基于AMEsim对柱塞泵的仿真分析

2021-11-10高林张平格

中国设备工程 2021年20期

关键词：斜盘动件柱塞泵

高林，张平格

（河北工程大学机械与装备工程学院，河北邯郸 056038）

1 柱塞泵和仿真软件介绍

由于轴向柱塞泵具有使用效率高，寿命长、工作介质可选择性广、压力等级高等优点，所以在汽车、造船等领域应用广泛。但是，泵在工作中泵出口的流量会出现一定程度的波动，会影响柱塞泵的效率和工作性能，所以优化泵的部件降低流量和压力冲击有一定的意义。

常用的轴向柱塞泵一般由斜盘、柱塞、缸体、配流盘、传动轴以及吸排液口组成。如图1所示。

图1 斜盘柱塞泵结构示意图

柱塞与主动轴以转动副的形式连接在一起，在缸内作直线往复运动和绕轴的转动，腔内的体积不断改变，压力也在改变，通过配流盘的上的吸排油的腰型槽完成工作循环。

在AMEsim这个平台上可以研究原件或者是整个系统的工作稳态性能，在航天航空、船舶、工程机械等领域有着广泛的应用。软件目前还正处于快速创新的阶段中，现有的各种数据库模型有数十个，在本文中我们用到的有液压库、机械库、液压及其气动元件系统与应用软件设计库、信号库等。

在了解柱塞泵的原理和理解各组成元件的作用后，在液压元件草图模式中可以从模型库里面选用基本的模型来组合和建立一个可以和元件相匹配的模型。

为了更好地研究柱塞泵的流量脉动的规律，对于柱塞泵的研究,常规的实验方法需要花费的成本太大，笔者借助AMESim平台在对柱塞泵的工作原理，具体工作参数分析的前提下，建立由HCD库、机械库、液压库多个库组合设计的柱塞泵模型。

严璐发表的高速径向柱塞泵配流阀的动态性能和研究中建模用的是机械库中CAM00这个子模型，需要编辑凸轮的角度和轮廓并写入数据文件，否则，极易出现仿真失败的情况。对于丁新隆发表的斜盘柱塞泵的脉动特性研究和董蒙发表的轴向柱塞泵脉动特性仿真分析对于传动件建模时采用的时数字信号的输入和传感器接受的数据，没有考虑传动件动态的实时参数。

笔者用偏心滚子为模型，先进行理论上的数学分析，从Amesim平台中的机械库里的CFECCF0、LCON13、DAM002、F000等子模型组合成的传动部分仿真模型。

2 数学模型

偏心盘模拟的斜盘与从动件的接触是弹性接触的，从动件脱离偏心圆盘后，两个物体就会独立运动。

式中，A为偏心滚子的旋转中心；T为偏心盘中心；R为偏心盘半径；N为偏心盘与从动件的接触点；W2为2的转速，单位为rev/min；ξ为偏心盘的角位移。

确定传动部分与柱塞的坐标。以X-A-Y组成的平面坐标系中描述N点的位置，通过述积分式求出角速度。

AT为滚子中心到偏心盘的距离；sβ为接触点的压力角；在接触点的杠杆臂为：

接触点到从动件轴的位移为：

偏心滚子和从动件之间的动态接触，由物体之间的间隙，刚度和阻尼系数共同决定。由假设接触点的位移和速度计算在N-n-t组成的坐标系中的的接触力。被称为Xref(参考位移)和Vref(参考速度)。

gap为滚子和从动件的间隙；X1为从动件的实际位置；如果间隙大于零的话，接触力等于零。如果间隙小于零，那么接触力

Kc为接触刚度；re为有效阻尼系数。偏心滚子于从动件接触时，受载荷作用下发生轻微变形，产生的最大局部压力为（接触类型是圆柱式平面）L为实际接触长度；Er为折算好的杨氏模量。通过上述分析了接触点的速度，接触力和最大的局部压力。

3 仿真模型

严璐以CAM00子模型直接传递转矩到柱塞缸，不知道凸轮运动规律的情况会出现初始化失败的情况，按照参考文献的模型，搭建出单柱塞仿真模型，仿真没有正常地运行，如图2。

图2 单柱塞液压仿真图

出现这种情况的原因是，没有将凸轮的运动规律导入文件中，需要建立从动件的数学模型，利用MATLAB求出运动参数曲线。笔者采用AMEsim中的液压库CFECCF0、LCON13、DAM002、F000等子模型来组合用来传递转矩，模型的组合所示。这种模型无须知道运动规律且无须建立模型使用MATLAB求解动态参数便可运行。

初始参数设置如下，转速为2000rev/min；阻尼额定值为0.5N/（m/s）；模拟的传动件的质量为0.03kg；活塞直径为8.5mm；接触长度为30mm；活塞杆的质量为0.0007kg；仿真时间为0.03s；接触方式为弹性接触。在液压仿真平台AMEsim中搭建了以下的模型，选择好运行参数打印间隔为0.0002s,然后进行仿真运行，如图3。