堵利賓

摘 要：論述如何利用ITI公司的Simulation X軟件開發(fā)平臺，回避對變量柱塞泵詳細結構尺寸等參數(shù)的需求，實現(xiàn)快速對液壓變量柱塞泵進行工程建模，并根據(jù)液壓變量泵的實際狀態(tài)設置模型的主要參數(shù)，通過結合仿真曲線和試驗結果，對仿真結果進行了分析和對比，并對仿真模型進行了修正，最后對液壓變量泵模型進行封裝。作為液壓變量柱塞泵的非研發(fā)制造者，不需要對液壓柱塞泵的結構尺寸等參數(shù)詳細了解，也同樣能夠實現(xiàn)建模，并應用到系統(tǒng)仿真中，該建模技術路線清晰，建模操作簡單，建模效率高，通過實際驗證，誤差小，能夠滿足系統(tǒng)建模與仿真的使用要求。

關鍵詞：SimulationX；變量柱塞泵；工程建模；仿真

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.31.088

1 引言

基于工程機械高壓化、節(jié)能環(huán)保發(fā)展要求，各類工程機械開始轉型液壓變量系統(tǒng)，以解決定量系統(tǒng)能耗高、效率低的缺陷。液壓變量柱塞泵作為液壓變量系統(tǒng)的關鍵元件，其性能好壞直接影響各種工程機械設備的作業(yè)性能。傳統(tǒng)工程機械設備的設計經常大量采用經驗公式和靜態(tài)設計，而且傳統(tǒng)設計中用到的微分方程和差分方程不能夠很好地解決真實系統(tǒng)在復雜工況環(huán)境下的實際運行特性，以至于設計出的液壓系統(tǒng)在遇到實際工作中的復雜工況時無法有效應對，往往無法達到設計要求的工作能力。因此，大規(guī)模采用專業(yè)化的仿真軟件進行虛擬樣機的仿真分析是近年來液壓系統(tǒng)設計的方向。

本文將以某全液壓履帶起重機的液壓變量泵為例，應用 ITI公司的SimulationX 軟件仿真平臺對液壓變量柱塞泵進行建模及仿真，從而為系統(tǒng)建模與仿真提供基礎組件。

ITI-SimulationX是德國ITI公司自1993年開始推出的一種新型的工程高級建模和多學科仿真軟件，支持最新的多物理領域仿真語言Modelica以及交互式圖形界面（GUI），它包含的標準元件庫有1D力學、3D多體系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、液力學（包括管道模型和液壓元件設計庫）、氣動力學（包括管道模型和氣動元件設計庫）、熱力學、熱液電子學、電驅動、磁學和控制等，在統(tǒng)一平臺上實現(xiàn)了多學科領域的系統(tǒng)工程的建模和仿真。

同時，SimulationX還具有多種仿真運算功能：時間域上的瞬態(tài)仿真、頻域上的穩(wěn)態(tài)仿真、平衡計算、固有頻率和模態(tài)分析、可靠性分析、變量分析等。因此本文采用該軟件作為仿真平臺。

2 建模方法

液壓柱塞變量泵主要有傳動軸、殼體、缸體、柱塞、變量機構、配流盤等組成，其結構復雜，如圖1所示為恒功率變量柱塞泵結構原理圖，該變量柱塞泵為雙泵，即由兩個柱塞泵（包括缸體、柱塞、配流盤等）布置在一個殼體內，通過齒輪嚙合實現(xiàn)兩個柱塞泵同步，每個泵都有自己的變量機構，且具備功率控制，與負載無關，即雙泵能夠實現(xiàn)分功率控制。由于柱塞組件與傳動軸之間有一定的傾斜角，當柱塞泵的傳動軸按一定方向旋轉時，則向上方旋轉的柱塞不斷向外伸出，柱塞底部的容積也在不斷增大，從而出現(xiàn)負壓，液壓油在大氣壓的作用下，從變量柱塞泵的吸油口經過配流盤的吸油槽進入柱塞底部腔體，完成柱塞泵的吸油過程。同時，向下方旋轉的柱塞不斷向內縮進，柱塞底部的容積在不斷減小，液壓油在柱塞壓力作用下經過配流盤出油槽排到變量柱塞泵的出口，完成壓油過程。

當變量柱塞泵出口壓力為零時，變量泵工作在最大排量，隨著變量泵出口壓力的增加，變量泵出口壓力油作用在活門組件上的力也隨之增加，當?shù)竭_功率彈簧平衡力時，活門組件滑動，控制油進入流量活塞大腔，推動流量活塞向上運動，以至于變量柱塞泵的排量減小，直至到達平衡，從而實現(xiàn)功率恒定。

從該泵的結構原理可以了解到，該泵的零部件超過百件，而且每個零部件單元的結構形式和尺寸多樣，給建模帶來相當大的困難。如果按照變量柱塞泵的實際機構詳細建模，其建模、參數(shù)標定等環(huán)節(jié)的工作量非常大，可能需要幾周的時間，尤其是作為元件的使用方而非研制方，要獲取這些詳細參數(shù)也并非易事，而本文將采用功能工程建模的方式，對恒功率變量柱塞泵進行簡化建模。本次建模對象為液壓變量柱塞雙泵，其為分功率恒定負流量控制，其原理如圖2所示，該方法不需要了解元件的詳細構造和尺寸，僅通過元件的主要功能模塊和基礎參數(shù)進行建模。

3 建模原理

根據(jù)SimulationX的液壓庫、信號庫和機械庫中提供的液壓變量泵、壓力傳感器、轉動慣量等基礎模型搭建變量柱塞泵模型，如圖3所示。該泵為分功率控制，并且每個單泵為恒功率控制；通過公式（1）與（2）計算出泵的排量以實現(xiàn)恒功率負流量控制。

通過Type designer將其封裝，便于搭建系統(tǒng)模型時使用，完成如圖4所示的封裝模型圖元和名稱。

選取并定義模型圖元的內部端口參量和外部連接接口名稱與備注說明，然后定義模型圖元的變量或參量，完成如圖5所示的預設值，以及根據(jù)需要完成的模型控制邏輯運算等，最后完成封裝。

上述搭建的變量柱塞泵模型需要進行一些基本參數(shù)設置，如圖6所示。主要考慮了容積效率、機械效率、額定輸入功率等參數(shù)。這些參數(shù)基本上都是柱塞泵的基本功能性能參數(shù)，很容易獲取。

4 模型驗證

通過搭建基本的系統(tǒng)回路對變量柱塞泵模型進行驗證，驗證回路模型如圖7所示。根據(jù)泵的實驗條件及測試數(shù)據(jù)（如表1所示）對變量柱塞泵模型進行驗證。為了測試變量泵的流量—壓力特性，通過節(jié)流加載的方式進行試驗，首先將節(jié)流閥的開度達到最大（此時泵的排油壓力為 最大排量），隨后逐漸減小節(jié)流開度，增加變量泵的負載，變量柱塞泵的壓力隨之上升，流量逐漸減小，節(jié)流閥完全關閉后，泵的排油壓力達到最小，其中，泵的驅動轉速為2000rpm，輸入功率170kW，安全閥設定32MPa，通過觀察壓力-流量特性曲線來驗證模型的正確性和準確性。

同樣的方式，經過仿真分析與上實驗臺實驗測試，主泵的壓力-流量特性曲線如圖8所示。

圖8中，實線曲線表示液壓柱塞泵的實際試驗測試數(shù)據(jù)，點劃線曲線表示模型仿真結果?？梢钥闯?，柱塞泵實際為非標準恒功率控制，而模型輸出為標準的恒功率控制，二者有些差別，但是其誤差均在3%以內（如表2所示）。

5 結論

利用ITI公司的SimulationX軟件的二次開發(fā)平臺，對恒功率變量柱塞泵進行工程建模、封裝與仿真，并通過實驗數(shù)據(jù)對變量泵模型進行校正，能夠快速完成變量泵的仿真模型，從而為系統(tǒng)建模做好基礎準備。該模型同標準庫模型一樣，能夠方便查看各端口的壓力、流量等狀態(tài)變量。結果表明： 基于ITI-SimulationX的液壓柱塞變量泵的工程建模與仿真能夠模擬恒功率變量柱塞泵的實際特性，滿足系統(tǒng)建模與仿真的需求，相對于變量柱塞泵的詳細建模與仿真，此方法建模與仿真的工作量能夠降低百分九十以上。

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