正弦液压泵建模与仿真.pdf

Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e rin g 机 床 与液压 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n ．1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 0 4 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f S i n u s o i d a l Pu mp DI NG W e n s i ， Z HANG Xu S c h o o l o f Me c h a n i c a l ＆A u t o m o t i v e E n g i n e e ri n g ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 5 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p r i ma r y f o c u s o f t h i s s t u d y i s t o i n v e s t i g a t e a t y p e o f h i g h p r e s s u r e r a d i al p i s t o n p u mp， wh i c h h a s a s i n u s o i d a l o u t p u t fl o w r a t e ． Mo d e l o f t h e p u mp i s b u i l t i n AME S i m ， a n d t h e n c h a r a c t e r i s t i c s o f flo w r a t e a n d r e s p o n s e are c a l c u l a t e d a n d a n aly z e d i n t h i s mo d e 1 ． Al l w e h a v e d o n e i n thi s wo r k w i l l p r o v i d e a g o o d p l a t f o r m t o t h e d e s i g n a n d r e - s e arc h o f s i n u s o i da l p ump． Ke y wo r d s r a d i al p i s t o n p u mp，s i n u s o i d al ，mo d e l i n g ，s i mu l a t i o n S i n us o i d a l p u mp i s a k i n d o f r a d i a l p i s t o n p u mp o f t e n u s e d a s h y d r a u l i c po we r c o mp o n e n t s i n h e a v y f o r g i ng p r e s s ．S i n c e i t ha s a s i n us o i d a l o u t p ut f l o w r a t e a s t i me g o e s o n， t h e h y d r a u l i c s y s t e m s u f f e r s v e r y l i t t l e i mp a c t wh e n t h e o i l d i r e c t i o n c ha n g e s ．I n t h i s p a p e r ， mo d e l o f t h e p u mp i s e s t a b l i s h e d i n AMES i m ， a n d l e a k a g e， c o mp r e s s i b i l i t y o f h y d r a u l i c o i l ， e c c e n t r i c i t y o f pi s t o n a nd f ric t i o n i n t h e p u mp h a d b e e n f u l l y t a k e n i nt o a c c o un t wh e n i t wo r k s ． Th e n c h a r a c t e r i s t i c s o f flo w r a t e a n d p r e s s u r e a r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d ． I t p r o v i d e s a g o o d p l a t f o r m t o t h e de s i g n o f pu mp， r e d u c t i o n o f n o i s e a n d pu l s a t i o n o f flo w r a t e a n d p r e s s u r e ． o p e r a t i n g pr i n - S i n u s o i d al p u mp c o n s i s t s o f t we l v e p rima r y c o m p o n e n t s a s s h o w n i n F i g ． 1 ． T h e r o t a t i n g r a d i a l c y l c o n t r o l p i n 8 i n F i g ． 1 ． T h e d ri v e i s b y me a n s o f t h e s h a f t 1 2 i n F i g ． 1 v i a t h e c o u p l i n g 1 1 i n F i g ． 1 T h e p i s t o n s 3 i n F i g ． 1 a r e p u s h e d a g a i n s t t h e r o t a - t i n g d r u m 4 i n F i g ． 1 b y m e a n s o f t h e c e n t ri f u g a l f o r c e a n d t h e o p e r a t i n g p r e s s u r e． Th e y a y e s u p p o se d b y h y d r o s t a t i c a n d h y d r o d y n a mi c g u i d e s h o e s 5 i n F i g ． 1 ． A s i n u s s h a p e d o s c i l l a t i n g s t r o k e m o v e m e n t o f 1 1 p i s t o n s i s a c h i e v e d t h r o ug h t h e e c c e n t ric i t y be - t we e n r o t a t i n g r a d i a l c y l i n d e r a r r a n g e me n t a nd r o t a ri n g d rum． T h e c o n t r o l s l i t s 7 i n F i g ． 1 i n a c c o r d a n c e wi t h t h e pi s t o n k i n e ma t i c s a l l o w f o r a n a l mo s t p u l s a t i o n f r e e p u mpi n g c a p a c i t y ．Th e r e g u l a t i n g d e v i c e o pe r a t e s di r e c t l y b y me a n s o f t h e e c c e n t r i c a l s w i n g s 6 i n F i g ． 1 o n t h e b e a r i n g s o f t h e r o t a t i n g d rum ， t hu s r e s u l t i n g i n a n e x t r e me l y e a s y r e g ul a t i o n o f t he p u mp s ．A f u r t he r s p e c i a l f e a t u r e i s t h e p i s t o n r e t r a c t i o n d e v i c e 1 0 i n F i g ． 1 w h i c h p r o t e c t s t h e pi s t o n - g u i d e s ho e c o nn e c t i o n f r o m d i s e n g a g i n g a t l o w i n d e r 2 i n F i g ． 1 a mn g e me n t i s p 。 s i t i 。 n e d 0 n t h e s P e e d Re c e i v e d2 0 1 20 12 0 DI NG W e i s i ，Pr o f e s s o r ．ws di n g s c u t ． e d u．c n 2 6 Hy d r o me c h a t r o n i c s Eng i n e e rin g 机 床 与液压 Th e p u mp d e l i v e r y h a s a l i n e a r r e l a t i o n wi t h e c c e n t r i c i t y o f t h e r o t a t i n g d r um ， wh i c h i s p o s i t i v e l y c o r - r e l a t e d wi t h t h e d i s p l a c e me n t o f t h e d r i v i n g c y l i nd e r T h e r e f o r e ， t h e p u m p c a n b e a d j u s t e d o r r e v e r s e d e l e c ． t r o h y d r a u l i c a l l y wi t h h i g h p r e c i s i o n i n p r o p o r t i o n t o a p r e s e l e c t e d c o n t r o l v o l t a g e F i g ． 2 1 ． Dr i v i n g c y l i n d e r ；2． Ro t a t i n g r a d i a l c y l i n d e r ；3 ． P i s t o n； 4． Ro t a t i n g d r u m ；5 ． Gu i d e s h o e s ；6． Ec c e n t r i c a l s wi n g s ； 7 ． Co n t r o l s l i t s ；8． Pi n t l e v a l v e；9． F u l c rum s h a f t ； 1 0． Pi s t o n r e t r a c t i o n d e v i c e；1 1 ． S h a f t c o u p l i n g；1 2． Ma i n s h aft Fi g． 1 Ge o me t r i c c o n s t r uc t i o n o f s i n us o i da l p ump F i g ． 2 A d j u s t i n g d e v i c e 2 Ki n e ma t i c a n a l y s e s 】 2 3 4 5 As s u me t h a t i nn e r r a d i u s o f s t a t o r R ， r o t a t i o n a n g l e o f s t a t o r 0， di s p l a c e me n t o f d riv i n g c y l i n d e r S ， s p e e d o f r o t o r n， e c c e n t ric i t y e， d i s t a n c e be t we e n b a l l j o i n t s o f p i s t o n a n d s t a t o r L ， d i s t a n c e b e t w e e n f u l c rum a n d c e n t r e o f r o t o r l ， d i s t a n c e b e t we e n f u l c r u m a nd a p p l i c a t i o n p o i n t o f r o t o r S 2 a n d p i s t o n n u mbe r z a r e a l l k n o w n p a r a m e t e r s I n F i g ． 3 ． Fi g． 3 Ki ne ma t i c s k e t c h T h e n t h e d i s t a n c e b e t w e e n b a l l j o i n t s o f p i s t o n a n d c e n t r e o f r o t o r P wo u l d me e t t h e f o l l o wi n g e q u a t i o n p e 22 p e c o s 0 R一 1 Na me l y p ㈣ s 号 √ 尺 一 一 e 2 sin 0 I n wh i c h ～c ， t a n a n d e2 s 1 s i n 2 T h e mo me n t o f t h e r o t o r t u r n e d ， t h e s t r o k e o f t h e 一 T h us ． t h e s t r o k e o f p i s t o n pe r r e v o l u t i o n i s h P 一 P i 2 e An d t h e ma x i mum t h e o r e t i c a l flo w r a t e o f p ump i s Q “ IT d h ’ n z “IT d Ⅷ 3 4 As t h e v a r i a b l e s o f e， a n d 0 a r e c ha n g i n g wi t h t i me， h i s o n l y t i me r e l a t e d．To s t u d y t h e d y n a mi c p r o c e s s o f t h e p i s t o n mo v e me n t ，t h e r o t a t i n g r a d i a l c y l i n d e r I n F i g ． 3 i s e s t a b l i s h e d a s m o v i n g c o o r d i n a t e s y s t e m a n d t h e c e n t r a l p o i n t o f b a l l j o i n t s o f t h e p i s t o n i s c h o s e n a s mo v i ng p a r t i c l e ．Di r e c t i o n s o f v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n a r e s h o wn i n Fi g ． 4 a n d t h e ma g n i t u d e o f t h e m c o u l d b e e v a l ua t e d t h r o u g h t h e f o l - l o wi n g f o r mu l a ． ]一 一 2 S O C 一 、， 一 2 ／ S O C rL e O p P 峙 叫 【 S p DI NG W e n s i ， e t a l Mo de l i n g a n d S i mu l a t i o n o f S i n us o i d a l P ump 2 7 V F i g ． 4 D i r e c t i o n s o f v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n Th e r e l a t i v e v e l o c i t y o f t h e pi s t o n i s d a d e ． O h d ． O h d Th e c o n v e c t e d v e l o c i t y o f t h e p i s t o n i s wh Th e r e s ul t a n t v e l o c i t y o f t h e p i s t o n i s ； T h e r e l a t i v e a c c e l e r a t i o n o f t h e p i s t o n i s ． 。 r Th e c o n v e c t e d a c c e l e r a t i o n o f t h e pi s t o n i s n 2 ae a e w P T he Co r i o l i s a c c e l e r a t i o n o f t h e pi s t o n i s 5 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 O 0 t ／ s 3 0 2 0 6 1 0 7 o 0 8 9 a 2 t o ， 1 0 T h e r e s u l t a n t a c c e l e r a t i o n o f t h e pi s t o n i s 1 1 A n u me r i c a l ma t h e ma t i c al mo d e l h a s be e n e s ． t a b l i s h e d b y us i n g s i g n a l c o n t r o l a n d me c ha n i c al c a t e g o r y i n A ME S i m s e e F i g ． 5 ． A f t e r w a r d s ， m a g n i - t u de a l t e r a t i o n o f v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n i n o n e c y c l e a r e c a l c u l a t e d a n d s h o wn i n F i g ． 6 a n d Fi g ． 7． Fi g ． 5 Ma t he ma t i c mo d e l f o r ki n e ma t i c a na l y s e s ．1 0 F i g ． 6 P i s t o n v e l o c i t y ma g n i t u d e 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 60 0 8 0 1 0 0 t ／ s Fi g． 7 Pi s t o n a c c e l e r a t i o n ma g ni t u d e 3 M o de l i ng o f s i nu s o i d a l pu mp i n AM ES - i m AMES i m i S a n a d v a n c e d mo d e l i n g s o f t wa r e t o p e r f o r m s i mu l a t i o n s o f e n g i n e e r i ng s y s t e ms ． T he s o f t wa r e p a c k a g e p r o v i d e s a 1 D s i mu l a t i o n s ui t e t o mo d e l a n d a n a l y z e mu l t i d o ma i n i n t e l l i g e n t s y s t e ms， a n d t o p r e d i c t t h e i r mu l t i - d i s c i p l i n a ry p e r f o rm a n c e ． S i n g l e p i s t o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d i n AMES i m i n F i g ． 8 a c c o r d i n g t o mo t i o n o f p i s t o n a n d w o r k i n g p rin c i p l e o f d riv i n g c y l i n d e r b y u s i n g s i g n a l ， me c h a n i - c a t ， h y d r a u l i c a nd HCD l i b r a ry ． Le a k a g e a n d v i s c o us f ric t i o n wi t h v a r i a b l e l e ng t h a n d e c c e n t r i c i t y mo d u l e i n AMES i m i s a s u bs t i t u t e t o e c c e n t r i c i t y o f p i s t o n， f r i c t i o n a n d l e a k a g e d u rin g t he mo t i o n p r o c e s s o f p i s t o n i n t h e mo d e l ，whi l e s i mp l e h y d r a ul i c c ha mbe r wi t h i n i t i al v o l u me t a k e t h e p l a c e o f pi s t o n c h a mb e r i n p r a c t i c e ． 加 ” 加 0 一 28 Hy d r o me e h a t r o n i c s En g i n e e rin g 机床 与 液压 F i g ． 8 S i n g l e p i s t o n mo d e l 1 ． Ou t p u t flo w；2． Dri v i n g c y l i n d e r d i s p l a c e me n t ； 3 ． Ro t a t i o n a n g l e o f mo t o r F i g ． 9 S u p e r c o mp o n e n t f o r s i n g l e p i s t o n mo d e l Ra d i a l p i s t o n p ump i s u s u a l l y ma d e u p o f s e v e n， n i n e o r e l e v e n p i s t o n s ． By u s i n g t h e s u p e r c o mp o n e n t t o o l i n AMES i m ， mo d e l o f s i n u s o i d a l pu mp ha s be e n g r e a t l y s i mp l i f i e d． I n F i g ．1 1， e a c h i c o n d e mo n s t r a t e d i n F i g ．9 s t a nd s f o r a c o mp l e t e c i r c u i t a s s h o w n i n F i g ． 8 ． S i mi l a r l y ， m o d e l o f v a ri a b l e a d j u s t i n g d e v i c e i s s e t u p i n AMES i m a c c o r d i n g t o t h e i r wo r k i n g prin c i p l e b y u s i n g me c h a n i c a l a n d HCD l i b r a r y i n AMESi m． I n Fi g． 1 0， c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m wi t h s e l To v a l v e i s i n t r o d u c e d for t h e p u r p o s e o f p r o v i d i ng a p r e c i s e l y c o n t r o l o f r o t a t i n g d r u m e c c e n t ric i t y， w h i c h i s t h e c o r e p a r t o f v a ri a b l e a d j u s t i n g d e v i c e ． F i g ． 1 0 M o d e l o f v a r i a b l e a d j u s t i n g d e v i c e Ma i n p a r a me t e r s o f t h e s i mu l a t i o n mo d e l i n F i g 1 1 a r e s h o wn i n t h e t a b l e b e l o w ④ F i g ．1 1 S i n u s o i d a l p i s t o n p ump mo d e l Ta b．1 Ma i n pa r a me t e r s o f t h e s i mu l a t i o n mo d e l Ma s s o f p i s t o n k g 1 ． 2 Ma s s o f v a r i a b l e c y l i n d e r k g 2 0 H D D i s a n e b e e n p i V 0 t a n d c e n t r e 。 f r 。 t a t i n g 3 6 3 ．4 d r u m mm 。 Di s t a n c e b e 【 w e e “ i V 0 I 、 a nd a p pl i c a t i 。 n p 。 i m 73 0 ．3 o f d r i v i n g c y l i n d e r m m P i s t o n d i a me t e r mm C l e a r a n c e o n p i s t o n d i a m e t e r m m R e l i e f v a l v e c r a c k i n g p r e s s u r e MP a M o t o r s p e e d r e v ／ mi n 3 5 0． 0l 21 1 0o 0 4 Si mu l a t i o n a nd a na l y s e s Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n，di s p l a c e me n t o f d riv i n g c y l i n d e r a s we l l a s s wi n g a n g l e o f r o t a t i n g d rum c a n b e o b t a i n e d u n d e r a g i v e n i n pu t s i g n a 1 ．I n a d d i t i o n， flo w r a t e o f e a c h p i s t o n s a n d t o t a l flo w r a t e o f p i s t o n c a n be o b t a i ne d f r o m t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ． F i g ． 1 2 a nd F i g ．1 3 s h o ws h o w d riv i n g c y l i n d e r d i s pl a c e me n t a n d s wi n g a n g l e o f r o t a t i n g d rum c ha n g e wi t h i n pu t ，r e s p e c t i v e l y．F i g ．1 4 i s t h e f l o w r a t e o f e a c h pi s t o n wh e n t h e f r e q u e nc y o f i n p u t s i g n a l i s 1 纛 ～． 弃 DI NG W e n s i ， e t a l Mo d e l i n g a n d Si mu l a t i o n o f S i n u s o i d a l P um 2 9 Hz ． Fi g ． 1 5 e x p r e s s e s t o t a l flo w r a t e o f t h e p u mp wh e n t he flo w r a t e o f e a c h p i s t o n i n F i g ．1 4 a d d s t o g e t he r ． S ma l l a mp l i t u d e a t t e n ua t i o n a n d p h a s e l a g b e t we e n t h e o r e t i c a l fl o w r a t e a n d t o t a l fl o w r a t e s h o w n i n F i g 1 5 i n d i c a t e a g o o d d y n a mi c p e rfo r ma n c e a n d s t a b i l i t y o f t h e p ump． 5 O 4 0 3 0 2 O 1 0 0 ． 1 O ．2 0 ． 30 ． 40 ．50 4 0 3 0 2 0 l 0 0 0 ．1 0 ．2 0 ．3 O ．4 0 1 50 l 00 5O 0 -5 0 -l 0O 。 8 0 0 O 5 1 O l 5 2 0 2 5 3 0 f ／ s F i g ． 1 2 Dri v i n g c y l i n d e r d i s p l a c e me n t O O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 f ／ s F i g ． 1 3 S wi n g a n g l e o f r o t a t i n g d r u m Fi g． 1 4 F l o w r a t e o f e a c h p i s t o n 6 0 0 4 0 0 200 0 ．2 O 0 ．4 0 0 ．6 00 O O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 f ／ s Fi g． 1 5 To t a l flo w r a t e o f t he p u mp 5 Co nc l us i o n 1 S i m u l a t i o n m o d e l o f s i n u s o i d a l p u m p i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e s o f t wa r e AMES i m 2 K i n e m a t i c b e h a v i o r o f t h e p i s t o n i s a n a l y z e d Fu r t h e rm o r e，d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f o u t l e t flo w r a t e o f p u mp a r e o b t a i n e d t h r o u g h s i mu l a t i o n． Th e a p p r o a c h a do p t e d i n p r e s e n t p a pe r p r o v i d e s a g o o d p l a t f o rm for f u rthe r s t u d y i n s i n u s o i d a l p ump． Re f e r e n c e s [ 1 ] Wu H u i y a n ． D y n a m i c S i m u l a t i o n S t u d y o n A x i a l V a ri a b l e Di s p l a c e me n t Pi s t o n Pu mp Ba s e d o n P o we r F l o w Mo d e l i n g [ D ] ． G u a n g z h o u S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g Y， 2 01 1 [ 2 ]L i Y u e m e i ， Wa n g M i n g z h i ． K i n e ma t i c