基于AMESim 的三柱塞軸向柱塞泵的動態(tài)特性仿真

王剛剛

（山西太鋼萬邦爐料有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

三柱塞軸向柱塞泵主要通過柱塞在缸體孔中做往復運動，交替改變?nèi)齻€密閉工作容腔的容積，由此完成吸液和排液過程。這種類型的泵因其壓力高、流量大等特點而被應用于各行各業(yè)，也廣泛應用于礦山機械中。作為液壓系統(tǒng)的動力裝置，軸向柱塞泵性能的好壞將會影響整個液壓系統(tǒng)的性能。隨著液壓技術的不斷發(fā)展，對軸向柱塞泵的額定流量和壓力的要求也不斷提高。柱塞泵一般通過增加柱塞直徑來增加泵的流量，但這樣會使泵的各部件結構尺寸變大，結構缺陷也加大。為提高柱塞泵各項性能，對其進行優(yōu)化顯得很有必要。然而，傳統(tǒng)的柱塞泵設計方法不僅費時費力，而且控制參數(shù)變化很困難[1]。為此，本文基于AMESim 對三柱塞軸向柱塞泵進行仿真研究。AMESim 是一款新型的液壓系統(tǒng)建模和仿真軟件，在該軟件中建立軸向柱塞泵的虛擬仿真樣機，可以反復修改樣機的結構和參數(shù)，直至滿足設計性能為止。通過建立虛擬仿真環(huán)境，可以降低新產(chǎn)品的測試成本，提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。因此，虛擬樣機技術對軸向柱塞泵的性能研究具有重要意義。

1 工作原理

軸向柱塞泵的工作原理（見圖1）：電動機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸和連桿又帶動柱塞在缸體孔內(nèi)左右移動。柱塞右移，密封容積增大形成負壓，排液閥在系統(tǒng)壓力和彈簧力作用下關閉，吸液閥在油箱壓力下，克服彈簧阻力打開吸油，完成吸油過程；柱塞左移，密閉容積減小壓力增大，排液閥打開排液，吸液閥在油壓和彈簧力作用下關閉，完成壓油過程。在曲軸連桿作用下，每個柱塞每分鐘往復400～600 次，并通過吸、排液閥連續(xù)不斷地完成吸排液。

圖1 軸向柱塞泵工作原理

2 動力學模型建立

2.1 軸向柱塞泵數(shù)學模型

曲軸連桿機構運動（見圖2）：曲軸以角速度ω順時針旋轉(zhuǎn)，使得連桿帶動柱塞左右移動，設柱塞移動的前死點為A，A 點到柱塞中心的距離設為x，設后死點為B 點，其到前死點A 的距離S 為柱塞左右移動的行程，若吸入行程x 為正，則柱塞運動規(guī)律可表示為[2]：

圖2 曲軸連桿機構運動圖

式中：x 為柱塞位移，m；u 為柱塞速度，m/s；a 為柱塞加速度，m/s2；φ 為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；ω 為曲柄角速度，rad/s；t 為時間，s；r 為曲柄半徑，m；λ 為曲柄半徑r與連桿長度l 之比。

2.2 柱塞泵的流量特性

由于在運動過程中，柱塞運動速度是瞬時的，故軸向柱塞泵的瞬時輸出流量是變化的，存在流量脈動。單個柱塞排油時的理論瞬時流量和實際流量為[2]：

3 仿真分析

3.1 軸向柱塞泵液壓模型的建立

建立三柱塞軸向柱塞泵的液壓模型如圖3 所示。

圖3 軸向柱塞泵液壓模型

3.2 參數(shù)設置

軸向柱塞泵的主要結構參數(shù)如表1 所示。

表1 主要參數(shù)

4 仿真結果分析

4.1 柱塞運動分析

柱塞在曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時的速度和位移曲線如圖4 所示。

圖4 曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時的柱塞速度與位移曲線

由圖4 分析可知：柱塞泵在運行狀態(tài)下，其速度和位移都是呈周期性變化的[3]。當曲軸轉(zhuǎn)速為450 r/min 時，柱塞最大速度約為3.259 6 m/s，速度的變化周期約為0.14 s。柱塞運動速度對泵內(nèi)各運動部件的摩擦和磨損造成影響，尤其對柱塞、缸體孔及其密封件的影響最為顯著。

柱塞運動速度過大，運動副的摩擦和磨損嚴重，會使泵的內(nèi)泄露增加，從而導致容積效率下降。若柱塞運動速度過低，為保證泵的流量，則液力端的結構尺寸將會增大，此外，柱塞所受油液的作用力與柱塞直徑的二次方成正比，驅(qū)動端受力增大，從而導致泵的結構尺寸和質(zhì)量增大。

4.2 曲軸轉(zhuǎn)速對流量脈動的影響

圖5 為曲軸轉(zhuǎn)速分別為450 r/min、550 r/min 和650 r/min 時柱塞泵的流量脈動曲線，下頁圖6 為各轉(zhuǎn)速下泵的容積效率變化曲線。由圖5 可知，曲軸轉(zhuǎn)速越高，泵的流量越大，并且泵的瞬時流量有脈動，轉(zhuǎn)速越高，流量脈動率越大[4-5]。由圖6 可知，軸向柱塞泵在曲軸轉(zhuǎn)速分別在450 r/min、550 r/min 和650 r/min 時，容積效率分別為95.9%、95.0%和94.6%。由此可見，曲軸轉(zhuǎn)速越大，泵的容積效率越低。所以，在選擇曲軸轉(zhuǎn)速時，應將轉(zhuǎn)速控制在一個合理的范圍內(nèi)[6]。

圖5 曲軸轉(zhuǎn)速不同時泵的流量

圖6 曲軸轉(zhuǎn)速不同時泵的容積效率

5 結論

1）柱塞泵在運行狀態(tài)下，其速度和位移都是呈周期性變化的，為了降低各運動部件的摩擦磨損，應合理選擇柱塞速度。

2）曲軸轉(zhuǎn)速越高，泵的流量越大，并且泵的瞬時流量有脈動，轉(zhuǎn)速越高，流量脈動率越大；曲軸轉(zhuǎn)速越大，泵的容積效率越低。因此，在選擇曲軸轉(zhuǎn)速時，應該將轉(zhuǎn)速控制在一個合理的范圍內(nèi)。