基于AMESim的油氣潤滑遞進式分配器特性的仿真與分析

蔡阿利，孫啟國，呂洪波

(北方工業大學機電工程學院，北京100144)

油氣潤滑是一種由壓縮氣體帶動可定量控制的潤滑油至潤滑點，并且由壓縮氣體帶走潤滑點的熱量的微量潤滑技術。油氣潤滑也是一種油氣兩相冷卻潤滑方式，它具有潤滑效率高、介質消耗少、適應惡劣工況、運行可靠和維護量小等優點［1-2］。因此，油氣潤滑技術不僅廣泛應用于冶金機械［3］，而且也越來越多地應用于醫療器械、高速主軸等設備［4］。國外關于油氣潤滑技術的研究和應用已經比較成熟［5-6］，國內對該技術的應用研究較多［7-8］，而對整個油氣潤滑系統，特別是系統關鍵部件，如油量分配器和油氣混合器等，從理論到應用進行系統性的研究較少。

油量遞進式分配器是油氣潤滑系統的關鍵部件之一。在油氣潤滑系統的設計過程中，由于系統不存在負載，因此供油壓力的大小只要能夠使分配器的供油活塞順利運動形成環狀流即可［9］，故遞進式分配器系統供油壓力的確定是關鍵。與此同時，潤滑油的定量控制也是由遞進式分配器的周期性工作實現的。因此開展遞進式分配器的結構和工作性能研究顯得尤為重要。

AMESim是一種具有圖形化開發環境的應用軟件，用于工程系統建模、仿真和動態分析，由于其操作的便捷性和界面的友好性，在諸多工程領域［10-11］，特別是液壓系統，例如液壓閥塊動靜特性仿真分析［12-13］，得到了廣泛應用。

文中擬利用AMESim仿真平臺建立遞進式分配器的仿真模型，分析遞進式結構、黏性摩擦系數、系統流量及壓力和節流閥節流對遞進式分配器工作特性的影響。

1 遞進式分配器的數學建模

遞進式分配器活塞力平衡微分方程:

式中:p為輸入口油液壓力，p'為出油腔壓力，A為活塞進出油腔受力面積，m為活塞質量，Bv為黏性摩擦系數，ff為活塞與內壁間的摩擦力。

活塞的速度:

式中:q為流量，A為活塞進出油腔受力面積。

通過分析遞進式分配器的工作原理及結構可知:當忽略分配器內部的沿程損失時，分配器出油口流量與進油口流量是相同的。而在此仿真中，在分配器進油口處設置了一節流閥，故節流閥出口流量及壓力在理論上等于分配器進油口的流量及壓力。

節流閥出油口的理論流量為:

式中:A為節流面積，Cdc為流量系數，Δp為節流孔前后壓差，ρ為油液密度。

2 遞進式分配器的仿真模型

2.1 遞進式分配器的工作原理及仿真模型

目前分配器的結構主要有遞進式和非遞進式兩類，遞進式分配器主要有片式和塊式兩種類型。在油氣潤滑系統中多采用片式，即每一個遞進式分配器都由1個起始片、至少3個中間片和1個終止片組成。中間片的個數從理論上說可以是N片，但是不管數目多少均可以與起始片及終止片組成一個完整的整體，如圖1所示。

圖1 遞進式分配器

中間片用于實現定量輸油，而起始片和終止片用于構成完整的回路。遞進式分配器中每一個中間片均有一個工作活塞和兩個出油口，出油口設在中間片的左右兩端，文中選擇3組相同型號的中間片進行建模。在建模過程中，根據遞進式分配器的結構原理，中間片用活塞及腔體表示，起始片和終止片用回路代替，利用AMESim液壓元件庫搭建了其仿真模型，如圖2所示。

如圖2中實線箭頭所示，潤滑油從上部進油口進入，由活塞Ⅰ的左通道進活塞Ⅱ的左腔，并將活塞Ⅱ向右側推，活塞Ⅱ右腔的潤滑油經活塞Ⅰ的右側通道，由出油口1輸出;與此同時，活塞Ⅱ的左側通道接通，潤滑油進入活塞Ⅲ的左腔，活塞Ⅲ被推到右側，右腔的潤滑油經活塞Ⅱ的右側通道由出油口2輸出。此時活塞Ⅲ的左側通道接通，潤滑油進入活塞Ⅰ的右腔將活塞Ⅰ推到左側，活塞Ⅰ的左腔的潤滑油通過活塞Ⅲ的右側通道，由出油口3輸出。

圖2 遞進式模型

同理如圖中虛線箭頭，按上述輸油線路，當活塞Ⅱ、Ⅲ推至左側時，活塞Ⅱ、Ⅲ左腔的潤滑油通過活塞Ⅰ、Ⅱ的左側通道由出油口4、5輸出，同時活塞Ⅲ的右側通道接通，潤滑油進入活塞Ⅰ的左腔，將活塞Ⅰ推至右側，右腔的潤滑油經活塞Ⅲ的左側通道，由出油口6輸出。

根據上述輸油步驟，完成一次供油循環，每個出油口按照順序定量輸油，周而復始。

2.2 仿真參數的設置

根據已有的遞進式分配器的結構及工作參數，設置仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

在搭建仿真模型的過程中加入了節流閥，用以調節所需的油液流量及壓力。節流閥的節流孔徑根據實際管道選擇通徑6 mm，在研究分配器內部結構和黏性摩擦系數對其工作特性的影響時，設置初始孔徑為0.8 mm，最大信號輸入為50，初始信號輸入為30，0～1 s內保持并循環，即節流閥出口壓力保持在1.9 MPa左右，流量為0.5 L/min。

3 仿真結果及分析

3.1 遞進式分配器遞進式結構對其工作特性的影響

圖3給出了活塞Ⅲ的力-時間曲線。活塞的左右腔交替供油，因此活塞受力情況也相應變化。以左腔進油為例，右腔對活塞壓力為負載壓力與活塞右端面積之積，其值保持在39.25 N左右。而左腔對活塞壓力為進油壓力與左端面積之積，可以看出該值隨時間變化有明顯的波動。圖4給出了3個活塞位移-時間曲線。可見:3個活塞的運動并非一個活塞運動到底后另一個活塞再運動，活塞運動時存在著重疊區域。由圖4虛線a處，活塞Ⅲ未運動到端部時活塞Ⅱ便開始運動了;同理，在虛線b處，活塞Ⅱ未運動到端部時活塞Ⅰ便開始運動。正是由于這一重疊區域的存在，使得活塞在連續受力時發生進油腔力波動。

圖3 活塞Ⅲ力-時間曲線型

圖4 3個活塞位移-時間曲線

圖5給出了遞進式分配器進出油口流量-時間曲線。由圖5可見:分配器進油口處產生的流量波動與出油口處產生的流量波動相吻合，與活塞重疊運動有關。因此，重疊運動也對分配器進出油口流量產生了影響。由于遞進式分配器的結構原因，使得3個活塞在運動時會產生一段時間的重疊，此重疊影響了分配器動態特性。

圖5 遞進式分配器進出油口流量-時間曲線

3.2 黏性摩擦系數對遞進式分配器工作特性的影響

仿真中設定活塞的黏性摩擦系數Bv分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 N·s/m，節流閥按照初始時參數設置，仿真時間為0.5 s，步長為0.000 1 s。圖6和圖7分別給出了黏性摩擦系數分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 N·s/m時活塞的位移-時間曲線和出油口流量-時間曲線。

圖6 不同黏性摩擦系數下活塞位移-時間曲線

圖7 不同黏性摩擦系數下出油口流量-時間曲線

由圖6可見:黏性摩擦力的存在對活塞運動情況影響較大。黏性摩擦系數越大，黏性摩擦力越大，活塞的動作越平緩，且在活塞回程運動時，由于黏性摩擦力的作用，活塞的動作會滯后。由圖7可見:隨著黏性摩擦系數的增加，出油口的瞬時潤滑油流量隨之變小，但出油口出油時間增加，最大增加量為0.052 s，且出油間歇加大。

3.3 供油量和供油壓力對遞進式分配器工作特性的影響

調節節流閥的開口可以做到對流量、壓力的控制。節流孔通徑設為6 mm，設定輸入最大信號sigmax=6 000，這里的仿真信號主要用于控制節流閥節流面積，不同的信號下計算得到的節流閥的各個參數如表2所示。由表2可見，輸入信號大于150時除節流面積外，其他仿真變量均達到相對穩定的值，故選擇輸入信號為150作參照。

表2 節流閥輸入信號與對應的仿真變量

圖8給出了輸入信號為10、15、20、30、150時的活塞位移-時間曲線。圖9給出了輸入信號為50、80、100、120、150時活塞位移-時間曲線。

圖8 輸入信號為10、15、20、30、150時活塞位移曲線

圖9 輸入信號為50、80、100、120、150時活塞位移曲線

圖10—12給出了不同輸入信號下分配器出油口流量、節流閥出口流量和壓力曲線。

圖10 分配器出油口流量曲線

圖11 節流閥出口流量曲線

圖12 節流閥出口壓力曲線

由圖8可見:當輸入信號為10、15、20、30時與輸入信號150相比較，活塞的位移曲線有著明顯不同，輸入信號越小活塞的運動周期越長，運動頻率越大;由圖10可見:出油口流量隨著活塞位移變化也有較大的變化，可以認為此時相應信號對應的節流效果明顯。因此，在此輸入信號范圍內，隨著節流面積的增大，活塞的位移變化頻率增加，出油口瞬時流量明顯增大。由圖11和圖12可見:在這一范圍內節流閥出口流量及壓力較為平穩。因此，節流面積在這一范圍內可以較為精確地對遞進式分配器的工作狀態進行調節。由圖9可見:當輸入信號為50、80、100、120時，雖然節流面積有明顯變化，但活塞位移變化及出油口流量曲線重合度較高，此時可以認為當輸入信號大于50后，節流閥相應的節流口對應的節流面積對系統的節流效果較小，即對遞進式分配器的動態特性調節作用較小。

綜上可以得到:針對該種型號的節流閥，當輸入信號在10～150變化時，1 s內活塞的動作次數隨著輸入信號的增加而增加，而供油頻率亦隨著活塞動作頻率的增加而增加，輸入信號在10～50范圍內遞進式分配器的動態特性變化較大。輸入信號達到150后，節流閥出口流量穩定在0.7 L/min，且出口壓力也不再增加。此時，分配器出油口流量也穩定在0.7 L/min，且出油頻率也保持穩定。

4 結論

在分析遞進式分配器工作原理的基礎上，利用AMESim搭建了遞進式分配器的仿真模型，對不同工況下遞進式分配器的動態特性進行了分析，得到了如下結論:

(1)遞進式分配器3個活塞順序運動時，當一個活塞尚未完全運動到端部時，下一個活塞便開始動作，此重疊運動會導致系統流量及壓力的波動。

(2)隨著黏性摩擦系數的增加，活塞的運動趨于滯后，系統出油口流量降低，但出油時間延長。合理的黏性摩擦系數有助于系統出油穩定。

(3)隨著節流閥節流面積的增加，系統流量隨之增加，而流量、壓力的不穩定性也隨之增大;當節流閥節流面積達到一定數值后，流量保持在一定值并伴隨著較大的波動。

(4)分析了節流閥節流面積對分配器出油口流量的影響，為后續實現油氣潤滑系統的閉環控制提供了重要參數。

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