梅曉宇

（寧波通用塑料機(jī)械制造有限公司，浙江寧波 315155）

對(duì)位于液壓泵出口處的輸出壓力P和流量Q檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其輸出值不是理論上的恒定不變[1－4]。由于柱塞之間的壓力交替輸出和柱塞之間存在尺寸精度的偏差,導(dǎo)致泵口的流體輸出不可避免的發(fā)生壓力上的振蕩和流量上的波動(dòng)。系統(tǒng)中的連接管路、各個(gè)動(dòng)作需要的電磁閥、執(zhí)行元件（膈膜油缸）、蓄能器、擺線馬達(dá)等液壓元件在工作時(shí)，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生影響。

1 壓力脈動(dòng)源的模型建立及其分析

柱塞泵的工作原理，如圖1所示。當(dāng)柱塞泵的斜盤轉(zhuǎn)過－α角度時(shí),柱塞從位置1到位置2,同時(shí)推動(dòng)柱塞向右產(chǎn)生位移x，液壓油從柱塞向外排出，流量由柱塞容積決定。

圖1 柱塞泵工作過程簡(jiǎn)圖

位移為：

柱塞運(yùn)動(dòng)速度V為：

可以看出，3個(gè)柱塞存在正弦規(guī)律的周期運(yùn)動(dòng)，瞬間流量Qs也呈正弦周期脈動(dòng)。

為了更加準(zhǔn)確的掌握膈膜缸的工作特性，免去復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過程，利用AMESim仿真軟件，對(duì)膈膜缸進(jìn)行建模仿真，在空載和有負(fù)載的工況下，分別對(duì)氣腔模型、壓力油模型進(jìn)行仿真，并通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定值，比較對(duì)開模響應(yīng)和沖擊性的影響。

AMESim是一款目前主流的仿真軟件,可以滿足常用的系統(tǒng)工程，可以與Sumlink等數(shù)值分析軟件無(wú)縫對(duì)接。其豐富、可視化的模塊調(diào)用功能，降低了初學(xué)者的門檻，客觀準(zhǔn)確的參數(shù)化設(shè)置，與實(shí)際工程環(huán)境非常接近但又不影響仿真的速度。

相比其它的仿真軟件，AMESim具備如下優(yōu)勢(shì)[5]:

具有Z個(gè)柱塞泵的瞬時(shí)流量為：

（1）AMESim內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)接口仿真環(huán)境，可以使不同領(lǐng)域的模塊進(jìn)行方便的對(duì)接。使AMESim成為眾多工程、學(xué)科研究人員首選的仿真平臺(tái)。

（2）AMESim提供了友好的圖形化界面，積累了大量的模型庫(kù)，將抽象的物理量關(guān)系集成在子模型中，客戶不需要去建立不直觀的數(shù)學(xué)模型，可以自定義模塊或仿真模型，直觀的構(gòu)建仿真系統(tǒng)。

（3）仿真模式多樣化。仿真時(shí)間短，仿真精度高。

（4）AMESim成功的實(shí)現(xiàn)了與其它數(shù)值分析軟件的對(duì)接，將模型分析與數(shù)據(jù)計(jì)算更好的結(jié)合?；谶@些優(yōu)點(diǎn),AMESim軟件已被各個(gè)大型制造企業(yè)作為必須工具。成為軍工、汽配、流體和航天航空等重要研發(fā)部門的首當(dāng)選擇。

一般的AMESim建模仿真，可按以下步驟進(jìn)行[6]:

（1）元件選擇及連接。調(diào)入系統(tǒng)需要的子模型，將模型連接。

（2）為所有元件選擇元件子模型。AMESim內(nèi)置了多種子模型可供選擇，方便構(gòu)建不同的液壓系統(tǒng)。

（3）仿真參數(shù)的設(shè)定。

（4）設(shè)定仿真步長(zhǎng)。

圖2 柱塞泵仿真模型

表1 元件參數(shù)設(shè)置

對(duì)柱塞泵進(jìn)行仿真，仿真模型如圖2所示，主要參數(shù)設(shè)置見表1。

繪制輸出口的輸出流量隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯鲭m然泵的名義排量是450L/min，但最低流量和最高流量在（400～500）L/min之間做正弦波動(dòng)。

圖3 流量輸出口流量脈動(dòng)曲線

繪制壓力輸出口的輸出壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。可以看出雖然泵的名義壓力是164bar，但最低壓力和最高壓力在（160～170）bar之間做正弦波動(dòng)。

2 油液在管道中的壓力脈動(dòng)與振蕩

圖4 流量輸出口壓力脈動(dòng)曲線

圖5 高壓軟管簡(jiǎn)化圖

油液在管道中的壓力和流速的傳播,可簡(jiǎn)化為圖5所示。

液體振動(dòng)偏微分方程為[1]:

式中p——脈動(dòng)壓強(qiáng)（MPa）；

v——脈動(dòng)速度（m/s）；

E——液體壓縮彈性模量（MPa）；

ρ——液體密度（kg/m3）。

方程（4）、（5）的解為:?ρωφ

常數(shù)A、B、ω由邊界條件和初始條件確定。

將x=0和x=1時(shí)的壓強(qiáng)、速度帶入函數(shù)，得：

其中傳遞矩陣為:

圖6 高壓軟管仿真模型

式中l(wèi)i——軟管長(zhǎng)度（m）；ω——油泵脈動(dòng)頻率（Hz）。

由式（7）可以看出，考慮到液壓系統(tǒng)的剛度因素，在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析時(shí),油液必須視為可壓縮介質(zhì)[7]。在油泵脈動(dòng)頻率、軟管通徑、油液密度一定的情況下，改變軟管的長(zhǎng)度，會(huì)對(duì)傳遞到閥板的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生影響。取不同的軟管長(zhǎng)度進(jìn)行仿真分析（如圖6所示），對(duì)比壓力脈動(dòng)。主要參數(shù)設(shè)置見表2。壓力輸出口脈動(dòng)見圖7。

表2 元件參數(shù)設(shè)置

圖7 不同軟管長(zhǎng)度壓力脈動(dòng)曲線對(duì)比

3 液壓閥產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)

對(duì)連接膈膜缸的單向閥進(jìn)行仿真，模型如圖8所示。

從設(shè)備調(diào)試角度，改變閥芯的位移需要程序的調(diào)整；改變閥的固有頻率對(duì)于一線調(diào)試人員更是難度很大[8]。相對(duì)于彈簧的剛度，容易調(diào)整，可以通過更換閥中彈簧的型號(hào)，進(jìn)行性能的對(duì)比。

圖8 單向閥仿真模型

圖9 不同彈簧剛度壓力輸出口脈動(dòng)

表3 元件參數(shù)設(shè)置

取不同剛度的彈簧進(jìn)行仿真分析，對(duì)比壓力脈動(dòng)。主要參數(shù)設(shè)置見表3，壓力輸出口脈動(dòng)，見圖9。

4 皮囊式蓄能器對(duì)脈動(dòng)源的抑制作用

蓄能器對(duì)壓力波動(dòng)可以起到抑制作用[9]。在大量的文獻(xiàn)中有蓄能器的數(shù)學(xué)模型的建立和公式的推導(dǎo)[10]。對(duì)蓄能器的仿真模型，如圖10所示。選擇蓄能器的不同參數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行研究，以系統(tǒng)壓力164bar為基礎(chǔ)，調(diào)整蓄能器的充氣壓力，對(duì)比壓力脈動(dòng)（如圖11所示），主要參數(shù)設(shè)置見表4。以系統(tǒng)壓力164bar為基礎(chǔ)，更換不同體積的蓄能器，對(duì)比壓力脈動(dòng)，見圖12。發(fā)現(xiàn)，蓄能器的充氣壓力和體積都對(duì)管路的脈動(dòng)有一定的影響。

圖10 蓄能器抑制壓力脈動(dòng)仿真模型

圖11 蓄能器對(duì)脈動(dòng)源抑制作用曲線比較

表4 元件參數(shù)設(shè)置

圖12 蓄能器對(duì)脈動(dòng)源抑制作用曲線比較

5 結(jié)論

本文從模型仿真的角度，分析出系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的原因。針對(duì)與注射油缸相連接的部件，進(jìn)行模型仿真，尋找抑制壓力脈動(dòng)的方法。得出如下結(jié)論:

（1）柱塞泵的輸出特性，閥芯的啟閉，油液的沖擊等是引起壓力脈動(dòng)的原因。

（2）單向閥的彈簧剛度越大，壓力沖擊越大，反則，沖擊越小。

（3）壓力脈動(dòng)與高壓軟管的長(zhǎng)度有關(guān)系，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壓力脈動(dòng)越小。

（4）蓄能器充氣壓力需比系統(tǒng)工作壓力略小，能夠起到吸收脈動(dòng)的作用，蓄能器充氣壓力太大，蓄能器就沒有吸收脈動(dòng)的作用。蓄能器容積越大，吸收脈動(dòng)效果越好。