飛機手搖泵數學建模與運動仿真

張皓

摘 要：液壓動力元件起著向系統提供動力源的作用，是系統不可缺少的核心元液壓件。而手搖泵是一種由人力驅動的柱塞泵。在一些小型的飛機上，它通常只在主液壓泵損壞時作應急用。此外，當飛機在地面停放時，還可以利用手搖泵向系統供油。本設計對手搖泵的構件進行數據測量和運動分析，通過運用proe軟件來對手搖泵進行數學建模，然后再進行裝配，最后對其進行運動仿真來模擬手搖泵的真實運行情況，從而達到更加了解和清楚手搖泵作用的目的。

關鍵詞：手搖泵 Pro/E軟件，數學建模，運動仿真，液壓系統

1 引言

手搖泵屬于柱塞泵的一種。而柱塞泵特性研究對于整個飛機液壓系統性能有著至關重要的影響，因此國內外很多的研究機構和液壓元件生產公司都對柱塞泵的特性投入了大量研究，進行了多方面的探索[1]。隨著工業技術的不斷發展，液壓傳動也越來越廣，而作為液壓傳動系統心臟的液壓泵就顯得更加重要了。在容積式液壓泵中，惟有柱塞泵是實現高壓﹑高速化﹑大流量的一種最理想的結構，在相同功率情況下，徑向往塞泵的徑向尺寸大、徑向力也大，常用于大扭炬、低轉速工況，做為按壓馬達使用。而柱塞泵結構緊湊，徑向尺寸小，另外柱塞泵易于變量，能用多種方式自動調節流量，流量大。由于上述特點，柱塞泵被廣泛使用于工程機械、起重運輸、冶金、船舶等多種領域。

柱塞式液壓泵是靠柱塞在柱塞腔內的往復運動，改變柱塞腔容積實現吸油和排油的。是容積式液壓泵的一種。柱塞式液壓泵由于其主要零件柱塞和缸休均為圓柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作壓力高而得到廣泛的應用。

2液壓系統

2.1液壓系統組成

目前對液壓系統的分類方法主要有兩種，一種是按組成系統的液壓元件的功能類型劃分，另一種是按組成整個系統的分系統功能劃分[2]。

1）按液壓系統的功能劃分

按液壓系統的功能劃分，液壓系統主要由四種元件組成。

① 動力元件，指液壓泵，其作用是將原動機的機械能轉換成液壓能。

② 執行元件，其作用是將液體的壓力能轉換成機械能。

③ 控制調節元件，用以調節各部分液體的壓力、流量和方向，滿足液壓系統工作的要求。

④ 輔助元件，除上述各元件之外的其他元件都稱為輔助元件。

2）按組成系統的分系統的功能劃分

從系統的功能來看，液壓系統應分為兩大部分。

① 液壓源系統

液壓源包括泵、油箱、油濾系統、冷卻系統、壓力調節系統及蓄壓器等，現代民航客機上一般有三個隔離且獨立的液壓源系統。

② 工作系統

它是利用液壓源系統提供的液壓能實現工作任務的系統。利用執行元件和控制調節元件進行適當的組合，即可產生各種形式的運動或不同順序的運動。

2.2 液壓動力

液壓動力系統由主液壓系統、地面勤務系統、輔助液壓系統、液壓指示系統組成[3]。

1）主液壓系統：包括A系統和B系統。

2）地面勤務系統：地面勤務系統從一個中心點為所有的液壓油箱加油。

3）輔助液壓系統：包括備用液壓系統和動力轉換組件系統。

4）液壓指示系統：包括液壓油量系統、液壓壓力系統、液壓泵低壓警告系統、液壓油超溫警告系統。

2.3地面勤務系統

地面勤務系統是從一個中心位置為所有的液壓油箱加油，位置如上圖所示。地面勤務系統部件主要包括油箱加油選擇活門、油箱加油過濾器組件、油箱人工加油泵、壓力加油接頭。

油箱加油選擇活門：是人工操縱的三位選擇活門。

油箱人工加油泵：是一個柱塞式泵。該泵在柱塞頂部有一個由彈簧加載的單向活門，另一個單向活門在吸油口上。油泵由一個人工操縱手柄。

用油箱加油選擇活門輸送來自人工加油泵的液壓油時，應注意A口將油液輸送至系統A油箱；B口將油液輸送至系統B和備用系統油箱。

在人工加油操作中使用人工加油泵的吸油軟管。軟管一端在人工加油泵上，軟管另一端放入液壓油桶上。不適用時，在吸油軟管端加保護蓋。

3 手搖泵運動仿真

3.1Pro/E機構仿真

Pro/E提供了一組功能強大的工具用來模擬測試產品或設備的機械性能。通過模擬模型的實際工作情況，CAE可在制造產品的物理樣機前，以計算機仿真的形式檢驗產品的位置、運動、受力、受熱等是否符合實際要求，以減少產品返工的次數，節約開發成本，加快產品設計進度[4]。

機構仿真是Pro/E的一個應用模塊，其功能是對組件產品進行機構運動分析及仿真，以確保組件在進行機構運動時沒有零件干涉的現象，并確認零件的運動達到預期的效果。

3.2運動仿真

手搖泵的工作原理是當柱塞向右運動，工作腔容積增大，壓力減小，下閥瓣打開，把油吸入，此時上閥瓣關閉；當柱塞向左運動，工作腔容積減小，壓力增大，上閥瓣打開，把油擠出，此時下閥瓣關閉。

為了達到更加真實的模擬出手搖泵的運動狀況，需要多各個元件的運動起始時間和終止時間進行分析。

①對柱塞桿的運動時間進行分析。

在機構模塊下，找到左下角機構樹的“電動機”選項，右鍵選擇ServoMotor1的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到柱塞桿的時間-速度圖，可以看出柱塞桿是在0-7.6s過程是向左移動，在7.6-14.8s過程是從左往右移動，再然后向右移動到終止時間。

②對上閥瓣運動時間的分析

在機構模塊下，找到左下角機構樹的“電動機”選項，右鍵選擇上閥瓣的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到上閥瓣的位置-時間圖，可以看出上閥瓣在0-3s上升到6mm的位置，然后在3-7s位置保持不變，7-8s回到初始位置，之后到終止時間一直保持位置不變。

③對下閥瓣運動時間的分析

在機構模塊下，找到左下角機構樹的“電動機”選項，右鍵選擇下閥瓣的編輯定義，彈出“伺服電動機定義”對話框，單擊下面的“圖形”按鈕 ，得到上閥瓣的位置-時間圖，可以看出上閥瓣在0-3s上升到6mm的位置，然后在3-8s位置保持不變，8-9s回到初始位置。

4 結論

在本次運動仿真中，通過Pro/E的組件模塊、機構模塊和動畫模塊，得到簡化后手搖泵的運動仿真動畫，通過對比仿真結果與理論分析結果，驗證了本次仿真的有效性，同時也可以很直觀的柱塞泵吸油、供油的過程。