劉啟航，萬麗榮

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 前言

液壓元件是機(jī)械行業(yè)的重要組成部分，更是工程機(jī)械中的核心元件，其性能優(yōu)劣直接影響整機(jī)的質(zhì)量。軸向柱塞泵是液壓系統(tǒng)中最重要的動力元件，廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械裝備的液壓系統(tǒng)中，其性能直接影響著各類機(jī)械裝備的性能。

本文作者利用AMESim軟件對軸向柱塞泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和仿真分析，分析在不同工作壓力下，泵的流量變化、柱塞運(yùn)動變化以及斜盤傾角變化情況。

1 AMESim液壓系統(tǒng)仿真

本文作者研究的軸向柱塞泵為負(fù)載敏感斜盤式軸向柱塞變量泵，其基本原理如圖1所示。該軸向柱塞泵主要由泵體、方向控制閥兩部分構(gòu)成,主要依靠柱塞在缸孔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，并根據(jù)負(fù)載需求改變斜盤傾角實(shí)現(xiàn)柱塞缸內(nèi)的容積變化，從而使輸出流量隨負(fù)載需求而變化。

圖1 負(fù)載敏感斜盤式軸向柱塞泵原理

根據(jù)負(fù)載敏感泵機(jī)構(gòu)的原理，利用AMESim搭建九柱塞負(fù)載敏感泵仿真模型如圖2所示。軸向柱塞泵動態(tài)仿真模型的主體部分包括壓力出口、油液進(jìn)口、斜盤模型、柱塞模型、配流盤模型、驅(qū)動電機(jī)、控制閥模型、變量缸模型等。

圖2 AMESim仿真模型

建立的柱塞泵AMESim模型中部分參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場需要以及查閱資料所得，將較為重要的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 全局仿真參數(shù)設(shè)置

仿真進(jìn)行之前，將斜盤的初始傾角設(shè)置為-17°，并且需要外加一個控制信號對控制閥進(jìn)行控制。加載的閥控信號如圖3所示。將仿真模型的系統(tǒng)壓力分別設(shè)定為20、25、30 MPa，以便于研究在不同工況下的軸向柱塞泵的工作狀態(tài)，可以利用軟件的批處理功能進(jìn)行仿真設(shè)置，操作較為簡便。

圖3 閥控信號

圖4—圖6分別為3種工況下的柱塞位移變化曲線、流量變化曲線以及壓力變化曲線?？芍涸?種不同的工況下，各曲線的變化趨勢基本相似；流量隨設(shè)定工況的系統(tǒng)壓力的變化而變化，工況壓力越大，流量越大，從而也會引起斜盤傾角的增大。另外，從流量曲線也可以看出，工況壓力增大時，柱塞泵內(nèi)的流量脈動也會增大，從而更加容易造成空化的現(xiàn)象，導(dǎo)致工作時產(chǎn)生的噪聲變大，因此在高壓條件下工作時，需要注意噪聲。

圖4 批處理下柱塞位移變化曲線

圖5 批處理下流量變化曲線

圖6 批處理下壓力變化曲線

2 雙聯(lián)泵液壓系統(tǒng)仿真分析

由于本文作者研究的泵為雙聯(lián)泵，上述分析是針對單側(cè)柱塞泵的分析，因此需要再對雙聯(lián)泵的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)雙聯(lián)泵的工作原理建立液壓系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 雙聯(lián)軸向柱塞泵液壓系統(tǒng)仿真模型

由前文分析可知，閥控信號的變化是引起左右兩側(cè)流量特性變化的關(guān)鍵。因此,改變左右兩側(cè)的閥控信號，如圖8所示。

如圖8所示，將右側(cè)的閥控信號提高為左側(cè)的2倍，按照與第1節(jié)中相同的設(shè)置進(jìn)行仿真，泵的系統(tǒng)壓力設(shè)置為20 MPa，得到各仿真曲線如圖9—圖12所示。

圖8 左右兩側(cè)閥控信號變化曲線

圖9 流量特性曲線對比 圖10 壓力特性曲線對比

圖11 柱塞位移變化曲線對比 圖12 斜盤傾角變化曲線對比

由圖9—圖12可知：當(dāng)負(fù)載信號發(fā)生變化時，泵的輸出流量也會發(fā)生變化，與閥控信號的變化基本為線性關(guān)系；壓力特性曲線是由泵的系統(tǒng)壓力決定的，都為20 MPa，基本相同；柱塞位移的變化趨勢以及斜盤傾角的變化趨勢都與流量變化趨勢保持一致，與前文分析結(jié)果一致?？梢缘贸?，負(fù)載敏感泵流量的變化是由閥控信號決定的，閥控信號變化導(dǎo)致斜盤傾角變化，從而導(dǎo)致流量變化，柱塞位移也隨之改變。

3 柱塞泵性能測試試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場考察以及對泵性能測試的研究，所設(shè)計(jì)的液壓試驗(yàn)臺需要完成以下測試試驗(yàn)：空載試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、滿載試驗(yàn)、超載試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)等，并應(yīng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)如圖13所示?？芍阂簤河鸵河山刂归y19進(jìn)入被試泵1，則由泵輸出的高壓油經(jīng)過單向閥28，一路進(jìn)入插裝閥，另一路經(jīng)由截止閥4驅(qū)動液壓馬達(dá)3旋轉(zhuǎn)，因此液壓馬達(dá)能夠回收液壓泵輸出的高壓能量，作為電機(jī)2的輸入動力，從而減少系統(tǒng)能量損耗。圖中元件5、6、10用于實(shí)時檢測泵出口壓力、溫度和流量。元件7、8、29組成加載單元，元件7是主溢流安全閥，設(shè)定為系統(tǒng)最高壓力，系統(tǒng)超過最高設(shè)定壓力時溢流，起到過載保護(hù)的作用。閥7與閥8配合可實(shí)現(xiàn)手動加載。當(dāng)換向閥29左位和中位循環(huán)得電時，即可實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)；當(dāng)換向閥29切換到右位時，便可實(shí)現(xiàn)比例加載。元件11、12、13、14、32、33組成油溫檢測及冷卻裝置，截止閥12關(guān)閉、閥14導(dǎo)通時冷卻水經(jīng)過電磁球閥14和板式冷卻器11對系統(tǒng)回油進(jìn)行冷卻。元件20、21、22、23、24組成臟油漏油回收系統(tǒng)，系統(tǒng)的漏油全部收集到位置最低的漏油回收油箱25，經(jīng)粗過濾和精過濾后送回油箱18。流量計(jì)16安裝在泵的泄油口，可實(shí)時檢測泵的泄漏流量。元件27用于檢測泵吸油口真空度，通過調(diào)節(jié)截止閥19的開口度，可限制泵的吸油面積。

圖13 液壓測試系統(tǒng)原理

為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確性，試驗(yàn)臺采用一套電控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)要采集的信號分為模擬量信號和數(shù)字量信號，模擬量信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，可通過二次儀表直觀地顯示。試驗(yàn)臺配套軟件系統(tǒng)通過ADAM采集模塊對流量、壓力等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示結(jié)果曲線。為保證整個試驗(yàn)臺的安全性，將試驗(yàn)臺置于封閉環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。整個試驗(yàn)臺底部互通，將系統(tǒng)各部分的漏油集中匯集到油箱中，保證了試驗(yàn)臺油液供給。

針對所選型號的軸向柱塞泵，利用搭建的試驗(yàn)臺，主要進(jìn)行空載試驗(yàn)、滿載試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、超載試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。泵的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，額定壓力為25 MPa，額定排量為180 L/r。

(1)耐久試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7043，對被試泵進(jìn)行耐久試驗(yàn)，使其在滿載情況下工作2 400 h。結(jié)果表明：該泵滿足耐久試驗(yàn)要求，工作性能可靠。

(2)空載試驗(yàn)

對被試泵進(jìn)行空載試驗(yàn)，在大量的數(shù)據(jù)中，節(jié)選出不同時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表2所示?？芍河捎谥迷谶\(yùn)動過程中，系統(tǒng)壓力不斷調(diào)整，并伴有少量的吸空現(xiàn)象，造成柱塞泵的空載排量在運(yùn)行過程中不斷變化，但是排量滿足試驗(yàn)要求。

表2 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(3)滿載試驗(yàn)

在最大排量的前提下，設(shè)定被試泵轉(zhuǎn)速和出口壓力均為額定值，令被試泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于數(shù)據(jù)量大，使用Origin軟件自帶的Smoothing功能對試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行平滑處理，處理后試驗(yàn)曲線如圖14所示?？梢钥闯觯罕辉嚤贸隹趬毫υ谶\(yùn)行開始時達(dá)到最大值，隨后在振蕩中逐漸減小，且減小的速率也逐漸降低，即曲線斜率逐漸減小，直至穩(wěn)定在27.3 MPa左右，達(dá)到正常工作條件。

圖14 滿載試驗(yàn)結(jié)果 圖15 容積效率試驗(yàn)結(jié)果

(4)效率試驗(yàn)

在額定轉(zhuǎn)速下，使被試泵的出口壓力分別穩(wěn)定在25%、40%、55%、70%、80%、100%，測量容積效率相關(guān)數(shù)據(jù)，得到被試泵容積效率隨壓力變化的特性曲線如圖15所示。由于機(jī)械效率增加，總效率隨著壓力的增加而變大。另外，由于存在泄漏損失和殘留容積損失，容積效率隨著壓力的變大而下降，最終在95.5%附近振蕩，測試結(jié)果符合測試標(biāo)準(zhǔn)。

(5)超載試驗(yàn)

在額定轉(zhuǎn)速、125%額定壓力下，保持被試泵進(jìn)口油溫為30～60 ℃，使被試泵連續(xù)運(yùn)行超過1 min，測得被試泵出口壓力如圖16所示。為方便分析，對曲線進(jìn)行平滑處理。從圖中可以看出：被試泵在測試過程中，出口壓力基本穩(wěn)態(tài)在27.6 MPa，平均振幅約為0.13 MPa，運(yùn)行過程穩(wěn)定無異常，滿足試驗(yàn)要求。

圖16 超載試驗(yàn)結(jié)果 圖17 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

(6)沖擊試驗(yàn)

在40%額定功率、額定壓力和額定轉(zhuǎn)速下，按照試驗(yàn)要求設(shè)置沖擊波形，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到?jīng)_擊試驗(yàn)曲線如圖17所示?？芍罕辉嚤迷囼?yàn)中承受的沖擊高壓壓力約為27 MPa、低壓壓力為0.5 MPa；高壓階段持續(xù)時間均大約為沖擊周期的3/5。試驗(yàn)過程及結(jié)果滿足要求。

液壓試驗(yàn)臺還可進(jìn)行噪聲、高溫等性能測試，滿足液壓泵測試要求。

4 結(jié)論

作者以雙聯(lián)軸向柱塞泵為模型，根據(jù)其工作原理，利用AMESim液壓仿真平臺建立液壓系統(tǒng)仿真模型，分別對不同工作條件下的單側(cè)柱塞泵以及不同負(fù)載信號下的雙聯(lián)柱塞泵進(jìn)行仿真分析；結(jié)合試驗(yàn)臺對柱塞泵進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)九柱塞軸向柱塞泵工作原理，建立單側(cè)軸向柱塞泵液壓系統(tǒng)仿真模型，對其輸出特性進(jìn)行仿真分析，得出其壓力、流量等輸出參數(shù)的特性變化曲線，流量以及壓力的變化都處于不斷的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定在一個特定值，并且會隨著負(fù)載信號的變化而變化；

(2)負(fù)載敏感泵的輸出流量主要是由外負(fù)載的變化信號控制，通過雙聯(lián)泵的液壓系統(tǒng)仿真可以看出，在兩側(cè)負(fù)載信號發(fā)生不同變化時，會引起變量控制閥的閥芯位移，從而引起變量缸柱塞位移，而變量缸的柱塞連接斜盤機(jī)構(gòu)，柱塞的位移會轉(zhuǎn)化為斜盤角度的改變，進(jìn)而使得泵的輸出特性產(chǎn)生相應(yīng)的變化；

(3)搭建了試驗(yàn)臺，對該泵進(jìn)行了空載、滿載、超載以及沖擊、效率試驗(yàn)，分析了該泵的輸出特性，與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該泵的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場生產(chǎn)需要。