1、煤礦機(jī)械Coal Mine Machinery Vol.31No.01 Jan.2010第31卷第01期2010年01月0引言斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,重量輕,變量機(jī)構(gòu)簡單,慣性小,具有較高的容積效率和總效率,能在較高的轉(zhuǎn)速和壓力下工作,故較適用于移動設(shè)備與自動控制系統(tǒng),如起重運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械,機(jī)床與鍛壓冶金機(jī)械的液壓系統(tǒng)中。但是由于其結(jié)構(gòu)等原因,柱塞泵存在周期性流量脈動,由于管路及負(fù)載阻抗的影響,流量脈動必然引起壓力脈動,當(dāng)壓力脈動的頻率與管路系統(tǒng)的固有頻率相等或相近時,就容易發(fā)生諧振而使管路系統(tǒng)發(fā)生疲勞破壞,嚴(yán)重時會導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。軸向柱塞泵的流量和壓力脈動較大,其作為液壓

2、系統(tǒng)的源頭,產(chǎn)生的流量和壓力脈動不但對自身性能和壽命產(chǎn)生影響,產(chǎn)生大量的噪聲,而且通過流體和管道傳到下級元件,從而影響整個系統(tǒng)的性能和壽命,其輸出流量脈動大已成為它的一個主要缺點。因此,減小軸向柱塞泵運(yùn)行過程中的流量脈動對降低壓力沖擊和噪聲有著十分重要的意義。目前,大量研究主要集中在對配流盤的結(jié)構(gòu)采取措施來降低流量脈動,并已取得一定成績。文獻(xiàn)5、6中,在吸油腔到排油腔段安裝了2個單向閥;文獻(xiàn)7介紹了一種泵缸體帶彈性環(huán)的結(jié)構(gòu)形式。本文通過一種新的降噪結(jié)構(gòu)形式,即在每個柱塞腔內(nèi)添加蓄能器來降低流量脈動,并采用一種新型的工程仿真軟件AMESim對斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)行過程進(jìn)行動態(tài)仿真,模擬被控對象的

3、真實建模環(huán)境,為改進(jìn)斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)和性能提供依據(jù)。1斜盤軸向軸塞泵的運(yùn)動學(xué)分析斜盤式軸向柱塞泵的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1恒壓變量泵主體結(jié)構(gòu)1.傳動軸2.法蘭盤3.泵體4.泵殼5.回程盤6.變量頭7.恒壓閥8.彈簧9.刻度盤10.變量活塞11.變量殼體12.下法蘭13.滑靴14.柱塞15.缸體16.配油盤17.骨架油封斜盤式圓柱形缸體的柱塞泵主要包括2種主運(yùn)動:主軸帶動缸體、柱塞和滑靴一起做繞主軸中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;柱塞在缸體的柱塞腔內(nèi)做往復(fù)基于AMESim的液壓柱塞泵的數(shù)字建模與流量脈動分析*張大斌1,蘇明1,2,鄢吉多3,于麗婭1(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴陽550003;2.貴州省機(jī)

4、電研究設(shè)計院,貴陽550003;3.貴陽學(xué)院,貴陽550003摘要:利用AMESim仿真軟件對恒壓力軸向柱塞泵進(jìn)行了建模與仿真。建立了軸向柱塞泵的運(yùn)動方程、流量方程和仿真模型,在柱塞腔內(nèi)設(shè)計了蓄能器,著重對在柱塞腔內(nèi)有蓄能器和無蓄能器兩種模型進(jìn)行了相應(yīng)的仿真對比分析。結(jié)果表明在柱塞腔內(nèi)增設(shè)蓄能器后,流量脈動得到降低。關(guān)鍵詞:數(shù)字建模;斜盤軸向柱塞泵;仿真;AMESim;流量脈動中圖分類號:TH322文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號: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*貴州省自然科學(xué)基金資助項目(200820381234567

8、891011121314151617100運(yùn)動,該運(yùn)動實現(xiàn)了柱塞泵吸油和排油2個重要的動作。主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)速主要取決于驅(qū)動的轉(zhuǎn)速,通常情況下采用電機(jī)驅(qū)動下的主軸旋轉(zhuǎn)是一個勻速轉(zhuǎn)動,因此應(yīng)重點對圓柱柱塞的往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行分析。如圖2所示。圖2圓柱柱塞運(yùn)動關(guān)系圖柱塞從轉(zhuǎn)動的上死點位置I 繞主軸旋轉(zhuǎn)到位置II ,柱塞球頭中心的運(yùn)動軌跡為左側(cè)軌跡線OAB ,由于柱塞軸向的行程不同該軌跡線實際上為橢圓形,該軌跡線在xy 平面上的投影軌跡線為O A B ,該投影軌跡線則是以主軸中心為圓心,以柱塞中心線到軸線的距離R 為半徑的。由圖可得柱塞相對缸體的軸向位移s =R tan (1-cos (1式中斜盤傾角;缸體

9、轉(zhuǎn)角。對式(1求導(dǎo)可以得到柱塞相對于缸體的直線運(yùn)動速度v=R tan sin +·sec 2(1-cos (2式中缸體轉(zhuǎn)動角速度;·斜盤相對于其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角速度。單個柱塞的瞬時流量Q t =R 2tan sin +·sec 2(1-cos (3則可得整個軸向柱塞泵的瞬時流量Q t =R20.5(z ±1-1i =0式中z 柱塞個數(shù)。由式(4可知,柱塞泵的瞬時流量是缸體轉(zhuǎn)角和斜盤傾角的函數(shù),即柱塞泵的流量是脈動的。流量脈動的評價通常采用脈動系數(shù)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。的大小反應(yīng)流量脈動的程度。2柱塞泵模型的建立2.1柱塞泵運(yùn)動方程模型的建立根據(jù)式(2,在AME S im 中建立的柱塞運(yùn)動模型如圖3所示。圖中,輸入為缸體轉(zhuǎn)動角速度和斜盤角速度,輸出為柱塞的線速度v ,k 為柱塞泵的分度圓半徑R ,x 為斜盤傾角。函數(shù)1為f 1(x ,y =sec 2x (1-cos y 函數(shù)2為f 2(x ,y =tan x sin y速度轉(zhuǎn)換器將輸入信號根據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)化成線速度的形式。機(jī)械連接器將輸入的2個線速度求和,輸出為柱塞的線速度。圖3柱塞運(yùn)動方程模型2.2柱塞泵模型及其封裝(1柱塞內(nèi)安裝蓄能器在柱塞高速旋轉(zhuǎn)過程中,在2z (z 為柱塞數(shù)個周期內(nèi)總有

11、一個泵處于過渡區(qū),由于泵腔內(nèi)壓力的變化要產(chǎn)生倒灌流量,引起配流盤上瞬時流量的變化。倒灌流量引起的流量脈動往往比柱塞泵幾何流量脈動大。因此,為了減少泵出口流量脈動和倒灌流量,在柱塞腔內(nèi)安裝上蓄能器,如圖4所示。當(dāng)柱塞從吸油區(qū)過渡到排油區(qū)時,柱塞腔瞬間吸入來自高壓區(qū)的高壓油產(chǎn)生脈動。而在柱塞孔內(nèi)安裝蓄能器后,蓄能器瞬間吸入來自高壓區(qū)的高壓油脈動,從而抑制了振動和噪聲的產(chǎn)生;同理,當(dāng)柱塞從排油區(qū)過渡到吸油區(qū)時,蓄能器釋放出高壓油來抑制負(fù)壓產(chǎn)生的振動和噪聲。圖4帶蓄能器的柱塞結(jié)構(gòu)示意圖1.柱塞2.蓄能器(2柱塞泵方程模型及其封裝對單柱塞泵建立模型,為使建立的模型得以簡化,把所建立的柱塞和配油盤模型進(jìn)行

12、封裝,做成超級元件,其封裝如圖5所示。(a 無蓄能器的單個柱塞的模型及其封裝(b 帶蓄能器的單個柱塞的模型及其封裝圖5單個柱塞模型及其封裝(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圖6為構(gòu)建的5柱塞泵模型。圖6AMESim 構(gòu)建的柱塞泵模型3仿真分析3.1參數(shù)設(shè)置以某型液壓泵為例,一般工作情況下仿真參數(shù)如下:柱塞直徑/mm 10柱塞個數(shù)5液壓排油口壓力/MPa 20斜盤傾角/(°012.5黏性摩擦力/N

13、 5電機(jī)轉(zhuǎn)速/r ·min -11000斜盤轉(zhuǎn)動慣量/kg ·m -40.4柱塞直徑間隙/mm 0.005控制閥閥芯質(zhì)量/kg 0.01彈簧設(shè)定壓力/MP a 15隨動活塞直徑/mm 12油箱中初始壓力/MPa 0.2彈簧剛度/N ·mm -113.2仿真曲線為了測試所建立的斜盤變量柱塞泵的流量特性,分別設(shè)定斜盤傾角為0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°運(yùn)行仿真,得到不同斜盤傾角下泵的出口流量的仿真曲線,如圖7所示。時間/s 時間/s(a 無蓄能器柱塞的流量脈動(b 帶蓄能器柱塞的流量脈動圖

14、7不同斜盤傾角下泵的出口流量與時間關(guān)系圖1.0°2.2.5°3.5°4.7.5°5.10°6.12.5°3.3仿真特性曲線分析根據(jù)仿真結(jié)果可計算出不同斜盤傾角下未安裝蓄能器的柱塞流量脈動率和安裝了蓄能器的柱塞流量脈動率,如表1所示。表1斜盤式柱塞泵模型仿真結(jié)果通過圖7和表1可以看出:(1斜盤軸向柱塞泵存在流量脈動;(2輸出流量與斜盤傾角大小成正比;(3負(fù)載壓力和轉(zhuǎn)速相同時,斜盤傾角越大,流量脈動越大,流量脈動率也越大。(4在轉(zhuǎn)速相同的情況下,流量平均值基本上是恒定的;(5泵每轉(zhuǎn)動一周就發(fā)生2z 次流量脈動。表明對同一柱塞而言,無論吸水

15、過程還是壓水過程都會發(fā)生流量脈動;(6當(dāng)泵流量增大時,流量脈動增大,壓力脈動也隨之增大。(7通過在柱塞腔內(nèi)添加蓄能器后,在輸入?yún)?shù)相同的情況下,流量脈動得到一定程度的改善。4結(jié)語通常在設(shè)計或改進(jìn)斜盤式軸向柱塞泵時應(yīng)考慮流量脈動的影響,尤其是在大流量或負(fù)載為高壓時,通過在柱塞腔內(nèi)增設(shè)蓄能器,能夠改善軸向柱塞的流量和壓力特性,降低由此引起的流體噪聲和振顫。參考文獻(xiàn):1李劍鋒.軸向柱塞泵壓力脈動測試成功J .煤礦機(jī)械,2003,24(2:46.2張健.礦用斜軸泵振動特性的研究J .煤礦機(jī)械,1999,20(8:21-23.3李樹立,焦宗夏.液壓流體脈動主動控制研究現(xiàn)狀與展望J .機(jī)床與液壓,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 系統(tǒng)建模和仿真從入門到精通M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.9林建亞,何存興.液壓元件M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.作者簡介:張大斌(1976-,貴州貴陽人,講師,博士生,畢業(yè)于四川大學(xué)機(jī)電傳動及控制專業(yè)。現(xiàn)主要從事機(jī)電工程及液壓傳動技術(shù)的研究,電子信箱:dabinzhang.責(zé)任編輯:于秀文收稿日期:2009-08-26Angle /(°無蓄能器柱塞的流量脈動率帶蓄能器柱塞的