基于AMESim 的三柱塞轴向柱塞泵的动态特性仿真

2022-01-27王刚刚

机械管理开发 2021年12期

王刚刚

（山西太钢万邦炉料有限公司，山西晋中 030600）

引言

三柱塞轴向柱塞泵主要通过柱塞在缸体孔中做往复运动，交替改变三个密闭工作容腔的容积，由此完成吸液和排液过程。这种类型的泵因其压力高、流量大等特点而被应用于各行各业，也广泛应用于矿山机械中。作为液压系统的动力装置，轴向柱塞泵性能的好坏将会影响整个液压系统的性能。随着液压技术的不断发展，对轴向柱塞泵的额定流量和压力的要求也不断提高。柱塞泵一般通过增加柱塞直径来增加泵的流量，但这样会使泵的各部件结构尺寸变大，结构缺陷也加大。为提高柱塞泵各项性能，对其进行优化显得很有必要。然而，传统的柱塞泵设计方法不仅费时费力，而且控制参数变化很困难[1]。为此，本文基于AMESim 对三柱塞轴向柱塞泵进行仿真研究。AMESim 是一款新型的液压系统建模和仿真软件，在该软件中建立轴向柱塞泵的虚拟仿真样机，可以反复修改样机的结构和参数，直至满足设计性能为止。通过建立虚拟仿真环境，可以降低新产品的测试成本，提高研发效率，缩短研发周期。因此，虚拟样机技术对轴向柱塞泵的性能研究具有重要意义。

1 工作原理

轴向柱塞泵的工作原理（见图1）：电动机带动曲轴旋转，曲轴和连杆又带动柱塞在缸体孔内左右移动。柱塞右移，密封容积增大形成负压，排液阀在系统压力和弹簧力作用下关闭，吸液阀在油箱压力下，克服弹簧阻力打开吸油，完成吸油过程；柱塞左移，密闭容积减小压力增大，排液阀打开排液，吸液阀在油压和弹簧力作用下关闭，完成压油过程。在曲轴连杆作用下，每个柱塞每分钟往复400～600 次，并通过吸、排液阀连续不断地完成吸排液。

图1 轴向柱塞泵工作原理

2 动力学模型建立

2.1 轴向柱塞泵数学模型

曲轴连杆机构运动（见图2）：曲轴以角速度ω顺时针旋转，使得连杆带动柱塞左右移动，设柱塞移动的前死点为A，A 点到柱塞中心的距离设为x，设后死点为B 点，其到前死点A 的距离S 为柱塞左右移动的行程，若吸入行程x 为正，则柱塞运动规律可表示为[2]：

图2 曲轴连杆机构运动图

式中：x 为柱塞位移，m；u 为柱塞速度，m/s；a 为柱塞加速度，m/s2；φ 为曲柄转角，rad；ω 为曲柄角速度，rad/s；t 为时间，s；r 为曲柄半径，m；λ 为曲柄半径r与连杆长度l 之比。

2.2 柱塞泵的流量特性

由于在运动过程中，柱塞运动速度是瞬时的，故轴向柱塞泵的瞬时输出流量是变化的，存在流量脉动。单个柱塞排油时的理论瞬时流量和实际流量为[2]：

3 仿真分析

3.1 轴向柱塞泵液压模型的建立

建立三柱塞轴向柱塞泵的液压模型如图3 所示。

图3 轴向柱塞泵液压模型

3.2 参数设置

轴向柱塞泵的主要结构参数如表1 所示。

表1 主要参数

4 仿真结果分析

4.1 柱塞运动分析

柱塞在曲轴转速为450 r/min 时的速度和位移曲线如图4 所示。

图4 曲轴转速为450 r/min 时的柱塞速度与位移曲线

由图4 分析可知：柱塞泵在运行状态下，其速度和位移都是呈周期性变化的[3]。当曲轴转速为450 r/min 时，柱塞最大速度约为3.259 6 m/s，速度的变化周期约为0.14 s。柱塞运动速度对泵内各运动部件的摩擦和磨损造成影响，尤其对柱塞、缸体孔及其密封件的影响最为显著。

柱塞运动速度过大，运动副的摩擦和磨损严重，会使泵的内泄露增加，从而导致容积效率下降。若柱塞运动速度过低，为保证泵的流量，则液力端的结构尺寸将会增大，此外，柱塞所受油液的作用力与柱塞直径的二次方成正比，驱动端受力增大，从而导致泵的结构尺寸和质量增大。

4.2 曲轴转速对流量脉动的影响

图5 为曲轴转速分别为450 r/min、550 r/min 和650 r/min 时柱塞泵的流量脉动曲线，下页图6 为各转速下泵的容积效率变化曲线。由图5 可知，曲轴转速越高，泵的流量越大，并且泵的瞬时流量有脉动，转速越高，流量脉动率越大[4-5]。由图6 可知，轴向柱塞泵在曲轴转速分别在450 r/min、550 r/min 和650 r/min 时，容积效率分别为95.9%、95.0%和94.6%。由此可见，曲轴转速越大，泵的容积效率越低。所以，在选择曲轴转速时，应将转速控制在一个合理的范围内[6]。