基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李华聪，符江锋

（西北工业大学动力与能源学院，西安710072）

基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李华聪，符江锋

（西北工业大学动力与能源学院，西安710072）

针对柱塞倾斜安装的某型航空燃油柱塞泵进行运动学分析，首先基于坐标互换法建立柱塞运动方程，然后采用AMESim软件构建柱塞泵模型，最后仿真分析柱塞倾角和转子转速对柱塞泵运动特性、流量特性及压力特性的影响。仿真结果表明，相同工况下柱塞倾角对流量的影响小于转子转速，但斜柱塞结构能增大柱塞行程，增加泵的供油量，适度改善柱塞泵的流量脉动情况。

航空燃油柱塞泵；斜柱塞；流量脉动；泵压力；AMESim建模

1 引 言

目前，我国航空发动机［1］在燃油控制系统中，普遍采用斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵。国内有关柱塞平行安装的轴向柱塞泵相关理论已比较成熟，而对斜柱塞泵主要是测绘仿制，还没有形成完整的理论体系和设计体系。因而，对柱塞倾斜安装的航空燃油柱塞泵［2-3］进行仿真研究具有重要的理论意义与实际应用价值。

AMESim作为一款非常优秀的仿真软件，为流体、机械、控制和电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案，已成功应用于航空发动机系统设计与仿真领域。

以航空领域所采用的斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵为仿真研究对象，首先对柱塞泵进行运动学分析［4］，然后采用AMESim软件建立柱塞泵仿真模型，最后在分析柱塞泵运动特性的基础上，进一步研究柱塞倾角和转子转速对流量特性及压力特性的影响。仿真结果期望为航空燃油柱塞泵的结构优化提供相应理论依据。

2 运动学分析

斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的结构如图1所示。由图可知，柱塞泵的基本组成元件有柱塞、滑靴、斜盘、转子和分油盘等。柱塞泵通常在转子中装配由多个柱塞组成的柱塞阵列，斜盘主要用于控制柱塞位移，进而调节液压油的输出流量。当转子旋转时，柱塞泵从供油区吸油，然后把油压入高压回路，这样导致连续的液压油输出。

首先基于图2所示的坐标系，采用直角坐标与球坐标互换的方法，推导柱塞运动方程，为后文的仿真分析提供理论依据。

图1 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵

图2 直角坐标系

坐标系中：

O：柱塞轴线与转子轴线的交点；

Z：转子轴线，指向斜盘为正；

X：在起始平面上，过原点O垂直于Z轴，向下死点一侧为正；

Y：过原点O垂直于Z轴和X轴，朝吸油侧为正；

R：斜盘球形工作面半径。

柱塞球心C点在转子旋转过程中的运动轨迹始终在以L为半径的球面上，如图3所示。柱塞在转子旋转过程中始终在以OA为旋转轴线，过原点O与转子轴线夹角为θ的射线为母线形成的锥面上。

在直角坐标系下，柱塞所在锥面方程为：

柱塞球心C所在球面方程为：

其中，l、m、k为斜盘与保持架的球心O1坐标，L为斜盘球面中心O1至柱塞球头中心C的距离。

根据图2可得：

其中，a为柱塞锥顶点O至斜盘旋转轴线A的距离；c为斜盘球面中心O1至斜盘旋转轴线A的距离；φ为斜盘倾角。

将直角坐标系转化为球面坐标系

将式（4）代入式（2）可得ρ方程，进而可求得柱塞位移方程如下：

其中，ρ0为α＝0°时的ρ值。

对式（5）进一步求导可得柱塞相对运动速度及加速度。

图3 球面坐标系

3 柱塞泵模型建立

AMESim是一种新型的基于图形化的工程应用仿真软件，用于模拟控制对象的真实建模环境。该软件在建立液压系统的数学模型时，充分考虑了液压油的物理特性及液压元件的非线性特性。仿真亦选取了AMESim作为平台，对航空燃油柱塞泵进行建模研究［5］。

3.1 单个柱塞模型

基于第2节柱塞运动分析所建立的单个柱塞模型如图4所示，其中关联了柱塞倾角、斜盘倾角和转子转速等。左侧分别为斜盘倾角信号、柱塞倾角信号和转子转速信号，右侧为液压油进油口和出油口。

3.2 燃油柱塞泵模型

将单个柱塞模型进行封装，利用AMESim软件提供的超级元件工具，建立柱塞的标准模型，然后进行相关参数设置，得到燃油柱塞泵完整的仿真模型。

图4 单个柱塞模型

图5为所建立的某型航空燃油柱塞泵完整模型，包含柱塞运动模型、分油盘模型、柱塞腔模型、转子模型和斜盘模型。

图5 燃油柱塞泵模型

4 仿真与分析

在前文所建立的运动方程和燃油柱塞泵模型基础上，通过设置柱塞泵的结构参数，调节柱塞倾角和转子转速［6］，计算仿真燃油柱塞泵在一定工况下的运动特性、流量特性及压力特性。

4.1 仿真参数

以某型航空燃油柱塞泵为实验对象，所选取的柱塞泵结构参数如表 1所示。在进口压力为0.3Mpa，节流嘴后压力为0.5Mpa、等效节流嘴直径为7.5mm条件下对柱塞泵进行仿真分析。

表1 柱塞泵结构参数

其中，a为柱塞锥顶点至斜盘旋转轴线A的距离；c为斜盘球面中心至斜盘旋转轴线A的距离；L为斜盘球面中心至柱塞球头中心C的距离。

4.2 运动特性

柱塞泵的转速恒定及外部节流孔面积不变，而柱塞倾角在13°-15°范围内变化时，柱塞倾角对柱塞运动特性的影响如图6和图7所示。由仿真结果可以看出，柱塞倾角增大，柱塞位移和速度也相应升高，位移和速度均符合柱塞泵正弦运动变化规律。

4.3 流量特性

设定斜盘倾角为13.5°，转子转速为4330r／min，泵在不同柱塞倾角时的出口流量曲线如图8，由上至下依次为柱塞倾角为15°、14°、13°时的出口流量曲线。固定斜盘倾角为13.5°，柱塞倾角为15°，泵在不同转子转速下的流量曲线如图9。

图6 柱塞位移曲线

图7 柱塞速度曲线

图8 柱塞倾角对流量的影响

图9 转子转速对流量的影响

由图8可看出，柱塞倾角在13°、14°、15°下泵的最大供油量分别为257L／min、276L／min、295L／min，柱塞泵柱塞倾角增大，流量相应增大。在柱塞倾角小于20°时，其流量脉动增大不明显，几乎可以忽略。由图9可见，随着转子转速升高，柱塞泵流量相应增大，其流量脉动情况明显高于柱塞倾角的影响。由此可推论，柱塞倾角对提高柱塞泵性能起到了积极作用。在柱塞泵特定的大流量设计目标下［7］，通过增大柱塞倾角能有效降低对转子转速的高要求，一定程度上改善流量脉动情况。另一方面，柱塞倾斜能安装在锥形缸体中，也有利于减少柱塞泵整体质量和体积。但柱塞倾角也不宜设置过大，不然会使柱塞与斜盘面的接触角过小，使两者接触应力增大，加速接触部分材料的损耗速度。

4.4 压力特性

柱塞泵的流量脉动会引起压力脉动，是其噪声来源之一，进而影响整个系统的稳定性。在与4.3节相同的工况下，柱塞倾角对泵后压力的影响如图10所示。柱塞倾角在13°、14°、15°下泵后压力分别为79bar、91bar、103bar，柱塞倾角增大，流量增大，与实际柱塞泵的工作原理相符。转子转速对泵后压力的影响如图11所示。由仿真曲线可以看出，由于转速增大，流量增大，节流嘴直径和出口压力不变的情况下，泵后压力也增大，其压力脉动增加幅度比柱塞倾角影响要大。

图10 柱塞倾角对泵后压力的影响

图11 转子转速对泵后压力的影响

5 结束语

对柱塞倾斜安装的某型航空燃油柱塞泵进行了运动学分析，采用AMESim工程软件建立了其系统原型，最后实验了柱塞倾角和转子转速对柱塞泵运动特性、流量特性和压力特性的影响。仿真可得如下结论：

（1）实验论证了采用坐标互换法建立的柱塞运动方程的正确性及有效性。 （2）相同工况下，柱塞倾角能增大柱塞行程，提高柱塞泵流量。

（3）增大柱塞倾角和转子转速都会引起泵后压力的增加，压力脉动也随之增大。

（4）增大柱塞倾角引起的流量脉动和压力脉动变化小于转子转速提高所引起的变化，因此在柱塞泵大流量设计目标下，一定程度的增大柱塞倾角，能有效抑制流量脉动，提高柱塞泵的性能。

以上仿真结果为航空燃油柱塞泵进一步结构优化提供了理论依据。

［1］樊思齐.航空发动机控制（上册）［M］.西安：西北工业大学出版社，2008.

［2］陈永琴.航空燃油柱塞泵运动学与动力学特性分析研究［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［3］蒲志理.航空油泵设计［M］.北京：国防工业出版社，1983.

［4］Zhiru Shi，Gordon Parker，Jonathan Granstrom.Kinematic Analysis of a Swash-Plate Controlled Variable Displacement Axial-Piston Pump With a Conical Barrel Assembly［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control.2010，132：1-8.

［5］符江锋.航空发动机燃油柱塞泵计算机辅助设计方法［J］.计算机仿真，2012，29（3）：153-157.

［6］刘明明，石宏，黄笑飞，等.柱塞倾角对航空柱塞泵性能的影响分析［J］.沈阳航空航天大学学报，2011，28（5）：18-22.

［7］刘锋.柱塞式燃油泵多目标结构优化［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

Characteristics Simulation of Aero-engine Fuel Piston Pump Based on AMESim

SHE Zeng-ling，LIHua-cong，FU Jiang-feng
（School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

The kinematics analysis is carried out on an aero-engine fuel piston pump with inclined pistons assembly.First，a piston kinematic equation is established based on coordinate transformation.And then，the piston pump model is established by AMESim.Finally，the effect of the different piston inclination angle or rotor speed performed on the characteristics of kinematic，flow and pressure of the pump are analyzed.The results show that the effect of the piston angle performed on the flow range is less than the rotor speed under the same operating condition，but，the pump with inclined piston has greater piston stroke and fuel delivery and reduces the flow ripple scale reasonably.

Aero-engine fuel piston；Inclined piston；Flow ripple；Pumping pressure；AMESim modeling

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.026

V228.1；TP391.9

：A

：1002-2279（2014）04-0083-04

佘增玲（1989-），女，湖南衡阳人，硕士研究生，主研方向：航空发动机控制。

2013-12-05