 1 4 , 1 5 】，研究表明增大三角槽的坡度可以很好的降低柱塞腔内的压力超调量。在数学 模型方面，他们认为以前用节流孔简单的压力流量公式对泵柱塞腔内瞬变压力建模很不 精确，并对此模型进行了优化，模型中除了考虑油液压缩性、泄漏及阻尼槽的节流作用， 还考虑了阻尼槽中流体惯性项的影响。同时对轴向柱塞泵的振动和噪声控制，他们也进 行了深入的研究。通过仿真，分析了三角阻尼槽对泵压力变化和噪声控制的影响，并对 此进行了试验验证【1 6 】。 瑞典林雪平大学的j o p a l m b e r g 教授等人对柱塞泵的振动和噪声控制也进行了研 究，提出了两种配流盘结构来降低泵的噪声：一是在原配流盘的吸油槽和压油槽之间增 加一个预压缩容积，减小柱塞与压油区接通时柱塞腔内的流量反冲，从而降低柱塞腔内 的压力冲击和泵的流量脉动【1 7 1 ，派克将这种结构的配流盘已经应用于自己的柱塞泵；二 是在配流盘的死点过渡区设置单向阀的降噪方法【1 8 】，可以减小在配流过程中柱塞腔内流 量倒灌引起的流量脉动和冲击。 从九十年代末开始，美国哥伦比亚大学的n d m a n i n g 教授与卡特彼勒、派克、费 斯托等多家公司合作，研究柱塞泵的噪声，对柱塞泵的流量脉动进行建模分析【1 9 ，2 0 1 ，模 型将柱塞泵的工作过程分为两种情况：柱塞腔位于过渡区和柱塞腔与配流盘腰形槽接通 后，模型得到细化，同时结合泵的受力、变量及效率等问题对泵进行了综合分析，但是 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型中没有考虑泄漏和油液惯性项影响。 日本神奈川大学小岛英- - ( e k o j i m a ) 实验室对于液压元件的噪声控制进行了多方面 的探索【2 1 2 2 】。他们对纯水液压元件特别是液压阀的气蚀进行了研究。对泵噪声的研究主 要是针对泵出口流量脉动并建立了数学模型，在数学模型中主要考虑了油液的可压缩 性、泄漏因素以及阻尼槽的节流作用，但是没有考虑油液惯性项的影响。 对轴向柱塞泵的噪声及振动问题，国内的众多学者也做了多方面的研究工作。 从九十年代开始，甘肃工业大学的那成烈教授等人对轴向柱塞泵噪声控制做了多方 面的研究 2 3 - 2 5 】。他们建立了柱塞腔内压力特性的数学模型，而且模型考虑了泵斜盘的 偏角。模型主要考虑油液压缩性，通过仿真分析，轴向柱塞泵的实际流量与理想状态相 差很多，与泵的奇偶柱塞数无关。同时对三角阻尼槽和阻尼孔也进行了深入的研究，对 两种阻尼结构的过流面积进行了准确的推导。近年来他们对柱塞泵配流过程中的气穴现 象进行了研究，分析了气穴产生的原因，并据此优化了配流盘的结构，提出了孔槽结合 的新型减振结构，从而达到降低噪声的目的。 同在九十年代，上海交通大学的陈兆能教授等人对轴向柱塞泵的噪声控制进行了研 究，他们对轴向柱塞泵的配流过程进行了数学建模，并且通过理论分析优化配流结构。 通过数学模型分别分析了阻尼孔和三角阻尼槽两种减震结构对配流噪声的影响，通过实 验测试，对两种阻尼结构进行了比较，并且对两种阻尼结构在降低噪声方面的原理和特 点进行了阐述。通过理论与试验分析对比，采用三角阻尼槽结构来减小柱塞腔内的压力 冲击要好于阻尼孔结构。在此基础上，探索了轴向柱塞泵流体噪声的测试方法，在高压 高速状态下，利用微型压力传感器和加速度传感器，对柱塞腔内压力动态变化及斜盘振 动进行了测试，同时对泵出口进行了压力流量脉动的测试【2 啦7 | 。 同一时期，淮南工业学院的许贤良教授等人对轴向柱塞泵流量脉动进行了研究1 2 引， 他们对泵出口的流量脉动进行了数学建模和试验分析，在数学模型中考虑油液的可压缩 性、泄漏以及阻尼槽的节流作用，但是模型中没有考虑油液惯性项的影响。他们通过数 学模型分别对奇数柱塞和偶数柱塞的轴向柱塞泵的流量脉动进行了分析，并且搭建试验 台对泵出油口的压力脉动进行测试。 近年来，浙江大学主要是对水压柱塞泵进行了研爿2 9 。3 1 】。他们将轴向柱塞泵配流盘 上的阻尼槽映射到滑阀上，分析阻尼槽的气穴噪声特性。主要对v 形槽和u 形槽两种 常见的阻尼槽进行了压力分布测量、流场仿真及噪声信号测量，分析了阻尼槽结构、压 力分布和噪声之间的内在规律。他们的理论为轴向柱塞泵的研究提供了新的思路，但是 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于模型简化，所以理论研究与实际情况还存在着一定的差异。 北京航空航天大学的王占林、焦宗夏等人也对轴向柱塞泵的噪声进行了理论模型分 析【3 2 】，模型中考虑油液的可压缩性、泄漏因素和阻尼槽的节流作用，重点对泄漏的影响 进行了分析。他们利用m a t l a b 和d s i - i p l u s 等仿真软件对不同工况的泵源脉动情况也 进行了仿真分析。 燕山大学闻德生教授等人近年来一直从事轴向柱塞泵的研究工作。他应用双端面配 油原理，设计了双端面进油、单面排油配油的轴向柱塞泵，同时对其噪声控制进行了研 究。主要分析了配油窗口面积大小对流量噪声关系的影响，以及闭死容积因素对噪声的 影响【3 3 3 5 1 。 太原理工大学的权龙教授等人对于轴向柱塞泵的压力流量脉动及噪声也进行了研 究【3 6 - 3 s ，他们对轴向柱塞泵的脉动特性进行了建模分析，对于泵控非对称液压缸提出了 新的配流方案，在仿真软件中搭建了完整的新配流泵的模型，通过仿真分析和试验对比 得出了合理的配流结构，新配流结构泵的压力流量脉动及噪声达到与现有泵一样的水 平。 综上所述，国内外的研究机构和研究人员对于轴向柱塞泵流体噪声的理论研究，主 要从柱塞泵柱塞腔内的压力冲击、气穴以及泵出口流量脉动等方面开展，对于柱塞腔内 的压力冲击和泵出口的流量脉动进行数学建模，其中的主要影响因素有油液可压缩性、 阻尼槽的节流效应、泵内的缝隙泄漏、油液惯性项以及气穴等，并且通过仿真和实验进 行验证。 1 3 计算机仿真技术简介 近年来计算机进入了高速发展阶段，计算机的硬件设施不断的提高，处理器的运算 能力也越来越强，这为计算机仿真提供了很好的平台。随着计算机仿真技术的日益成熟， 科研人员也相应的开发出来了很多的辅助软件，这又反过来促进计算机仿真技术的进一 步发展，对计算机仿真技术在工业领域的发展提供了良好的平台。 在计算机上利用各种软件来模拟实际环境而进行科学实验的技术称之为计算机仿 真技术，其特点是经济、可靠、灵活及可多次重复等。数学理论是计算机仿真技术的基 础，在计算机上搭建出实际或是设想的系统，然后对它进行仿真研究，该技术已经成为 对系统进行分析、设计的一个重要工具。 太原理工大学硕士研究生学位论文 一般的计算机仿真技术主要由以下三方面组成：一是建立系统的数学模型。建立数 学模型时通常要考虑研究对象自身的特性及仿真研究时所达到的预定目标。二是系统数 学模型的实现。数学模型的实现主要包括设计仿真算法和编译仿真程序，由于现在的仿 真软件的能力越来越强大，使用仿真软件已经能基本实现第二步，但是必要时也需要科 研人员进行自己设计算法或编译程序。第三步是仿真实验，这是我们利用计算机仿真使 得实际的或是设想的实验方案得出一系列的仿真结果【3 9 1 。 目前计算机仿真技术的应用领域极为广泛，如军事、航空航天、工业制造、医学、 经济等等。随着产品复杂程度的增加，产品的开发难度也相应增大，成本相应提高，企 业为了产品更好更快的上市，已经将计算机仿真技术大量应用。现在市场上有很多实现 复杂产品开发的商用仿真软件，s i m u l a t i o n x 就是其中一款。该软件可以进行多学科交 叉建模、仿真和分析。在s i m u l a t i o n x 平台上实现不同领域的建模。与其他的仿真软件 相比，s i m u l a t i o n x 的最大特点是采用变步长的计算方式，使得仿真结果更加的准确。 1 4 论文的主要研究内容 课题来源于国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 1 5 6 ) ，主要对轴向柱塞泵的降噪及合理改造进 行了研究。本论文主要的研究内容如下： 1 、总结了轴向柱塞泵噪声的研究状况，在此基础上对轴向柱塞泵的流体噪声分析及 研究方法进行归纳。利用多学科的设计分析软件s i m u l a t i o n x 搭建轴向柱塞泵的完整模 型。 2 、通过数字仿真，对普通两口轴向柱塞泵配流过程中的压力流量特性进行分析； 并讨论了配流盘的结构和柱塞数目对柱塞腔内的压力流量和泵出口压力流量变化的影 响。 3 、根据课题组提出的新配流原理，设计了两种类型的双排油口轴向柱塞泵：一是 串联型双排油i s l 轴向柱塞泵，具有三个配流窗口；二是并联型双排油口轴向柱塞泵，具 有两种形式：三个配流窗口和四配流窗口。通过数字仿真研究了两种类型的双排油口泵 的压力和流量脉动水平，得出新型轴向柱塞泵的结构参数，使得双排油口泵的压力流量 脉动水平与现有普通两配流e l 泵相当。 4 、对于串联型双排油e l 轴向柱塞泵，比较不同柱塞数目时泵出v i 的压力流量情况。 并且比较了串联型和并联型双排油口轴向柱塞泵的压力流量脉动和应用范围。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章两口轴向柱塞泵建模及仿真分析 2 1 仿真软件s i m u l a t i o n x 简介 s i m u l a t i o n x 是德国i t i 公司开发的一款在多学科领域建模、仿真和分析的通用c a e 工具。软件自身功能强大，同时又可以和其他软件接i s l ，所以用户可以在s i m u l a t i o n x 平台上实现不同领域的建模。它在其核心应用领域：所有工业行业中的传动及控制技术， 如流体传动、机电传动和电磁驱动等，有超过2 0 年的建模与仿真经验。如图2 1 所示， s i m u l a t i o n x 已经广泛应用到了汽车、工程机械、流体技术、精密仪器等众多领域中。 猷l 鞭 图2 一ls i m u l a t i o n x 的压用领域 f i g 2 1a p p l i c a t i o n so ft h es i m u l a t i o n x s i m u l a t i o n x 的建模方式基于物理模型，它将物理模型基元化、图形化，这样用户 可以不用建立物理系统的数学模型，主要针对物理系统本身进行设计。物理模型图形化 使得工程技术人员在软件平台上将所设计的系统直观的表达出来。物理模型基元化是指 把物理系统分解为工程系统的各种最小要素，用户使用这些最小要素来搭建起来复杂的 物理模型，最大程度的将物理系统的结构及组成部件描述出来。 s i m u l a t i o n x 统一了不同层次的建模理念，用户在s i m u l a t i o n x 中可以采用面向信号 的建模、面向物理对象的建模及基于方程和算法的建模三种不同的方式来搭建模型。一 方面，使用软件提供的学科库中经过验证的标准元件，可以快速有效的创建模型；另一 太原理工大学硕士研究生学位论文 方面，有经验的用户可以使用开放的二次开发平台t y p e d e s i g n e r 自由创建自定义元件。 面向对象的建模语言m o d e l i c a 提高了二次开发的效率和安全。m o d e l i c a 语言为建模人 员提供了较高的自由度来描述系统和过程。 s i m u l a t i o n x 建模的突出特点：所有的复杂工程系统模型仿真都可在一个环境中完 成，更有效地通过向量、矩阵、参考特性曲线、二维和三维查表赋值，模型可以通过显 式或隐显式的代数方程组和微分方程来描述，用户可以编写c 代码通过外部函数接口集 成到s i m u l a t i o n x 。 s i m u l a t i o n x 的主要特点： ( 1 ) s i m u l a t i o n x 平台上可以进行单学科系统的建模与仿真，也可以进行多学科系统 的建模，如机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域。 ( 2 ) s i m u l a t i o n x 中具有三种建模方法：通过信号建模、通过物理基元建模和通过方 程及算法建模，用户可以只使用一种建模方式，也可以综合使用这三种建模方式。 ( 3 ) s i m u l a t i o n x 中用户可以通过二次开发平台t y p e d e s i g n e r 来自由创建自定义元 件，从而满足工程中大量非标元件的需求。 ( 4 ) s i m u l a t i o n x 可以与多种软件进行连接，主要有m a t l a b s i m u l i n k 、a d a m s 、 s i m p a c k 、m s c n a s t r a n 、d s p a c e 、p r o s y s r t 、e x c e l 等，满足专业人员更多、更精确的 功能需要。 2 2 轴向柱塞泵的工作原理 液压泵是液压系统的动力源，它由电动机、柴油机等驱动，将输入的机械能( 转矩 丁和角速度) 转换为压力能( 压力p 和流量g ) 输出，为执行系统提供压力油。液压 泵的性能好坏直接影响液压系统的工作性能和可靠性。轴向柱塞泵具有高压力、大流量、 高效率、低噪声、寿命长等优点，因此在中高压系统得到了广泛的应用。 如图2 2 所示，轴向柱塞泵主要由传动轴1 、斜盘2 、回程盘3 、缸体4 、配流盘5 、 滑靴6 、柱塞7 等零件组成。传动轴与缸体为花键连接，驱动缸体旋转。缸体上均布九 个柱塞孔，柱塞安装在柱塞孔中。在每个柱塞头部有一个滑靴，回程盘将滑靴压紧在与 轴线成某一夹角的斜盘上，并且使缸体紧压在配流盘上。传动轴带着缸体旋转时，柱塞 跟随缸体旋转，同时又在缸体内做往复直线运动。配流盘上的两个腰形槽分别和泵的吸 油口和压油口相通。缸体按图示箭头方向旋转，柱塞从上死点开始运动，在斜盘作用下， 太原理工大学硕士研究生学位论文 柱塞逐渐进入缸体柱塞腔内，柱塞运动到下死点时，柱塞不再深入缸体内。柱塞从上死 点运动到下死点的过程中，柱塞腔内的密闭容积一直减小，柱塞腔内的油液就从配流盘 的压油腰形槽进入泵的压油口；同样的，当柱塞从下死点运动到上死点的过程中，在斜 盘作用下柱塞不断地伸出，柱塞腔内的密闭容积一直增大，此时柱塞腔内产生真空，在 大气压的作用下，油液从泵的吸油口进入并经配流盘的吸油腰形槽吸入柱塞腔中，柱塞 腔中的油液在压油行程中再从柱塞腔中排出。随着缸体的转动，柱塞在缸体内做周期性 的往复运动，柱塞不断地完成吸、压油动作。 乙 上死点 杉； 猕笏 & 拶 。 、 - g 研占 图2 - 2 斜盘式轴向柱塞泵工作原理 f i g 2 - 2t h ep r i n c i p l eo fs w a s h p l a t ea x i a lp i s t o np u m p 2 3 轴向柱塞泵的建模 区 轴向柱塞泵在工作时，充满低压油的柱塞从吸油窗口运动到压油窗口的瞬间，压油 窗口的高压油瞬时倒灌进柱塞腔，柱塞腔中产生流量倒灌。由于柱塞不断的转动，柱塞 腔内的压力逐渐升高，腔内的压力与压油口压力一致时，柱塞开始进入压油工况。柱塞 腔与压油窗口接通时，由于油液的惯性和配流窗口的阻尼作用，压油开始时的阻力很大， 柱塞腔内的压力超过排油压力，形成压力正超调；当柱塞从压油窗口运动到吸油窗口的 瞬间，柱塞腔内高压油与低压油口接通释放压力，形成压力负超调。这种周期性的压力 流量变化使得柱塞腔内流体产生周期性的脉动，激发流体噪声。 轴向柱塞泵的流量脉动和压力冲击是产生流体噪声的两个主要因素，也是关系到泵 能否实际应用的关键所在。在制造样机前，首先在多学科综合仿真软件s i m u l a t i o n x 环 境下，建立以单柱塞吸排油过程为单元的泵输出特性仿真模型，对泵的流量脉动、压力 太原理工大学硕士研究生学位论文 冲击进行预测分析。 2 3 1 柱塞的运动模型 柱塞运动会影响轴向柱塞泵的压力流量方程，所以对泵建模时就要建立精确的柱塞 运动模型。柱塞泵缸体有两种形状，分别是柱形缸体和锥形缸体，柱形缸体中柱塞和泵 主轴平行而锥形缸体中柱塞和泵主轴存在夹角。柱塞泵中不同形状的缸体对应的柱塞运 动方程也不同，本文对此进行了详细的推导。 1 ) 柱形缸体 如图2 - 3 所示，柱形缸体的柱塞运动结构尺寸，其中n 为斜盘偏角，r 为缸体柱塞 孔的分布圆半径，够为缸体的转角。 柱塞轴向行程s = a b c d 由图中的几何关系可得a b = r t a n c t ，c d = r t a n c r ，r ：r c o s q ， 所以柱塞轴向位移方程s = ( 1 一c o s 缈) r t a n t z ( 2 1 ) 柱塞运行速度y = 妄= r m s i n 缈t a n 口 ( 2 2 ) 磷彤勉 鼢 a t lr _ 1 2 少匕息 | 露= =| 厂?。、少，l、：髟勉明 淞 r n 多币l 终镪。影、 匹 毋j 弋_ l 碍盘 | i | 1 下死点 、一 | 图2 3 柱形缸体的柱塞运动分析 f i g 2 - 3t h em o t i o na n a l y s i so fc y l i n d r i c a lc y l i n d e rp l u n g e r 2 ) 锥形缸体 图2 4 是锥形缸体柱塞运动的结构关系图，图2 4 a 是柱塞转过妒时的主视图和侧视 图，图2 - 4 a 中的点划线是斜盘倾角为0 时的柱塞运动的圆轨迹，实线是斜盘转过a 角 时的柱塞运动的椭圆轨迹，t d p 为上死点，b d p 为下死点，r 是斜盘倾角为o 时柱塞运 动轨迹的半径，卢为柱塞轴线与缸体轴线的夹角。图2 4 b 所示是柱塞转过妒时柱塞的位 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 置。 厂 三t d p t d 口p y 。7末湛 ，仔 傲 二、v 时迤 x墨沁x n x | l 刃 a 、 ，； r b d p 7j ( b ) 图2 - 4 锥形缸体柱塞运动结构 f i g 2 - 4t h em o t i o na n a l y s i so f t a p e r e dc y l i n d e rp l u n g e r 在图2 - 4 ( a ) 中，柱塞运动到上死点，在x y 平面上三角形t d p o - n 中角t d p o - n 就是斜盘倾角n ，当缸体带着柱塞转过角度9 时，三角形t d p 0 n 就变成三角形p - o p ， 如图2 - 4 ( b ) 所示此时斜盘相对柱塞而言实际的倾角为口，图2 - 4 ( b ) 中d ：r r + ) t a n c r ， 在图2 - 4 ( a ) 中d = o e t m g ，o e = ( r + 1 ) c o s q ，由此可得：t a n t z ：t a l l 口c o s 矽。 柱塞转过妒角，其相对缸体的位移为x i ，在图2 4 ( b ) 中的三角形p - o p 中由正弦 得：志3 再r 荔一矧一 r c o s 缈t a n a c o s , 8 一c o s c t a n a s i n f l 。 设柱塞的起始位置为上死点，那么柱塞在上死点时转角伊为0 ，在运动到下死点时 柱塞转角为7 【，以下死点的柱塞位置为柱塞位移的参考点，那么柱塞位移的表达式为： 太原理工大学硕士研究生学位论文 s = 而一玉( 缈= 万) ：墨竺! 翌! 翌竺 + 墨! 竺竺 c o s f l c o s f o t a n a s i n f lc o s p + t a n a s i n f l 将( 2 - 3 ) 式可以简化为：归k 2 c o s c o s 9 0 + 面l 其中白咖粥i n ，如= 筹 柱塞运行速度y = 粤= 磊i 币- 二r r 磊os 面i n 忑f o 五t a n 五a d t 磊两 c o s n c o s 够t a l l 口t a n ) 2 3 2 配流面积模型 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 轴向柱塞泵工作时，缸体带动柱塞转动，柱塞腔会逐渐与配流盘上的吸、压配流窗 口连通，吸入和排出柱塞腔的油液流量为： q 。= c d 么( 缈)f g n ( p ：一p p ) ( 2 6 ) 式中，c 广流量系数，广柱塞转过角度，彳( 伊) 一配流面积，p z _ 柱塞腔内压力， p 。_ - 与柱塞腔连通的泵油口压力。 单柱塞的配流面积是指柱塞腔底部窗口与配流盘配流窗口相互重叠的部分。随着缸 体的转动，柱塞腔底部窗口与配流盘配流窗口相互重叠的位置不同，因此单柱塞配流面 积的形状不同，柱塞运动到各位置时，计算该处配流面积的公式也不同。建立单柱塞模 型时，配流面积用节流口的节流面积实现，节流口的开启面积用下面推导的面积公式来 描述。 在轴向柱塞泵的配流盘上，吸压油窗口采用腰形槽的形状，吸压油窗口的包角可能 相同也可能不相同，但是吸压油窗口的配流面积计算方法相同。假设柱塞从下死点开始 运动，柱塞先通过吸油窗口向柱塞腔内吸油，柱塞转过1 8 0 0 后到达上死点，这时开始准 备压油，则压油窗口滞后吸油窗口7 【的相位。如图2 5 所示，根据柱塞腔底部窗口与配 流盘配流窗口相互重叠的位置，单柱塞的配流面积可以分成六个阶段。 太原理工大学硕士研究生学位论文 a ) 进入三角槽b ) 面积弓形增大 c ) 面积线性增大 d ) 面积最大e ) 面积线性减小0 面积弓形减小 图2 5 配流面积划分 f i g 2 - 5t h ed i v i d eo ft h ef l o wp r o c e d u r eo ft h ep l a t ev a l v e a ) 柱塞腔与三角形阻尼槽连通 本文研究的轴向柱塞泵的配流盘采用三角形阻尼槽。由三角形阻尼槽的结构可知它 的过流面积一直在变化，但是过流面积变化具有规律。三角形阻尼槽加工工艺简单，高 压状态下具有很好的缓冲能力，所以其应用广泛。 一般情况下计算三角槽过流面积用如图2 - 6 所示的d e f 的面积，但是采用d e f 的面积作为过流面积并不是最小的阻尼槽过流面积，工程上做为流道流量计算的过流面 积的特点是面积最小，并且过流面积与流线垂直【4 0 】。计算过流面积应该采用ad e g 的面 太原理工大学硕士研究生学位论文 积，a d e g 所在平面与棱线o b 垂直。 o 图2 - 6 三角槽结构 f i g 2 - 6t h es 仃u c t u r eo ft r i a n g l eg r o o v e 根据图中的几何关系，a d e f 的面积为s a d 。f = 如乃，而乃= o h t a n o , 。又知 如：2 幽t a n 幺t a i l 鲁，因此f ：。 2 t a n 2 儡t a i l 譬。假设d e f 与d e g 之间的夹角 为丫，a d e g 的面积为s a d e g = 寺如坛。 根据图中几何关系可以得到蛔= 石五i o h i i t a n i o = t 面。 将d e 矛1 h g 入得d e g 的面积公式为：又d c g 。石o h 忑f t a n 五焉。 2 2 岔t a i l 垒 o h 2 t a n 2a t a l l 兰 为使d e g 的面积最小，那么叉d c g2 石忑f 五万干鬲芳中分母当最大，分母对丫求 导，并令其为零可得：当厂= 岛时，面积具有最小值，s s 砌= o h 2 t a n o l s i n o l t a n 詈。 三角槽在配流盘表面上分度圆半径为r ，贝j jo h = r ( o ，因此过流面积为： s = ( 尺纠2 t a n o l s i n o l t a n 2 ， 兰- ： ( 2 7 ) b ) 配流面积弓形增大 柱塞腔底部窗1 ：3 开始与配流盘腰形槽的半圆边导通，二者形成弓形窗i = 1 ，配流面积 a 2 ( p ) 为弓形面积s i 与三角槽最大的截面积之和。 a 2 ( 缈) = a l ( 仍。) + s w - - - a l ( 仍。) + 2 ( r 2c o s - 1 ( 1 一r ( 妒2 - p l 。) ( 2 r