基于AMESim的液压柱塞泵的数字建模与流量脉动分析

1、煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.31No.01 Jan.2010第31卷第01期2010年01月0引言斜盘式轴向柱塞泵的结构紧凑,体积小,重量轻,变量机构简单,惯性小,具有较高的容积效率和总效率,能在较高的转速和压力下工作,故较适用于移动设备与自动控制系统,如起重运输机械、矿山机械,机床与锻压冶金机械的液压系统中。但是由于其结构等原因,柱塞泵存在周期性流量脉动,由于管路及负载阻抗的影响,流量脉动必然引起压力脉动,当压力脉动的频率与管路系统的固有频率相等或相近时,就容易发生谐振而使管路系统发生疲劳破坏,严重时会导致重大事故的发生。轴向柱塞泵的流量和压力脉动较大,其作为液压

2、系统的源头,产生的流量和压力脉动不但对自身性能和寿命产生影响,产生大量的噪声,而且通过流体和管道传到下级元件,从而影响整个系统的性能和寿命,其输出流量脉动大已成为它的一个主要缺点。因此,减小轴向柱塞泵运行过程中的流量脉动对降低压力冲击和噪声有着十分重要的意义。目前,大量研究主要集中在对配流盘的结构采取措施来降低流量脉动,并已取得一定成绩。文献5、6中,在吸油腔到排油腔段安装了2个单向阀;文献7介绍了一种泵缸体带弹性环的结构形式。本文通过一种新的降噪结构形式,即在每个柱塞腔内添加蓄能器来降低流量脉动,并采用一种新型的工程仿真软件AMESim对斜盘式轴向柱塞泵的运行过程进行动态仿真,模拟被控对象的

3、真实建模环境,为改进斜盘式轴向柱塞泵的结构和性能提供依据。1斜盘轴向轴塞泵的运动学分析斜盘式轴向柱塞泵的典型结构如图1所示。图1恒压变量泵主体结构1.传动轴2.法兰盘3.泵体4.泵壳5.回程盘6.变量头7.恒压阀8.弹簧9.刻度盘10.变量活塞11.变量壳体12.下法兰13.滑靴14.柱塞15.缸体16.配油盘17.骨架油封斜盘式圆柱形缸体的柱塞泵主要包括2种主运动:主轴带动缸体、柱塞和滑靴一起做绕主轴中心的旋转运动;柱塞在缸体的柱塞腔内做往复基于AMESim的液压柱塞泵的数字建模与流量脉动分析*张大斌1,苏明1,2,鄢吉多3,于丽娅1(1.贵州大学机械工程学院,贵阳550003;2.贵州省机

4、电研究设计院,贵阳550003;3.贵阳学院,贵阳550003摘要:利用AMESim仿真软件对恒压力轴向柱塞泵进行了建模与仿真。建立了轴向柱塞泵的运动方程、流量方程和仿真模型,在柱塞腔内设计了蓄能器,着重对在柱塞腔内有蓄能器和无蓄能器两种模型进行了相应的仿真对比分析。结果表明在柱塞腔内增设蓄能器后,流量脉动得到降低。关键词:数字建模;斜盘轴向柱塞泵;仿真;AMESim;流量脉动中图分类号:TH322文献标志码:A文章编号:1003-0794(201001-0100-03 Digital Modeling of Hydraulic Axial Piston Pump and its Flux P

5、ulsationAnalysis Basing on AMESimZHANG Da-bin1,SU Ming1,2,YAN Ji-duo3,YU Li-ya1(1.School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang550003,China;2.Guizhou ElectromechanicalResearch and Design Institute,Guiyang550003,China;3.Guiyang Institute,Guiyang550003,China Abstract:A hydraulic system s

6、imulation model of constant press axial piston pump was established in AMESim.Movement function,flux function and simulation model of axial pump were created.An accumulator was designed into piston pump hole。The analysis emphasis was simulation analysis to the two kinds of hydraulic system model,one

7、 of which has accumulators.To compare the result of simulation, it can be found that the flow pulsation of the amplitude may be reduced to certain extent after setting accumulators.Key words:digital modeling;swash plate axial piston pump;simulation;AMESim;flow pulsation*贵州省自然科学基金资助项目(200820381234567

8、891011121314151617100运动,该运动实现了柱塞泵吸油和排油2个重要的动作。主旋转运动的转速主要取决于驱动的转速,通常情况下采用电机驱动下的主轴旋转是一个匀速转动,因此应重点对圆柱柱塞的往复运动进行分析。如图2所示。图2圆柱柱塞运动关系图柱塞从转动的上死点位置I 绕主轴旋转到位置II ,柱塞球头中心的运动轨迹为左侧轨迹线OAB ,由于柱塞轴向的行程不同该轨迹线实际上为椭圆形,该轨迹线在xy 平面上的投影轨迹线为O A B ,该投影轨迹线则是以主轴中心为圆心,以柱塞中心线到轴线的距离R 为半径的。由图可得柱塞相对缸体的轴向位移s =R tan (1-cos (1式中斜盘倾角;缸体

9、转角。对式(1求导可以得到柱塞相对于缸体的直线运动速度v=R tan sin +·sec 2(1-cos (2式中缸体转动角速度;·斜盘相对于其转轴的转动角速度。单个柱塞的瞬时流量Q t =R 2tan sin +·sec 2(1-cos (3则可得整个轴向柱塞泵的瞬时流量Q t =R20.5(z ±1-1i =0式中z 柱塞个数。由式(4可知,柱塞泵的瞬时流量是缸体转角和斜盘倾角的函数,即柱塞泵的流量是脉动的。流量脉动的评价通常采用脉动系数表示,有=Q max -Q min12(Q max +Q min×100%(5式中Q max 、Q mi

10、n 最大和最小流量。的大小反应流量脉动的程度。2柱塞泵模型的建立2.1柱塞泵运动方程模型的建立根据式(2,在AME S im 中建立的柱塞运动模型如图3所示。图中,输入为缸体转动角速度和斜盘角速度,输出为柱塞的线速度v ,k 为柱塞泵的分度圆半径R ,x 为斜盘倾角。函数1为f 1(x ,y =sec 2x (1-cos y 函数2为f 2(x ,y =tan x sin y速度转换器将输入信号根据函数转化成线速度的形式。机械连接器将输入的2个线速度求和,输出为柱塞的线速度。图3柱塞运动方程模型2.2柱塞泵模型及其封装(1柱塞内安装蓄能器在柱塞高速旋转过程中,在2z (z 为柱塞数个周期内总有

11、一个泵处于过渡区,由于泵腔内压力的变化要产生倒灌流量,引起配流盘上瞬时流量的变化。倒灌流量引起的流量脉动往往比柱塞泵几何流量脉动大。因此,为了减少泵出口流量脉动和倒灌流量,在柱塞腔内安装上蓄能器,如图4所示。当柱塞从吸油区过渡到排油区时,柱塞腔瞬间吸入来自高压区的高压油产生脉动。而在柱塞孔内安装蓄能器后,蓄能器瞬间吸入来自高压区的高压油脉动,从而抑制了振动和噪声的产生;同理,当柱塞从排油区过渡到吸油区时,蓄能器释放出高压油来抑制负压产生的振动和噪声。图4带蓄能器的柱塞结构示意图1.柱塞2.蓄能器(2柱塞泵方程模型及其封装对单柱塞泵建立模型,为使建立的模型得以简化,把所建立的柱塞和配油盘模型进行

12、封装,做成超级元件,其封装如图5所示。(a 无蓄能器的单个柱塞的模型及其封装(b 带蓄能器的单个柱塞的模型及其封装图5单个柱塞模型及其封装(4tan sin (+i 2z+·sec 21-cos (+i 2 x ykf (x,y f (x,y kxy 12Bz oOA xyy AC y OC B OP R R Ay x p位置位置C C A B 101图6为构建的5柱塞泵模型。图6AMESim 构建的柱塞泵模型3仿真分析3.1参数设置以某型液压泵为例,一般工作情况下仿真参数如下:柱塞直径/mm 10柱塞个数5液压排油口压力/MPa 20斜盘倾角/(°012.5黏性摩擦力/N

13、 5电机转速/r ·min -11000斜盘转动惯量/kg ·m -40.4柱塞直径间隙/mm 0.005控制阀阀芯质量/kg 0.01弹簧设定压力/MP a 15随动活塞直径/mm 12油箱中初始压力/MPa 0.2弹簧刚度/N ·mm -113.2仿真曲线为了测试所建立的斜盘变量柱塞泵的流量特性,分别设定斜盘倾角为0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°运行仿真,得到不同斜盘倾角下泵的出口流量的仿真曲线,如图7所示。时间/s 时间/s(a 无蓄能器柱塞的流量脉动(b 带蓄能器柱塞的流量脉动图

14、7不同斜盘倾角下泵的出口流量与时间关系图1.0°2.2.5°3.5°4.7.5°5.10°6.12.5°3.3仿真特性曲线分析根据仿真结果可计算出不同斜盘倾角下未安装蓄能器的柱塞流量脉动率和安装了蓄能器的柱塞流量脉动率,如表1所示。表1斜盘式柱塞泵模型仿真结果通过图7和表1可以看出:(1斜盘轴向柱塞泵存在流量脉动;(2输出流量与斜盘倾角大小成正比;(3负载压力和转速相同时,斜盘倾角越大,流量脉动越大,流量脉动率也越大。(4在转速相同的情况下,流量平均值基本上是恒定的;(5泵每转动一周就发生2z 次流量脉动。表明对同一柱塞而言,无论吸水

15、过程还是压水过程都会发生流量脉动;(6当泵流量增大时,流量脉动增大,压力脉动也随之增大。(7通过在柱塞腔内添加蓄能器后,在输入参数相同的情况下,流量脉动得到一定程度的改善。4结语通常在设计或改进斜盘式轴向柱塞泵时应考虑流量脉动的影响,尤其是在大流量或负载为高压时,通过在柱塞腔内增设蓄能器,能够改善轴向柱塞的流量和压力特性,降低由此引起的流体噪声和振颤。参考文献:1李剑锋.轴向柱塞泵压力脉动测试成功J .煤矿机械,2003,24(2:46.2张健.矿用斜轴泵振动特性的研究J .煤矿机械,1999,20(8:21-23.3李树立,焦宗夏.液压流体脉动主动控制研究现状与展望J .机床与液压,2006

16、(9:243-246.4Jiao Z,Chen P.,Hua Q.,et al.Adaptive Vibration Active Control of Fluid Pressure Pulsations J .Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I Journal of Systems and Control Engineering,2003,217(4:311-318.5KAHarrison,K A.Edge Reduction of Axial P iston P ump Pressure Rip -pl

17、e J .Journal of System and Control Engineering,2000,214(1:53-63.6Pettersson M,Weddflet K,Palmberg J -Q.Methods of Reducong Flow Ripple from Fluid Power Piston Pumps A Theoretical Ap -proach J .S A E (Society of Automotive EngineersTransactions,1991,100(2:158-167.7Becher D,Helduser S.Innovative Pump

18、Design to Reduce Pressure Pulsations of Axial Piston Pumps J .Workshop on Power Transmission and Motion Control,Bath,England,2000,231(4:232-234.8王占森.AMESIM 系统建模和仿真从入门到精通M .北京:北京航空航天大学出版社,2005.9林建亚,何存兴.液压元件M .北京:机械工业出版社,1988.作者简介:张大斌(1976-,贵州贵阳人,讲师,博士生,毕业于四川大学机电传动及控制专业。现主要从事机电工程及液压传动技术的研究,电子信箱:dabinzhang.责任编辑:于秀文收稿日期:2009-08-26Angle /(°无蓄能器柱塞的流量脉动率带蓄能器柱塞的