基于AMEsim的双压力柱塞泵的数字建模与热分析图文精Word格式文档下载.docx

1、ng Of dOuble preSs aiaI pistOn pump anditS thermaI analysiS baSing On AMEsimLu Ning Fu Yongling Sun Xim【ue（Sch00l of Automa石彻Scjence明d Elec晒cal Eng;neering,Be蛆ing uflj”rsjty of Aeronau6cs and Astmnau矗cs,Beijing 100083,chi朋 Abstract:Hydmulic system simulation model of double press axial piston pump w

2、as established inAMESim. MoVement function,nux function and swash plate model of axial piston pump were created,and c嘶ed on tIlecorresponding simulation computation. ContIol valVe simulation model of double press axial pis ton pump was established in AMESim,and山e analysis emphasis were山e nux charact

3、eristic and the pressure cut dynamic characteristic under two pressures.To compare the result of tempemture rise,a complete hydrau-1jc systems was established for double press axial piston pump and 6x press桶al piston pump under two kinds of hydmulic pump sources in the same load,the s锄e mdiation enV

4、ironment and the same running time. Simu lation results show tIlat dynamic characteristic of double press axial piston pump match the theory,the e伍cien cy exceeds fix press axial piston pump.Key words:di舀tal modeling;simulation;AMEsim;double press pump;theHnal analysis目前,飞机上采用的液压能源系统基本上是 液压变量泵源,液压泵的

5、输出额定压力是按照最 高压力工况设计的,实际上对于一架典型的战斗 机来说,要求最高工作压力的时间还不到整个飞 行时间的十分之一,其余的时间主要在低压工作 状态.因此,现今的机载液压系统的恒压变量泵源 系统造成了很大的浪费,不能满足未来飞机的需 要Ll J.鉴于此,西方发达国家特别是美国和英国 等从20世纪80年代开始了变压力机载液压系统 的研制,提出了双压力变流量机载泵源形式.为了 深入了解机载变压液压能源系统的静、动态特性, 设计理想的机载变压泵源,需要对双压能源系统 作深入的理论分析和仿真研究.AMESim（Advanced Modeling EnVironment for ped.o珊i

6、ng Simulations of en舀neering systems是一 种新型的工程仿真软件,主要用于模拟控制对象收稿日期:2005.11_24作者简介:卢宁（1976一,男,河北定州人,博士生,lqnin916 万 方数据1056北京航空航天大学学报2006年的真实建模环境.AME筋m软件是基于图形化的 仿真软件,带有多种工程设计软件包;其中液压仿 真软件包包含了大量常用的液压元件,液压源和 液压管路等,该软件在建立液压系统数字模型的 过程中充分考虑到液压油的物理特性和液压元件 的非线性特性,例如:液压油的压缩性、滞环、饱和 特性、库仑力、元件的泄漏等,其功能强大的后处 理功能更是为工

7、程分析提供了良好的支持.它是 一个图形化的开发环境,用于工程系统的建模、仿 真和动态性能分析.本文以AMEsim作为设计平 台就双压力液压系统进行参数建模、仿真、动态特 性分析和热分析.1双压柱塞泵的基本原理与建模 1.1双压柱塞泵的原理如图1所示为某型号的双压式变量泵的原理 图【I J.由图可知,当电磁阀断电后,阀芯右端的小 活塞与油箱相通,泵的出口压力为调压弹簧的设 定压力;当电磁阀通电后,泵的出口压力作用在阀 芯右端的活塞上,使弹簧压缩量增加,泵的出口压 力增高.本文中,弹簧的设定压力为150bar,电磁 阀通电后,输出压力设计为210bar.图1双压变量泵调压原理图1.2数字模型建模1

8、.2.1柱塞泵运动方程及模型这里主要分析柱塞相对于缸体往复直线运动 的位移、速度.柱塞泵工作时,传动轴带动缸体转 动,缸体旋转带动柱塞一方面与其一起转动,另一 方面相对于缸体作直线运动.这2个运动的合成 使柱塞上任何一点的运动轨迹都是椭圆.缸体由 d=0转过d角度后柱塞相对缸体的轴向位移s。 为a和7的函数口os。=兄ftan7（1一cos d （1 式中,R,为柱塞分布园半径,m;a为缸体的转角; y为斜盘的倾斜角.对上式求导数就可以得到柱塞相对于缸体的 运动速度%口。=Rf,sec2y（1一cos理+tan7sin 0（2 式中,为缸体的旋转角速度,rad/s;,为斜盘相 对于其转轴的转动

9、角速度.在AMEsim中建立的柱塞运动模型如图2所 示.图中,输入为缸体转动角速度和斜盘角速度, 输出为柱塞的线速度,南为柱塞泵的分度园半径. 函数1为（戈,=sec2戈-1一cosy（3 函数2为五（咒,=tan聋siny （4 函数中戈为斜盘倾角;y为缸体转动角度.速度转 换器可以将输入信号根据函数转化成线速度的形 式;机械连接器将输入的2个线速度求和,输出为 柱塞的线速度.函数l机械连接器柱塞线速度速度转换器函数2图2柱塞运动方程模型1.2.2柱塞泵流量方程及其模型实际应用中系统泄漏和液压油的可压缩性不 可避免,柱塞泵第J7v个柱塞的实际流量公式为 g。=Q。一Q。止一dK （5 其中,

10、Q。为第J7,个柱塞的理论流量;dK为第 个柱塞内液压油的压缩量,dn=dP。K;P。 为第v个柱塞内的即时压力;届为体积弹性模量; Qk。为泄漏流量.所以,第个柱塞的实际流量为 g。=4。尺f,sec2y（1一cos a。+tanysin仅。一Ql。“。一dK （6 式中A。为柱塞面积.假设柱塞的数量为m,则总 流量为口=g。=A,R,sec2y （1一cosa。+tan7sin a。一d以一Ql。k. （7 考虑泄漏和容积压缩的柱塞腔模型如图3所 示,柱塞腔由一个柱塞与一个泄漏和粘性阻力件 组合而成,柱塞是能量从机械域到液压域的转换 万 方数据第9期 卢 宁等:基于AMEsim的双压力柱塞

11、泵的数字建模与热分析 1057器,液压容器的体积取决于柱塞的位移和液体的 弹性模量,系统中同时考虑了柱塞腔的内泄漏和 粘性摩擦力.广广一缸体转动角速度进图3吸油口/排油口模型1.2.3配油盘吸油口及排油口模型图3为吸油口/排油口的模型,参数化模型 中,吸油窗由进油节流口实现,排油窗由排油节流 口实现.进油节流口和排油节流口的即时开度分 别决定了进油口和排油口的通油面积.油盘带着 柱塞转动时,柱塞相对于缸体作直线运动;当缸体 旋转时,在001800范围内,柱塞在弹簧力的作 用下由下死点不断伸出,柱塞腔的容积不断增大, 此时进油节流口打开,排油节流口关闭,油液被吸 人柱塞腔,为吸油过程.随着缸体继

12、续旋转,在 1800360。范围内,柱塞在斜盘的约束下油又从 上死点向下死点运动,柱塞腔的容积不断减小,此 时进油节流口关闭,排油节流口打开,油液被排出 柱塞腔,为排油过程.柱塞随着缸体的转动而转动,柱塞腔的实际 过流面积与缸体的转角位置有关;参数模型中过 流面积用节流口的节流面积体现.当其中一个节 流口打开时,另外一个节流口关闭,这样液压油就 可以从一个节流口进入柱塞腔,而从另外一个节 流口流出.1.2.4双压控制阀与随动活塞模型双压变量泵控制阀（图4中7由液压元件设 计库的元件组成,主要元件为二位三通阀、压力调 解柱塞和控制阀体.二位三通阀的进油腔与系统 压力相通,调压活塞的压力腔与二位三

13、通阀的排 油口相通.当二位三通阀断电时,调压活塞的压力 腔与油箱相通,此时柱塞泵的出口压力决定于控 制阀调压弹簧设定的预紧力,泵工作在低压状态; 当二位三通阀通电时,调压活塞的压力腔与泵出 口液压油相通,此时柱塞泵的出口压力决定于控 制阀调压弹簧设定的预紧力和输出液压油作用在 调压活塞产生的力之和,泵工作在高压状态. 1.2.5双压变量泵系统热分析模型图4所示为双压力变量泵的热模型,建立系 统热模型必须从分析软件的热库中选择具有热特 性的组成元件,参数设置中包含有与温度相关的 参数,如:环境温度、初始温度、散热系数、液压油 物理特性随温度的变化曲线等.为了简化视图,将 柱塞参数模型和活塞动力学

14、模型分别进行封装, 如图4中l和2所示.图4中10为压缩容积与散热元件模型,系统 散热部分由一个压缩容积组件、热传导组件和环 境温度组成.压缩容积代替双压泵与执行元件之 间管路内的液压油.热传导组件含有热交换口,是 压缩容积内的液压油与环境进行热交换的通路. 热传导组件含有2个参数:热传导率和接触面积,图4双压变量泵的热分析模型 l一柱塞的参数模型 2一活塞动力学模型 3一缸体转动惯量 4一电机5一斜盘转动惯量 6一随动液压缸 7一控制阀参数模型 8一环境温度9一散热环节10一压缩容积 ll一可控节流阀 12一油箱北京航空航天大学学报 2006年 它们共同决定了液压系统与外界环境的热交换过程.

15、油箱是从软件热库中选择的具有热特性的组件,油箱的散热特性可以通过设置液压油与环境 的散热面积和热传导率实现.2仿真分析葛 o R 幽2.1仿真参数（参见表1 时间/s表l 仿真参数 图6双压泵压力由低到高和由高到低变化曲线参数项 参数值 参数项 参数值 柱塞直径/mm 6斜盘转动惯量/（kgm“0.4柱塞数量 9刚体转动惯量/（kgm“O.1斜盘倾角/（o 12.5调压柱塞直径/mm 2.67斜盘分度圆半径/m 0.03液压缸散热面积s/mm230ooo 随动活塞直径/mm 15油箱底面周长mm 1000电机转速（rIIlin“looO 初始油液高度mm 300弹簧设定压力/bar 150随动

16、活塞到斜盘转轴距离/m O.06环境温度/ 30（w（。m2“ 2.2特性仿真曲线2.2.1双压变量泵的9.P曲线为了测试变量泵的流量.压力特性,分别在调 解压力为210bar和150bar的情况下,首先将节 流阀的开度达到最大（此时泵的排油压力为零, 随后逐渐减小开度增加变量泵的负载,泵的压力 随之上升流量减小,节流阀完全关闭后,泵的排油 压力达到最大,流量减小到零,从而得到双压泵的 Q-P曲线如图5所示.由图中曲线可以看出,双压 力泵在高、低压2种情况下的流量特性曲线均与 2种压力下的恒压泵理论曲线相符合.ob晕一￥卿蜒压力,bar图5压力流量曲线2.2.2双压泵在高低压转换时的脉动情况图

17、6为双压变量泵在高低压转换时的脉动曲 线.图中-0.5s时,二位四通阀通电,泵的出口 压力从150bar改变为210bar;=l s时,二位四通 阀断电,泵的出口压力从210bar改变为150bar. 从图中可以看出,双压泵的输出压力从低压向高 压变化和从高压向低压变化的稳定时间均小于 0.03s. 2.3模型热分析结果2.3.1工况分析双压系统热分析的整体仿真时间2000s;O一 1800s节流口开度O.071mm（假设的小负载情 况,系统压力为低压150bar;18002000s节流 口开度0.06mm（假设的大负载情况,系统压力 为高压（即假设负载发生变化,整个仿真过程中 保证泵的输出流

18、量基本不变.采用恒压泵源时,节 流阀开口不变（即系统在小负载情况下额外的压 力也消耗在节流阀上,系统压力恒定为210bar. 2.3.2仿真曲线图7中分别为双压泵和恒压泵系统油箱的油 温曲线,比较曲线可知系统在小负载的情况下,双 压泵系统的油箱温度为32.8,恒压泵的油箱温 度为34.2,两者相差1.6.因此,在如前所述 的负载情况下,双压泵的发热低于恒压泵.P赵鸡辖震仿具时间/s图7油箱温度变化曲线比较3结束语本文在柱塞泵理论分析的基础上,利用仿真 软件AMEsim建立了完善的双压变量泵的参数化 模型,分析了双压泵在高压和低压2种情况下的 动态特性和高低压变换时压力波动性能,得出了 双压泵的

19、压力.流量特性曲线.根据双压变量泵的 理论分析,本文使用软件的热库建立了双压泵的 热分析模型并进行仿真验证.结果表明,在相同工 作条件下,双压变量泵系统的工作效率高于恒压 变量泵;小负载情况下双压泵系统中因控制阀节 流产生的热量低于恒压变量泵系统.（下转第1086页1086北京航空航天大学学报 2006年极限升高,并且单向拉伸预应变对成形极限右半 部影响较大;22D12铝合金原始状态的成形极限高于新 淬火状态材料的成形极限;3在新淬火状态下,时效时间对材料的成形 极限有显著影响,2D12铝合金的成形极限随时效 时间增加迅速降低,以时效45min为例,平面应 变状态的8,比时效15min约降低1

20、5%;4新淬火状态材料的成形极限应力曲线随 着时效时间的增加而显著降低,但都保持近似的 直线形状.致谢本实验得到了沈飞公司板金分厂的大 力协助,及李小强博士研究生、陈劫实博士研究生 等的大力帮助,在此表示真诚的感谢!参考文献（Refe陀nc镪1中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册（第三 卷M.北京:中国标准出版社,2002Aeronautieal Materials Handbok of China Compilation Commit-tee.Aerorlaubcal mmerials haIldb00k of china（tllird v01ume M.Be巧i“g:standar

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