基于AMESim的恒壓控制變量泵仿真分析

何佩云

（廣東省交通城建技師學院，廣州 510520）

0 引言

由于液壓控制系統具有功率大、自動化程度高、機電液一體化控制、穩定性好等優點，被廣泛應用于工程機械、車輛、船舶等動力控制系統。但是隨著技術的革新和節能減耗的需求，液壓控制系統及其部件能耗大限制其更好地發展應用。通過無數次的工業實踐，運用變量容積調節系統可以提高能源利用率，很好地實現節能效果。

隨著技術的不斷發展和革新，液壓控制系統在工作響應速度快、系統運行穩定性高、系統故障率降低且系統容量大的基礎上，在高壓、高可靠性、節能環保等方向取得了重大進展。而液壓泵作為液壓控制系統的核心部件，將動力機械傳遞的機械能轉化為液體的壓力能[1]。在液壓控制系統中，包含泵控系統和閥控系統。而泵控系統對系統液流能量控制，可以很好地提高液壓系統中的液流能量利用率，避免不必要的能量損失，隨著節約能耗技術的進步，變量泵作為主要原件，逐漸被廣泛應用于各種液壓控制系統。

在種類繁多的變量泵中，恒壓變量泵應用最為廣泛，其獨特的高壓小流量和低壓大流量特性符合大多液壓控制系統[2]。同時，與控制系統中運用閥控系統對比，可以更好地實現節約能耗。恒壓式變量泵被更多運用為伺服系統的恒定壓力泵源，對保障整個系統正常工作、保持穩定性和及時的響應具有重要作用。因此，對恒壓變量泵的研究具有重要意義。

1 恒壓變量泵控制原理

變量柱塞泵其實就是一個小型的液壓系統，通過控制閥、控制泵的斜盤傾角控制泵的輸出流量、壓力和功率[3]。其中，恒壓控制閥就是通過系統的壓力反饋，利用恒壓控制閥控制液壓泵的斜盤傾角。

本文研究的恒壓控制泵，具體工作原理：恒壓控制泵工作初期，內部調節機構設定泵口輸出壓力，在泵實際工作過程中，泵口輸出壓力達到額定設定壓力值時，內部調節機構會維持穩定工作，同時，對應泵出口流量積極響應，從而不會有液流的損失。

恒壓控制泵工作原理如圖1 所示，若恒壓泵內部調節機構設定泵口輸出壓力為P1，整套液壓系統的工作壓力P＜P1，泵內部調節機構處于低位，恒壓泵左側為高壓油液，右側為低壓油液，此時，恒壓泵的流量達到了最大值；而整套液壓系統的工作壓力P≥P1，泵內部調節機構處于高位，恒壓泵左側和右側均為高壓油液，此時，恒壓泵的流量處于最小值。

圖1 恒壓控制泵原理

2 理論分析

本文研究對象為力士樂A4VS0 恒壓控制泵，圖2 所示為其工作性能曲線[4]。圖2（a）為工作靜態性能曲線，是恒壓泵在設定的額定輸出壓力值，其對應的流量逐漸變化的曲線；圖2（b）為工作動態曲線，是工作壓力發生階躍變化（恒壓設定值在變化范圍之間）時，恒壓變量的工作流量從最小到最大、最大到最小的變化時間[5]。

圖2 恒壓控制泵的性能曲線

基于液壓仿真分析平臺AMESim，恒壓泵內部控制部件的變化對泵的靜態工作特性影響進行分析[6－7]。隨后通過實驗驗證，按照理論分析設置工況參數，得到實際工作壓力、流量等參數，為后續的分析奠定了基礎。

3 AMESim仿真模型的建立與分析

恒壓變量柱塞泵作為液壓系統的核心部件，第1、2節已對其工作機理、自身控制系統和主要控制結構的原理參數進行詳細地分析。但完全基于理論仿真分析層面，沒有考慮實際工況，得到結果不嚴謹，因此，對恒壓泵實際的工作性能參數、設置邊界條件、建立模型進行模擬分析。根據實際模擬分析結果與實際工作情況的參數進行對比，對整體分析具有較好的驗證。根據恒壓泵實際工作機理，基于液壓仿真分析平臺AMESim建立恒壓泵的模型，如圖3所示。

圖3 恒壓控制泵的AMESim仿真模型

運用控制變量分析方法，根據恒壓泵改變內部控制部件設定的額定輸出壓力，液壓系統的整體壓力都會改變。對泵內控制部件設定的不同輸出壓力分析可得：仿真結果與理論分析基本相同。泵內控制部件設定的輸出壓力越大，整個系統的輸出壓力值會越大，與圖4所示泵口不同輸出壓力特性曲線一致。

圖4 泵口不同輸出壓力特性曲線

在AMESim 仿真分析平臺處理下設定恒壓控制閥的不同設定壓力（即預壓縮量），仿真可以得到如圖4所示的壓力流量曲線。根據壓力曲線分析得到：恒壓調節部件設定的越大，則對應的恒壓泵的變量值越大。恒壓泵輸出壓力分別為：5 MPa、15 MPa、25 MPa時，恒壓泵從最小值逐漸變化為最大值，對應的值分別為：0.3 MPa、0.28 MPa、0.48 MPa。

4 試驗驗證

基于第2 節對恒壓控制泵的理論分析，以仿真分析設置的邊界參數為實際工作參數，進行實驗驗證，得到：恒壓泵實際工作靜態、動態曲線與理論仿真分析基本一致。在恒壓泵正常工作過程中，輸出壓力達到恒定值，泵的輸出流量也達到對應的額定最大值，從而泵的液流泄漏量較??；而當恒壓泵內部調節部件恒壓閥調節導致輸出壓力大于額定值，恒壓泵內部液流泄漏量隨著輸出壓力增大而增大，泵出口的輸出流量反而相應地減少。雖然恒壓泵在實際工作過程中壓力會有正常范圍的浮動，但是整體的輸出壓力會保持在設定壓力范圍左右，而且流量和負載也相互配合，實現更好的節能效果。

通過實驗分析可得：恒壓泵在實際工作過程中，泵口的輸出壓力會在正常范圍內浮動。當恒壓泵的輸出壓力達到額定最大壓力值時，恒壓泵內部調節部件會在正常范圍內變大，實現自身的一個卸載荷，與此同時，恒壓閥的調節部件也會被動壓縮，導致實際輸出壓力超出一定范圍的設定值。

圖5 所示為恒壓泵實際工作試驗。其中，圖示標記的為恒壓控制泵的恒壓控制閥，閥右端的調節螺釘為調節恒壓控制泵的壓力設定值的大小旋鈕。

圖5 恒壓控制泵試驗

恒壓泵內部控制部件設定不同的額定輸出壓力分別為5 MPa、15 MPa 和25 MPa，改變恒壓泵的輸出壓力，使得液壓泵在最大排量和最小排量間切換，并記錄壓力、流量數據，曲線如圖6 所示[8]。輸出壓力分別為5 MPa、15 MPa 和25 MPa 時，恒壓泵從最小值逐漸變化為最大值，對應值分別為0.2 MPa、0.68 MPa和0.78 MPa。

圖6 恒壓泵測試曲線

總之，恒壓泵實際工作結果與理論仿真結果基本一致，恒壓泵的靜態、動態實際工作參數，隨著恒壓泵內部調節部件設定額定值的變化，也會同步變化。

5 結束語

本文基于AMESim 仿真分析平臺，對恒壓泵正常工作過程的靜態、動態特性進行理論仿真分析，并設置相同工作參數進行實驗驗證，理論結果和仿真結果基本一致，對恒壓泵后續研究具有指導意義。恒壓泵在實際工作過程中，泵口輸出壓力在設定值正常范圍浮動時，液壓系統整體響應的時間也會變化。并且，恒壓泵的靜態、動態實際工作參數，隨著恒壓泵內部調節部件設定額定值的變化，也會同步變化。