1、2006年9月第32卷第9期北京航空航天大學學報Journa l o f Be iji ng U niversit y of A eronautics and A stronauti c s Sep t ember 2006V o.l 32N o .9收稿日期:2005-11-24作者簡介:盧寧(1976-,男,河北定州人,博士生,lqn i ng16163.co m.基于A MEsm i 的雙壓力柱塞泵的數字建模與熱分析盧寧付永領孫新學(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,北京100083摘要:利用AM ES i m 仿真軟件對雙壓力液壓系統進行了建模與仿真.建立了軸向柱塞泵運動方程、

2、流量方程和配油盤的仿真模型,進行了相應的仿真計算.建立了雙壓力泵控制閥的仿真模型,著重分析了雙壓泵在高、低2種壓力下的流量特性和壓力切換時的動態特性.建立了一套完整的液壓系統,分析比較了恒壓變量泵液壓系統和雙壓力液壓系統在相同負載、散熱環境和運行時間下的溫升情況.結果表明雙壓力泵的動態特性與理論分析基本相符,在需要2種壓力的系統中,雙壓力泵源在工作效率上明顯優于恒壓泵源.關鍵詞:數字建模;仿真;AMESi m ;雙壓力泵;熱分析中圖分類號:TH 322文獻標識碼:A 文章編號:1001-5965(200609-1055-04D i g it a lmode li n g o f doub l

3、e press ax i a l p i s t on pu mp andit s ther m a l anal y s i s bas i n g on AMEsm iLu N i n g Fu Yong ling Sun X i n xue(S chool of Auto m ati on S ci en ce and E lectricalE ngi neeri ng ,Beiji ng Un i versity ofA eronau tics and A stron auti cs ,Beijing 100083,Ch i na Abstr act :H ydraulic syste

4、 m si m ulation m ode l o f doub l e pr ess axia l piston pum p was estab lished i n AM ES i m .M ove m ent function ,fl u x f u nc tion and s w ash plate m ode l o f axia l pist o n pu m p we r e cr eated ,andcarried on the corr esponding si m u lation co m pu tation .Contr o l va l v e si m ulatio

5、n m ode l o f double pr e ss axia l pis -t o n pum p w as estab lished i n AMESi m ,and t h e anal y sis e m phasis w ere t h e flux characteristic and t h e p r essure cut dyna m ic characteristic under t w o pr e ssur es .To co m pare t h e resu lt o f te m pera t u re rise ,a co m plete hydr au -

6、lic sy ste m s w as estab lished for double press axia l piston pu m p and fix pr ess ax ia l pist o n pum p under t w o k i n ds of hydrau lic pu m p sources in the sa m e l o ad ,the sa m e radia tion environm en t and t h e sa m e r unn i n g ti m e .Si m u -lation resu lts show that dyna m ic ch

7、aracteristic of doub l e press axia l pist o n pum p m atch t h e t h eo r y ,the efficien -cy exceeds fix press ax ial piston pum p .Key wor ds :dig italm odeling ;si m u lation ;AM Esi m ;doub le pr ess pum p ;the r m al analysis目前,飛機上采用的液壓能源系統基本上是液壓變量泵源,液壓泵的輸出額定壓力是按照最高壓力工況設計的,實際上對于一架典型的戰斗機來說,要求最高

8、工作壓力的時間還不到整個飛行時間的十分之一,其余的時間主要在低壓工作狀態.因此,現今的機載液壓系統的恒壓變量泵源系統造成了很大的浪費,不能滿足未來飛機的需要1.鑒于此,西方發達國家特別是美國和英國等從20世紀80年代開始了變壓力機載液壓系統的研制,提出了雙壓力變流量機載泵源形式.為了深入了解機載變壓液壓能源系統的靜、動態特性,設計理想的機載變壓泵源,需要對雙壓能源系統作深入的理論分析和仿真研究.AM ES i m (Advanced M odeling Envir on m ent for perfor m ing Si m u lations o f eng i n ee ring sy s

9、te m s 是一種新型的工程仿真軟件,主要用于模擬控制對象的真實建模環境.AM ES i m 軟件是基于圖形化的仿真軟件,帶有多種工程設計軟件包;其中液壓仿真軟件包包含了大量常用的液壓元件,液壓源和液壓管路等,該軟件在建立液壓系統數字模型的過程中充分考慮到液壓油的物理特性和液壓元件的非線性特性,例如:液壓油的壓縮性、滯環、飽和特性、庫侖力、元件的泄漏等,其功能強大的后處理功能更是為工程分析提供了良好的支持.它是一個圖形化的開發環境,用于工程系統的建模、仿真和動態性能分析.本文以AM ES i m 作為設計平臺就雙壓力液壓系統進行參數建模、仿真、動態特性分析和熱分析.1雙壓柱塞泵的基本原理與建

10、模1.1雙壓柱塞泵的原理如圖1所示為某型號的雙壓式變量泵的原理圖1.由圖可知,當電磁閥斷電后,閥芯右端的小活塞與油箱相通,泵的出口壓力為調壓彈簧的設定壓力;當電磁閥通電后,泵的出口壓力作用在閥芯右端的活塞上,使彈簧壓縮量增加,泵的出口壓力增高.本文中,彈簧的設定壓力為150bar ,電磁閥通電后,輸出壓力設計為210ba r .圖1雙壓變量泵調壓原理圖1.2數字模型建模1.2.1柱塞泵運動方程及模型這里主要分析柱塞相對于缸體往復直線運動的位移、速度.柱塞泵工作時,傳動軸帶動缸體轉動,缸體旋轉帶動柱塞一方面與其一起轉動,另一方面相對于缸體作直線運動.這2個運動的合成使柱塞上任何一點的運動軌跡都是

11、橢圓.缸體由=0轉過角度后柱塞相對缸體的軸向位移s p 為和的函數2s p =R f tan (1-co s (1式中,R f 為柱塞分布園半徑,m ;為缸體的轉角;為斜盤的傾斜角. 對上式求導數就可以得到柱塞相對于缸體的運動速度v pv p =R f se c 2 (1-cos + tan sin (2式中,為缸體的旋轉角速度,rad /s ;為斜盤相對于其轉軸的轉動角速度.在AM Esi m 中建立的柱塞運動模型如圖2所示.圖中,輸入為缸體轉動角速度和斜盤角速度,輸出為柱塞的線速度,k 為柱塞泵的分度園半徑.函數1為f 1(x ,y =sec 2x 1-co s y (3函數2為f 2(x

12、 ,y =tan x sin y(4函數中x 為斜盤傾角;y 為缸體轉動角度.速度轉換器可以將輸入信號根據函數轉化成線速度的形式;機械連接器將輸入的2個線速度求和,輸出為柱塞的線速度.圖2柱塞運動方程模型1.2.2柱塞泵流量方程及其模型實際應用中系統泄漏和液壓油的可壓縮性不可避免,柱塞泵第N 個柱塞的實際流量公式為q n =Q n -Q leak -d V n(5其中,Q n 為第N 個柱塞的理論流量;d V n 為第N個柱塞內液壓油的壓縮量,d V n =d P n /V n ;P n 為第N 個柱塞內的即時壓力;為體積彈性模量;Q leak 為泄漏流量.所以,第N 個柱塞的實際流量為q n

13、 =A p R f sec 2 (1-co s n + tan sin n -Q leak n -d V n(6式中A p 為柱塞面積.假設柱塞的數量為m ,則總流量為q =m n =1q n =mn =1A p R f sec 2 (1-cos n + tan sin n -dV n -Q leak n (7考慮泄漏和容積壓縮的柱塞腔模型如圖3所示,柱塞腔由一個柱塞與一個泄漏和粘性阻力件組合而成,柱塞是能量從機械域到液壓域的轉換1056北京航空航天大學學報2006年器,液壓容器的體積取決于柱塞的位移和液體的彈性模量,系統中同時考慮了柱塞腔的內泄漏和粘性摩擦力 .圖3吸油口/排油口模型1.2.

14、3 配油盤吸油口及排油口模型圖4雙壓變量泵的熱分析模型圖3為吸油口/排油口的模型,參數化模型中,吸油窗由進油節流口實現,排油窗由排油節流口實現.進油節流口和排油節流口的即時開度分別決定了進油口和排油口的通油面積.油盤帶著柱塞轉動時,柱塞相對于缸體作直線運動;當缸體旋轉時,在0180范圍內,柱塞在彈簧力的作用下由下死點不斷伸出,柱塞腔的容積不斷增大,此時進油節流口打開,排油節流口關閉,油液被吸入柱塞腔,為吸油過程.隨著缸體繼續旋轉,在180360范圍內,柱塞在斜盤的約束下油又從上死點向下死點運動,柱塞腔的容積不斷減小,此時進油節流口關閉,排油節流口打開,油液被排出柱塞腔,為排油過程.柱塞隨著缸體

15、的轉動而轉動,柱塞腔的實際過流面積與缸體的轉角位置有關;參數模型中過流面積用節流口的節流面積體現.當其中一個節流口打開時,另外一個節流口關閉,這樣液壓油就可以從一個節流口進入柱塞腔,而從另外一個節流口流出.1.2.4雙壓控制閥與隨動活塞模型雙壓變量泵控制閥(圖4中7由液壓元件設計庫的元件組成,主要元件為二位三通閥、壓力調解柱塞和控制閥體.二位三通閥的進油腔與系統壓力相通,調壓活塞的壓力腔與二位三通閥的排油口相通.當二位三通閥斷電時,調壓活塞的壓力腔與油箱相通,此時柱塞泵的出口壓力決定于控制閥調壓彈簧設定的預緊力,泵工作在低壓狀態;當二位三通閥通電時,調壓活塞的壓力腔與泵出口液壓油相通,此時柱塞

16、泵的出口壓力決定于控制閥調壓彈簧設定的預緊力和輸出液壓油作用在調壓活塞產生的力之和,泵工作在高壓狀態.1.2.5雙壓變量泵系統熱分析模型圖4所示為雙壓力變量泵的熱模型,建立系統熱模型必須從分析軟件的熱庫中選擇具有熱特性的組成元件,參數設置中包含有與溫度相關的參數,如:環境溫度、初始溫度、散熱系數、液壓油物理特性隨溫度的變化曲線等.為了簡化視圖,將柱塞參數模型和活塞動力學模型分別進行封裝,如圖4中1和2所示.圖4中10為壓縮容積與散熱元件模型,系統散熱部分由一個壓縮容積組件、熱傳導組件和環境溫度組成.壓縮容積代替雙壓泵與執行元件之間管路內的液壓油.熱傳導組件含有熱交換口,是壓縮容積內的液壓油與環

17、境進行熱交換的通路.熱傳導組件含有2個參數:熱傳導率和接觸面積,1057第9期盧寧等:基于AM E si m 的雙壓力柱塞泵的數字建模與熱分析它們共同決定了液壓系統與外界環境的熱交換過程.油箱是從軟件熱庫中選擇的具有熱特性的組件,油箱的散熱特性可以通過設置液壓油與環境的散熱面積和熱傳導率實現.2仿真分析2.1仿真參數(參見表1表1仿真參數參數項參數值參數項參數值柱塞直徑/m m6斜盤轉動慣量/(kg m-40.4柱塞數量9剛體轉動慣量/(kg m-40.1斜盤傾角/(12.5調壓柱塞直徑/mm2.67斜盤分度圓半徑/m0.03液壓缸散熱面積S /mm230000隨動活塞直徑/m m15油箱底面

18、周長L/mm1000電機轉速(r m i n-11000初始油液高度h/mm300彈簧設定壓力/bar150隨動活塞到斜盤轉軸距離/m0.06環境溫度/30熱傳導率/(W(m2- 15002.2特性仿真曲線2.2.1雙壓變量泵的Q-P曲線為了測試變量泵的流量-壓力特性,分別在調解壓力為210bar和150bar的情況下,首先將節流閥的開度達到最大(此時泵的排油壓力為零,隨后逐漸減小開度增加變量泵的負載,泵的壓力隨之上升流量減小,節流閥完全關閉后,泵的排油壓力達到最大,流量減小到零,從而得到雙壓泵的Q-P曲線如圖5所示.由圖中曲線可以看出,雙壓力泵在高、低壓2種情況下的流量特性曲線均與2種壓力下

19、的恒壓泵理論曲線相符合.圖5壓力流量曲線2.2.2雙壓泵在高低壓轉換時的脈動情況圖6為雙壓變量泵在高低壓轉換時的脈動曲線.圖中t=0.5s時,二位四通閥通電,泵的出口壓力從150bar改變為210bar;t=1s時,二位四通閥斷電, 泵的出口壓力從210bar改變為150bar.從圖中可以看出,雙壓泵的輸出壓力從低壓向高壓變化和從高壓向低壓變化的穩定時間均小于0.03s.圖6雙壓泵壓力由低到高和由高到低變化曲線2.3模型熱分析結果2.3.1工況分析雙壓系統熱分析的整體仿真時間2000s;0 1800s節流口開度0.071mm(假設的小負載情況,系統壓力為低壓150bar;18002000s節流

20、口開度0.06mm(假設的大負載情況,系統壓力為高壓(即假設負載發生變化,整個仿真過程中保證泵的輸出流量基本不變.采用恒壓泵源時,節流閥開口不變(即系統在小負載情況下額外的壓力也消耗在節流閥上,系統壓力恒定為210bar.2.3.2仿真曲線圖7中分別為雙壓泵和恒壓泵系統油箱的油溫曲線,比較曲線可知系統在小負載的情況下,雙壓泵系統的油箱溫度為32.8,恒壓泵的油箱溫度為34.2,兩者相差1.6.因此,在如前所述的負載情況下,雙壓泵的發熱低于恒壓泵.圖7油箱溫度變化曲線比較3結束語本文在柱塞泵理論分析的基礎上,利用仿真軟件AME si m建立了完善的雙壓變量泵的參數化模型,分析了雙壓泵在高壓和低壓

21、2種情況下的動態特性和高低壓變換時壓力波動性能,得出了雙壓泵的壓力-流量特性曲線.根據雙壓變量泵的理論分析,本文使用軟件的熱庫建立了雙壓泵的熱分析模型并進行仿真驗證.結果表明,在相同工作條件下,雙壓變量泵系統的工作效率高于恒壓變量泵;小負載情況下雙壓泵系統中因控制閥節流產生的熱量低于恒壓變量泵系統.(下轉第1086頁極限升高,并且單向拉伸預應變對成形極限右半部影響較大;22D12鋁合金原始狀態的成形極限高于新淬火狀態材料的成形極限;3在新淬火狀態下,時效時間對材料的成形極限有顯著影響,2D12鋁合金的成形極限隨時效時間增加迅速降低,以時效45m i n為例,平面應變狀態的1比時效15m in約

22、降低15%;4新淬火狀態材料的成形極限應力曲線隨著時效時間的增加而顯著降低,但都保持近似的直線形狀.致謝本實驗得到了沈飛公司板金分廠的大力協助,及李小強博士研究生、陳劼實博士研究生等的大力幫助,在此表示真誠的感謝參考文獻(Re f erences1中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊(第三卷M.北京:中國標準出版社,2002A er onau ticalM aterials H andbook of Ch i na C o mp ilati on Comm it-tee.Aeronau ti cal materials handbook of Ch ina(t h ird vo l u

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28、02Zhang Jing,Zhou Xianb i n.S t udy of for m i ng li m it stress in s heet m etal f or m ingC/Ch i nese M ec h anica l Engineeri ng Soci et y Forgi ng and S ta m ping Instit u ti on.Th e7t h Ch i na C on f erence on Foging and S ta m ping.B eiji ng:Aviation Industry Press,1999: 299-302(in Ch i nes e9G ronostajs k i J.Sheet metal for m i ng li m its for co m p l ex s trai npat h sJ.Journal of M aterials P r ocessing Technology,1984(10:349-362(責任編輯:彭徽(上接第1058頁參