基于AMESim恒功率泵的动静态特性仿真分析

2010年7月第38卷第13期机床与液压MACH I NE TOOL &HYDRAUL I CSJul 2010V ol 38No 13DO I :10.3969/j issn 1001-3881 2010 13 037收稿日期:2010-04-23基金项目:国家 863 高技术产业化研究资助项目(2007AA041803);上海市数字化汽车车身工程重点实验室开放课题基金资助(MS V 2009 02);十一五科技支撑计划资助项目(2006B AF01B03 01)作者简介:文哲(1985 ),男,硕士研究生,主要研究方向为轴向柱塞泵变量控制。

通讯作者:徐兵,E -m ai:l bxu @zju edu cn 。

基于AMES im 恒功率泵的动静态特性仿真分析文哲,徐兵(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:以压力流量功率复合控制泵的功率控制部分为研究对象,利用AM ESi m 搭建压力流量功率复合控制泵的整体仿真模型,针对影响其功率控制部分动静态特性的几个关键因素 流量阀弹簧刚度、功率阀阀芯三角槽数进行变参分析。

仿真结果表明:增大流量阀弹簧刚度,可以改善功率控制范围内斜盘摆角的动态特性;增加功率阀阀芯三角槽个数,可以减小最小功率值,从一定程度上增大功率控制范围。

关键词:恒功率;轴向柱塞泵;动态特性;静态工作曲线中图分类号:TH137 51!!文献标识码:A !!文章编号:1001-3881(2010)13-122-6Dyna m ic and Static Sim ulation Analysis of ConstantPower Pu mp Based on Am esi mW E N Zhe ,XU B ing(State Key Lab of Flui d Po w er Trans m i s si o n and Contro l of Zhe jiang Un i v ersity ,H angzhou Zhe jiang 310027,Ch i n a)Abstrac t :T he po w er con tro l pa rt o f pressure /flow /powe r con tro l pump as the st udy object ,t he m ode l of t he pump w as co m pletely bu ilt i n AM ESi m for s i m u l a tion .A lter i ng para m eter ana l ys i s was perfor m ed for several key factors that i nfl uence t he dynam ic and sta ti c cha racte ristics o f the power control part of t he pu m p ,such as spr i ng stiff ness of flow ra te v alve and the nu m ber o f the tr iangu l a r g rooves o f the powe r va l ve spoo.l T he si m ulati on resu lts sho w tha t t he dynam ic and static character istics of the s w ash p l a te ang le i n rang e o f pow er contro l are i m proved by i ncreasi ng the spri ng stiffness o f flow ra te v alve ;the m i ni m u m pow er va l ue is reduced and the rang e o f pow er contro l i s broadened to a cer tai n ex tent by i ncreas i ng the number of t he triangular grooves of t he pow er valve spoo.lK eyword s :Constant pow er ;A x ial pist on pu m p ;Dyna m i c charac teristi c ;Static curve!!恒功率控制泵是提高液压系统节能效率的关键元件,可以在特定工况下减少原动机功率的浪费,具有良好的节能效果。

因此研究恒功率控制泵的控制性能并改善其动静态特性,具有现实意义。

作者研究对象是一种压力流量功率复合控制泵的功率控制部分。

这种压力流量功率复合控制泵,采用压力阀、流量阀、双弹簧功率阀的配合工作实现泵压力、流量、功率的复合控制,而且该泵是通过功率阀三角槽结构溢流的方式实现恒功率控制。

因此,在该泵实现功率控制的过程中不仅受到自身功率阀结构参数的影响,而且也会受到其他功能控制阀结构参数的影响。

作者从上述的两个影响方面出发,针对流量阀弹簧刚度和功率阀三角槽个数进行分析。

采用先进的液压仿真软件A M ESm i 搭建完整的压力流量功率复合控制泵仿真模型,并采用MATLAB 精确计算功率阀阀芯结构参数并将其导入AM ESm i 中,然后变参分析,最终获得合理的结构参数。

1!恒功率控制原理图1!压力流量功率复合控制泵原理图!图2!压力流量功率复合控制泵静态工作曲线示意图压力流量功率复合控制泵是通过预先设定,在不同工作压力下,使泵处于不同控制工况。

根据压力流量功率复合控制原理图(图1),结合其静态工作曲线(图2)及功率阀结构示意图(图3),说明该泵工作原理。

1 阀芯!2 阀套!3 功率弹簧∀!4 功率弹簧#!5 阀芯三角槽结构图3!功率阀结构示意图OA 段泵处于恒流量工作阶段,这一阶段泵在不同工作压力下都保持泵出口流量的恒定,它是通过节流阀两端的压差对流量阀阀芯的作用力与流量阀弹簧预设压缩力的平衡控制流量阀阀芯左右位的移动,从而改变泵排量来保持出口流量的恒定。

AC 段是恒功率控制阶段,通过AB 段和BC 段两条斜率不同的直线近似模拟恒功率二次曲线。

点A 是恒功率起调点,在AB 段内,此时增大工作压力,工作压力作用于功率阀推开功率阀阀芯,在功率阀功率弹簧∀压缩力与工作压力平衡后停止运动,此时功率阀三角槽过流面积增大,功率阀溢流量增大,流量阀阀芯右端压力降低,流量阀阀芯右移,流量阀工作于左位,变量柱塞大端作用有高压油,变量柱塞左移,排量减小。

与此同时,变量柱塞通过反馈机构作用于功率阀活动阀套,使阀套沿阀芯运动方向动作,三角槽过流面积减小,功率阀溢流量减小,流量阀阀芯右端压力增大,流量阀阀芯逐渐左移,变量柱塞运动速度逐渐接近0,流量在该工作压力下稳定。

若在AB 段内减小工作压力,在功率阀功率弹簧压缩力的作用下,功率阀阀芯左移,三角槽过流面积继续减小,功率阀溢流量也继续减小,流量阀阀芯右端压力继续增大,流量阀阀芯继续左移,流量阀阀芯工作于右位,变量柱塞大端与油箱相通,变量柱塞左移,排量减小。

与此同时,变量柱塞通过反馈机构作用于功率阀活动阀套,使阀套沿阀芯运动方向动作,三角槽过流面积增大,功率阀溢流量增大,流量阀阀芯右端压力减小,流量阀阀芯逐渐右移,变量柱塞运动速度逐渐接近0,流量在该工作压力下稳定。

由于采用功率弹簧为线性弹簧,并忽略具体机构的一些非线性因素,AB 工作段压力流量呈线性关系。

BC 段,因为功率弹簧∀和功率弹簧#都处于工作状态,弹簧刚度为两弹簧刚度之和,BC 段压力流量关系斜率增大,但仍为线性关系,此阶段工作过程与AB 阶段相同。

CM 段泵处于恒压工作阶段,这一阶段泵出口压力保持恒定,这是通过泵出口压力作用于压力阀阀芯左端的作用力与压力阀弹簧预设压力的平衡来控制压力阀阀芯左右位的移动,从而改变泵排量来保持泵出口压力的恒定。

从上述工作原理可以看出,流量阀是实现功率控制的主要元件。

因此为提高功率控制的性能,对流量阀相关参数如何影响功率控制性能进行研究是必要的。

2!模型搭建2 1!变量柱塞及斜盘部分建模变量柱塞及斜盘部分的模型需要考虑变量柱塞直线位移与斜盘角位移之间的转换关系。

在此可将变量柱塞球头球心、回位柱塞球头球心、斜盘转动中心近似认为在同一条直线上且与主轴轴心线共面。

变量柱塞的行程与斜盘摆角的关系可用如下关系式表示R L ∃tan 0-L =R L ∃tan (1)可得L =-R L ∃tan +R L ∃ta n 0(2)式中:R L 为变量柱塞与泵主轴之间的中心距离;0为斜盘初始最大摆角;L 为变量柱塞行程; 为斜盘摆角。

由上述关系式可知,因为斜盘摆角范围通常较小,可认为其摆角的正弦值与摆角近似相等,所以变量柱塞行程与斜盘摆角是近似线性的关系。

图4所示是变量柱塞、回位柱塞及斜盘部分的AM ES m i 模型,模型中采用限位质量块设置斜盘、变量柱塞及回位柱塞的极端限位;采用可变力臂杆模拟变量柱塞及回位柱塞与泵主轴的恒定距离;采用直动转动转换模块实现缸体内各柱塞对斜盘的作用力传递;采用碰撞模块模拟变量柱塞及回位柱塞通过滑靴与斜盘的接触关系。

图4!变量回位柱塞及斜盘部分模型2 2!功率阀双弹簧建模作者所研究的泵,是通过双弹簧生成线性折线拟合二次曲线的方式近似实现恒功率。

因为功率弹簧压缩量与泵出口流量有近似线性的关系,所以静态工作曲线AB 段与BC 段的线性关系,可用工作压力与功率弹簧压缩量的关系表明,其中AB 工作段两者关系可用如下关系式表示(p - p R )∃ A =k 1(x 10+x )(3)BC 工作段:(p - p R )∃ A =k 1x 20+(k 1+k 2)(x -x 20+x 10)(4)∃123∃第13期文哲等:基于AM ES i m 恒功率泵的动静态特性仿真分析!!!恒功率起调点A 处,工作压力与弹簧压缩量关系(p 0- p R )∃ A =k 1(x 10+x K )(5)其中x K =x K1+x K2(6)式中:p 为泵的工作压力;p R 为阻尼R 1上的压差;p 0为泵的恒功率起调工作压力; A 为功率阀阀芯工作压力作用面积差;K 1为功率弹簧∀的弹簧刚度;K 2为功率弹簧#的弹簧刚度;x 为AC 恒功率工作段弹簧压缩量;x 10为工作压力为0时,功率弹簧∀的预压缩量;x 20为AC 恒功率工作段转折点处功率弹簧1的预压缩量;x K 为功率起调点A 处功率阀阀芯的绝对位移;x K1为功率阀阀芯的初始负遮盖量;x K2为功率阀在功率起调点A 处阀芯的开口量。