基于AMEsim的雙壓力柱塞泵的數(shù)字建模與熱分析_盧寧

1、2006年9月第32卷第9期北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)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(jiǎn)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(shù)字建模與熱分析盧寧付永領(lǐng)孫新學(xué)(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京100083摘要:利用AM ES i m 仿真軟件對(duì)雙壓力液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真.建立了軸向柱塞泵運(yùn)動(dòng)方程、

2、流量方程和配油盤的仿真模型,進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計(jì)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(shí)的動(dòng)態(tài)特性.建立了一套完整的液壓系統(tǒng),分析比較了恒壓變量泵液壓系統(tǒng)和雙壓力液壓系統(tǒng)在相同負(fù)載、散熱環(huán)境和運(yùn)行時(shí)間下的溫升情況.結(jié)果表明雙壓力泵的動(dòng)態(tài)特性與理論分析基本相符,在需要2種壓力的系統(tǒng)中,雙壓力泵源在工作效率上明顯優(yōu)于恒壓泵源.關(guān)鍵詞:數(shù)字建模;仿真;AMESi m ;雙壓力泵;熱分析中圖分類號(hào):TH 322文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(jī)上采用的液壓能源系統(tǒng)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(shè)計(jì)的,實(shí)際上對(duì)于一架典型的戰(zhàn)斗機(jī)來說,要求最高

8、工作壓力的時(shí)間還不到整個(gè)飛行時(shí)間的十分之一,其余的時(shí)間主要在低壓工作狀態(tài).因此,現(xiàn)今的機(jī)載液壓系統(tǒng)的恒壓變量泵源系統(tǒng)造成了很大的浪費(fèi),不能滿足未來飛機(jī)的需要1.鑒于此,西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)和英國(guó)等從20世紀(jì)80年代開始了變壓力機(jī)載液壓系統(tǒng)的研制,提出了雙壓力變流量機(jī)載泵源形式.為了深入了解機(jī)載變壓液壓能源系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性,設(shè)計(jì)理想的機(jī)載變壓泵源,需要對(duì)雙壓能源系統(tǒng)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(duì)象的真實(shí)建模環(huán)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(shè)計(jì)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(tǒng)數(shù)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(huán)、飽和特性、庫(kù)侖力、元件的泄漏等,其功能強(qiáng)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(gè)圖形化的開發(fā)環(huán)境,用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析.本文以AM ES i m 作為設(shè)計(jì)平臺(tái)就雙壓力液壓系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)建模、仿真、動(dòng)態(tài)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(hào)的雙壓式變量泵的原理圖1.由圖可知,當(dāng)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(diào)壓彈簧的設(shè)定壓力;當(dāng)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(shè)定壓力為150bar ,電磁閥通電后,輸出壓力設(shè)計(jì)為210ba r .圖1雙壓變量泵調(diào)壓原理圖1.2數(shù)字模型建模1.2.1柱塞泵運(yùn)動(dòng)方程及模型這里主要分析柱塞相對(duì)于缸體往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的位移、速度.柱塞泵工作時(shí),傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng),缸體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)柱塞一方面與其一起轉(zhuǎn)動(dòng),另一方面相對(duì)于缸體作直線運(yùn)動(dòng).這2個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成使柱塞上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都是

11、橢圓.缸體由=0轉(zhuǎn)過角度后柱塞相對(duì)缸體的軸向位移s p 為和的函數(shù)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(zhuǎn)角;為斜盤的傾斜角. 對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)就可以得到柱塞相對(duì)于缸體的運(yùn)動(dòng)速度v pv p =R f se c 2 (1-cos + tan sin (2式中,為缸體的旋轉(zhuǎn)角速度,rad /s ;為斜盤相對(duì)于其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度.在AM Esi m 中建立的柱塞運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示.圖中,輸入為缸體轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)1為f 1(x ,y =sec 2x 1-co s y (3函數(shù)2為f 2(x

12、 ,y =tan x sin y(4函數(shù)中x 為斜盤傾角;y 為缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角度.速度轉(zhuǎn)換器可以將輸入信號(hào)根據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)化成線速度的形式;機(jī)械連接器將輸入的2個(gè)線速度求和,輸出為柱塞的線速度.圖2柱塞運(yùn)動(dòng)方程模型1.2.2柱塞泵流量方程及其模型實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)泄漏和液壓油的可壓縮性不可避免,柱塞泵第N 個(gè)柱塞的實(shí)際流量公式為q n =Q n -Q leak -d V n(5其中,Q n 為第N 個(gè)柱塞的理論流量;d V n 為第N個(gè)柱塞內(nèi)液壓油的壓縮量,d V n =d P n /V n ;P n 為第N 個(gè)柱塞內(nèi)的即時(shí)壓力;為體積彈性模量;Q leak 為泄漏流量.所以,第N 個(gè)柱塞的實(shí)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(shè)柱塞的數(shù)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(gè)柱塞與一個(gè)泄漏和粘性阻力件組合而成,柱塞是能量從機(jī)械域到液壓域的轉(zhuǎn)換1056北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)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(tǒng)中同時(shí)考慮了柱塞腔的內(nèi)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(shù)化模型中,吸油窗由進(jìn)油節(jié)流口實(shí)現(xiàn),排油窗由排油節(jié)流口實(shí)現(xiàn).進(jìn)油節(jié)流口和排油節(jié)流口的即時(shí)開度分別決定了進(jìn)油口和排油口的通油面積.油盤帶著柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),柱塞相對(duì)于缸體作直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)缸體旋轉(zhuǎn)時(shí),在0180范圍內(nèi),柱塞在彈簧力的作用下由下死點(diǎn)不斷伸出,柱塞腔的容積不斷增大,此時(shí)進(jìn)油節(jié)流口打開,排油節(jié)流口關(guān)閉,油液被吸入柱塞腔,為吸油過程.隨著缸體繼續(xù)旋轉(zhuǎn),在180360范圍內(nèi),柱塞在斜盤的約束下油又從上死點(diǎn)向下死點(diǎn)運(yùn)動(dòng),柱塞腔的容積不斷減小,此時(shí)進(jìn)油節(jié)流口關(guān)閉,排油節(jié)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(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),柱塞腔的實(shí)際過流面積與缸體的轉(zhuǎn)角位置有關(guān);參數(shù)模型中過流面積用節(jié)流口的節(jié)流面積體現(xiàn).當(dāng)其中一個(gè)節(jié)流口打開時(shí),另外一個(gè)節(jié)流口關(guān)閉,這樣液壓油就可以從一個(gè)節(jié)流口進(jìn)入柱塞腔,而從另外一個(gè)節(jié)流口流出.1.2.4雙壓控制閥與隨動(dòng)活塞模型雙壓變量泵控制閥(圖4中7由液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)的元件組成,主要元件為二位三通閥、壓力調(diào)解柱塞和控制閥體.二位三通閥的進(jìn)油腔與系統(tǒng)壓力相通,調(diào)壓活塞的壓力腔與二位三通閥的排油口相通.當(dāng)二位三通閥斷電時(shí),調(diào)壓活塞的壓力腔與油箱相通,此時(shí)柱塞泵的出口壓力決定于控制閥調(diào)壓彈簧設(shè)定的預(yù)緊力,泵工作在低壓狀態(tài);當(dāng)二位三通閥通電時(shí),調(diào)壓活塞的壓力腔與泵出口液壓油相通,此時(shí)柱塞

16、泵的出口壓力決定于控制閥調(diào)壓彈簧設(shè)定的預(yù)緊力和輸出液壓油作用在調(diào)壓活塞產(chǎn)生的力之和,泵工作在高壓狀態(tài).1.2.5雙壓變量泵系統(tǒng)熱分析模型圖4所示為雙壓力變量泵的熱模型,建立系統(tǒng)熱模型必須從分析軟件的熱庫(kù)中選擇具有熱特性的組成元件,參數(shù)設(shè)置中包含有與溫度相關(guān)的參數(shù),如:環(huán)境溫度、初始溫度、散熱系數(shù)、液壓油物理特性隨溫度的變化曲線等.為了簡(jiǎn)化視圖,將柱塞參數(shù)模型和活塞動(dòng)力學(xué)模型分別進(jìn)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(tǒng)散熱部分由一個(gè)壓縮容積組件、熱傳導(dǎo)組件和環(huán)境溫度組成.壓縮容積代替雙壓泵與執(zhí)行元件之間管路內(nèi)的液壓油.熱傳導(dǎo)組件含有熱交換口,是壓縮容積內(nèi)的液壓油與環(huán)

17、境進(jìn)行熱交換的通路.熱傳導(dǎo)組件含有2個(gè)參數(shù):熱傳導(dǎo)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(shù)字建模與熱分析它們共同決定了液壓系統(tǒng)與外界環(huán)境的熱交換過程.油箱是從軟件熱庫(kù)中選擇的具有熱特性的組件,油箱的散熱特性可以通過設(shè)置液壓油與環(huán)境的散熱面積和熱傳導(dǎo)率實(shí)現(xiàn).2仿真分析2.1仿真參數(shù)(參見表1表1仿真參數(shù)參數(shù)項(xiàng)參數(shù)值參數(shù)項(xiàng)參數(shù)值柱塞直徑/m m6斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg m-40.4柱塞數(shù)量9剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg m-40.1斜盤傾角/(12.5調(diào)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(dòng)活塞直徑/m m15油箱底面

18、周長(zhǎng)L/mm1000電機(jī)轉(zhuǎn)速(r m i n-11000初始油液高度h/mm300彈簧設(shè)定壓力/bar150隨動(dòng)活塞到斜盤轉(zhuǎn)軸距離/m0.06環(huán)境溫度/30熱傳導(dǎo)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(cè)試變量泵的流量-壓力特性,分別在調(diào)解壓力為210bar和150bar的情況下,首先將節(jié)流閥的開度達(dá)到最大(此時(shí)泵的排油壓力為零,隨后逐漸減小開度增加變量泵的負(fù)載,泵的壓力隨之上升流量減小,節(jié)流閥完全關(guān)閉后,泵的排油壓力達(dá)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(zhuǎn)換時(shí)的脈動(dòng)情況圖6為雙壓變量泵在高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)的脈動(dòng)曲線.圖中t=0.5s時(shí),二位四通閥通電,泵的出口壓力從150bar改變?yōu)?10bar;t=1s時(shí),二位四通閥斷電, 泵的出口壓力從210bar改變?yōu)?50bar.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(wěn)定時(shí)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(jié)果2.3.1工況分析雙壓系統(tǒng)熱分析的整體仿真時(shí)間2000s;0 1800s節(jié)流口開度0.071mm(假設(shè)的小負(fù)載情況,系統(tǒng)壓力為低壓150bar;18002000s節(jié)流

20、口開度0.06mm(假設(shè)的大負(fù)載情況,系統(tǒng)壓力為高壓(即假設(shè)負(fù)載發(fā)生變化,整個(gè)仿真過程中保證泵的輸出流量基本不變.采用恒壓泵源時(shí),節(jié)流閥開口不變(即系統(tǒng)在小負(fù)載情況下額外的壓力也消耗在節(jié)流閥上,系統(tǒng)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(tǒng)油箱的油溫曲線,比較曲線可知系統(tǒng)在小負(fù)載的情況下,雙壓泵系統(tǒng)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(fù)載情況下,雙壓泵的發(fā)熱低于恒壓泵.圖7油箱溫度變化曲線比較3結(jié)束語(yǔ)本文在柱塞泵理論分析的基礎(chǔ)上,利用仿真軟件AME si m建立了完善的雙壓變量泵的參數(shù)化模型,分析了雙壓泵在高壓和低壓

21、2種情況下的動(dòng)態(tài)特性和高低壓變換時(shí)壓力波動(dòng)性能,得出了雙壓泵的壓力-流量特性曲線.根據(jù)雙壓變量泵的理論分析,本文使用軟件的熱庫(kù)建立了雙壓泵的熱分析模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明,在相同工作條件下,雙壓變量泵系統(tǒng)的工作效率高于恒壓變量泵;小負(fù)載情況下雙壓泵系統(tǒng)中因控制閥節(jié)流產(chǎn)生的熱量低于恒壓變量泵系統(tǒng).(下轉(zhuǎn)第1086頁(yè)極限升高,并且單向拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)成形極限右半部影響較大;22D12鋁合金原始狀態(tài)的成形極限高于新淬火狀態(tài)材料的成形極限;3在新淬火狀態(tài)下,時(shí)效時(shí)間對(duì)材料的成形極限有顯著影響,2D12鋁合金的成形極限隨時(shí)效時(shí)間增加迅速降低,以時(shí)效45m i n為例,平面應(yīng)變狀態(tài)的1比時(shí)效15m in約

22、降低15%;4新淬火狀態(tài)材料的成形極限應(yīng)力曲線隨著時(shí)效時(shí)間的增加而顯著降低,但都保持近似的直線形狀.致謝本實(shí)驗(yàn)得到了沈飛公司板金分廠的大力協(xié)助,及李小強(qiáng)博士研究生、陳劼實(shí)博士研究生等的大力幫助,在此表示真誠(chéng)的感謝參考文獻(xiàn)(Re f erences1中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)(第三卷M.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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

23、me M.B eiji ng:S t andar d s Press ofC h i na,2002(i n C hines e 2高宏志,周賢賓,李東升.硬鋁合金預(yù)拉伸、熱處理后成形性能的正交試驗(yàn)研究J.航空材料學(xué)報(bào),2004,24(4:1-7G ao H ongz h i,Zhou Xianb i n,Li Dongsheng.Drt hogon al tes tst udy of f or m ab ilit y for2D12al um i n i nm a ll oy aft er pre-stretchand s o l uti on h eat-treat mentJ.Jou r

24、nal ofA er onau ticalM at eri-al s,2004,24(4:1-7(in Ch i nese3G rafA,H os f ord W.E ffect of ch angi ng s trai n path on f or m ingli m it d iagra m ofA l2008-T4J.M etall u rgicalM at erial s Transac-tion,1993,24A(9:2503-25124謝英,萬敏,韓非.成形極限應(yīng)變與成形極限應(yīng)力的轉(zhuǎn)換關(guān)系J.塑性工程學(xué)報(bào),2004,11(3:55-58Xie Y i ng,W an M in,H

25、an Fe.i T ransfor m ati on rel ati on bet weenli m it strai n and li m it stress in s heetmetal f or m ingJ.Jou r na l of P l asticit y Engi n eering,2004,11(3:55-58(i n Ch i nese 5Ober meyer E J,M ajl es s iS A.A revie w of recent advances i n theapp licati on of b l ank-holder force t oward s i m

26、p rovi ng t he f or m ingli m its of s h eet metal partsJ.Jou r na l of M aterials P rocessing Technol ogy,1998(75:222-2346K l ee mo l a J,Pel kk i kangas M T.E ffect of an i n tri ns i c f or m ingli m it of s t eel copper and b rassJ.SheetM et al Indus tr y,1977(63:591-5997A rri eu s R,B dri n C,B

27、oivi n M.Det er m inati on of an i n trinsicfor m i ng l i m it stres s d i agra m f or isotrop i c sheetsC/P T i m os s.i12th B iennial I DDRG C ongres s.S antaM argherit a:Internati onal Deep Dra w i ng Researc h G roup,1982:61-718張京,周賢賓.板料成形極限應(yīng)力圖的研究C/中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì).第七屆全國(guó)鍛壓學(xué)術(shù)年會(huì).北京:航空工業(yè)出版社,1999:299-3

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(zé)任編輯:彭徽(上接第1058頁(yè)參