何佩云

（廣東省交通城建技師學(xué)院，廣州 510520）

0 引言

由于液壓控制系統(tǒng)具有功率大、自動化程度高、機電液一體化控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程機械、車輛、船舶等動力控制系統(tǒng)。但是隨著技術(shù)的革新和節(jié)能減耗的需求，液壓控制系統(tǒng)及其部件能耗大限制其更好地發(fā)展應(yīng)用。通過無數(shù)次的工業(yè)實踐，運用變量容積調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提高能源利用率，很好地實現(xiàn)節(jié)能效果。

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

在種類繁多的變量泵中，恒壓變量泵應(yīng)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(tǒng)[2]。同時，與控制系統(tǒng)中運用閥控系統(tǒng)對比，可以更好地實現(xiàn)節(jié)約能耗。恒壓式變量泵被更多運用為伺服系統(tǒng)的恒定壓力泵源，對保障整個系統(tǒng)正常工作、保持穩(wěn)定性和及時的響應(yīng)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(tǒng)，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(tǒng)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(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)定泵口輸出壓力，在泵實際工作過程中，泵口輸出壓力達(dá)到額定設(shè)定壓力值時，內(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)會維持穩(wěn)定工作，同時，對應(yīng)泵出口流量積極響應(yīng)，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(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)定泵口輸出壓力為P1，整套液壓系統(tǒng)的工作壓力P＜P1，泵內(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)處于低位，恒壓泵左側(cè)為高壓油液，右側(cè)為低壓油液，此時，恒壓泵的流量達(dá)到了最大值；而整套液壓系統(tǒng)的工作壓力P≥P1，泵內(nèi)部調(diào)節(jié)機構(gòu)處于高位，恒壓泵左側(cè)和右側(cè)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(tài)性能曲線，是恒壓泵在設(shè)定的額定輸出壓力值，其對應(yīng)的流量逐漸變化的曲線；圖2（b）為工作動態(tài)曲線，是工作壓力發(fā)生階躍變化（恒壓設(shè)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(nèi)部控制部件的變化對泵的靜態(tài)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(shè)置工況參數(shù)，得到實際工作壓力、流量等參數(shù)，為后續(xù)的分析奠定了基礎(chǔ)。

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(tǒng)的核心部件，第1、2節(jié)已對其工作機理、自身控制系統(tǒng)和主要控制結(jié)構(gòu)的原理參數(shù)進行詳細(xì)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(jié)果不嚴(yán)謹(jǐn)，因此，對恒壓泵實際的工作性能參數(shù)、設(shè)置邊界條件、建立模型進行模擬分析。根據(jù)實際模擬分析結(jié)果與實際工作情況的參數(shù)進行對比，對整體分析具有較好的驗證。根據(jù)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(jù)恒壓泵改變內(nèi)部控制部件設(shè)定的額定輸出壓力，液壓系統(tǒng)的整體壓力都會改變。對泵內(nèi)控制部件設(shè)定的不同輸出壓力分析可得：仿真結(jié)果與理論分析基本相同。泵內(nèi)控制部件設(shè)定的輸出壓力越大，整個系統(tǒng)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(shè)定恒壓控制閥的不同設(shè)定壓力（即預(yù)壓縮量），仿真可以得到如圖4所示的壓力流量曲線。根據(jù)壓力曲線分析得到：恒壓調(diào)節(jié)部件設(shè)定的越大，則對應(yīng)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(yīng)的值分別為：0.3 MPa、0.28 MPa、0.48 MPa。

4 試驗驗證

基于第2 節(jié)對恒壓控制泵的理論分析，以仿真分析設(shè)置的邊界參數(shù)為實際工作參數(shù)，進行實驗驗證，得到：恒壓泵實際工作靜態(tài)、動態(tài)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(dá)到恒定值，泵的輸出流量也達(dá)到對應(yīng)的額定最大值，從而泵的液流泄漏量較小；而當(dāng)恒壓泵內(nèi)部調(diào)節(jié)部件恒壓閥調(diào)節(jié)導(dǎo)致輸出壓力大于額定值，恒壓泵內(nèi)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(yīng)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(shè)定壓力范圍左右，而且流量和負(fù)載也相互配合，實現(xiàn)更好的節(jié)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(nèi)浮動。當(dāng)恒壓泵的輸出壓力達(dá)到額定最大壓力值時，恒壓泵內(nèi)部調(diào)節(jié)部件會在正常范圍內(nèi)變大，實現(xiàn)自身的一個卸載荷，與此同時，恒壓閥的調(diào)節(jié)部件也會被動壓縮，導(dǎo)致實際輸出壓力超出一定范圍的設(shè)定值。

圖5 所示為恒壓泵實際工作試驗。其中，圖示標(biāo)記的為恒壓控制泵的恒壓控制閥，閥右端的調(diào)節(jié)螺釘為調(diào)節(jié)恒壓控制泵的壓力設(shè)定值的大小旋鈕。

圖5 恒壓控制泵試驗

恒壓泵內(nèi)部控制部件設(shè)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(shù)據(jù)，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(yīng)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(jié)果與理論仿真結(jié)果基本一致，恒壓泵的靜態(tài)、動態(tài)實際工作參數(shù)，隨著恒壓泵內(nèi)部調(diào)節(jié)部件設(shè)定額定值的變化，也會同步變化。

5 結(jié)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(tài)、動態(tài)特性進行理論仿真分析，并設(shè)置相同工作參數(shù)進行實驗驗證，理論結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，對恒壓泵后續(xù)研究具有指導(dǎo)意義。恒壓泵在實際工作過程中，泵口輸出壓力在設(shè)定值正常范圍浮動時，液壓系統(tǒng)整體響應(yīng)的時間也會變化。并且，恒壓泵的靜態(tài)、動態(tài)實際工作參數(shù)，隨著恒壓泵內(nèi)部調(diào)節(jié)部件設(shè)定額定值的變化，也會同步變化。