航空柱塞泵液压关死与冲击仿真研究.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 1 年 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 t 1 0 1 0 2 0 4 0 3 航 空柱塞泵液压 关死与冲击仿真研 究 符江锋 李华聪 郭眷玲 ’ 西北工业大学 动力与能源学院， 西安 7 1 0 0 7 2 。 西北工业大学 管理学院， 西安 7 1 0 0 7 2 Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n h y dr a u l i c t r a p a n d h y d r a u l i c s u r g e o f a e r o p i s t o n p u mp F U J i a n g f e n g ， L I Hu a - c o n g ， GUO C h u n - l i n g S c h o o l o f P o w e r a n d E n e r g y ， N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， Xi ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Ma n a g e me n t N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a 【 摘要】 为了 研究柱塞泵柱塞腔内油压变化规律， 避免产生液压关死与液压冲击现象， 以对称偏转安 装和开三角形槽结构形式的分油盘为研究对象， 以A ME S i m仿真软件为平台， 建立对应分油盘的AME m模 型。 通过参数设置， 对柱塞腔内压力变化进行仿真分析， 与对称安装结构形式的分油盘下柱塞腔 内压力仿真结 罘进行对比， 证明对称偏转安装和开三角形槽的分油盘结构能有效避免液压关死与冲击发生。基于 A ME S i m 的仿真研究， 分析灵活方便设计周期短， 对于设计新型结构分油盘具有重要意义。 关键词 液压冲击； 分油盘 ； 柱塞泵 ； 仿真分析 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r t o s t u d y t h e r e g u l a r i t y o ft h e p r e s s u r e i n p i s t o n p u m p c h a mb e r a n d a v o i d t h e h y d r a u l i c t r a p and h y d r a u l i c s u r g e p h e n o m e n o n ， t h e s y m m e t r i c a l d e fle c t i o n s t r u c t u r e a n d t r i ang l e s l o t s t r uc t u r e o f t h e p a r t i al g r i n d w a s t a k e n as t h e r e s e arc h o b j e c t ， and t h e c o r r e s p o n d i n g p a r t i a l gri n d s i m u l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b as e d o n AMES i m． Wi t h t he r e aso n ab l e pa r a met e r s s e t ， t he pr e s s u r e c h a n g e i npi s t o n p u m p c h a mb e r a n al y z e d a n d c o m p a r e d w i t h t h e s y m m e t r i c all y fit t e d s t r u c t u r e s i m u l a t i o n r e s u h s ， s y mm e t r i c a l d e fle c t i o n s t r u c t u r e and t r i a n g l e s l o t s t r u c t u r e i s p r o v e d t o e ffe c t i v e l y p r e v e n t h y d r a u l i c t r a p a n d h y d r a u l i c s u r g e ． S i mu l at i o n anal y s i s b ase d o n A ME S i m i s fle x i b l e a n d t h e d e s i g n c y c l e i s s h o r t , i t h a s i m p o r t ant s i gnific o ．a c e t o d e s i g n a n e wp art i a l gri n d ． Ke y wor d s Hydr a ul i c s ur g e； Pa r t i a l g r i n d； Pi s t o n pump； Si mul a t i on an a l ys i s 中图分类号 T H1 6 ， V 2 2 8 ． 1 文献标识码 A 1 液压关死与液压冲击原理分析 1 ． 1 液压关死现象分析 转子上的柱塞腔一段装有柱塞， 另～端交替与分油盘吸、 排 油窗相通。若过渡区尺寸大于转子端面柱塞腔孔直径， 如图 1 所 示。则在转子端面柱塞腔孔脱离吸油窗时， 不能立即与排油窗相 通 ， 柱塞腔将被封 闭。而此 时柱塞腔的中心线尚未到达 B B线 柱塞上死点 ， 柱塞还要继续做吸油运动， 致使已被封闭的柱塞 腔容积被强行抽吸， 产生瞬时真空现象； 而柱塞到达上死点后， 开 始排油运动， 此时柱塞尚未与排油窗接通 ， 又使封闭的柱塞腔容 积被强行压缩 ， 从而产生压力回升现象 。 l 8 O。 L． 了 ． ． 厂 ＼ ／ ／ n O 。 图 1过渡区尺寸 大于柱塞腔孔直径 同样， 在下死点过渡区， 当柱塞腔冈 lJ 脱离排油窗时， 柱塞腔也被 ★来稿 日期 2 0 1 0 - - 0 3 0 1 封闭， 此时柱塞尚未到达下死 ， 还要继续做排油运动， 使已封闭的 柱塞腔容积被强行压缩， 产生不正常的高压； 而柱塞到达下死点后， 开始吸油运动， 使封闭的柱塞腔被强行抽吸， 传声压力回降现象。 以上原理可知， 当3 d 时， 柱塞腔在吸、 排油窗转接的过渡 区上形成短期的封闭， 由于柱塞不断地运动， 于是对被封闭的容 积产生强行抽吸和压缩， 从而使柱塞腔内交替产生真空和高压现 象 ， 这种现象被称之为液压关死现象 。 1 _ 2液压冲击原理分析 若分油盘过渡区尺寸6小于或者等于转子端面的柱塞腔孔直 径 d ， 如图2 所示。则在上死点附近的油窗转接过程中， 充满低压液 体的柱塞腔会突然与高压排油窗接通，此时在柱塞腔中产生液压冲 击现象， 腔内油压瞬时升高到超过泵出口压力很多。同样， 在下死点 附近， 充满高压液体的柱塞腔会突然与低压吸油窗接通， 产生液压冲 击， 使腔内压力瞬时低于泵进口压力。 当压力升高的那部分液体由于 受压面积使容积缩小以后，所空出的那部分容积又会由后面的液体 迅速补充。 这样， 后面的液体就会膨胀， 压力降低， 结果被压缩的那部 分液体与膨胀的那部分液体之间形成很大的压力差，在此压差作用 下液体又要产生反流， 如此发展下去， 就使冲击现象呈种“ 波” 的形 式在整个系统中来 传播， 这就是所滑是冲击波。 液压冲击和液压关 死样， 会使附件、 管路破坏， 也会伴随着产生噪声， 使附件受到交变 第 1 期 符江锋等 航空柱塞泵液压关死与冲击仿真研 究 2 0 5 应力而疲劳损坏。对油泵的正常工作、 寿命部极为不利。 1 8 O0 ／ 一 。 ／／／ 。 ． { 、、 ～ O 。 一 ＼ 、 ～ O。 图 2 过渡 I 尺 寸 6小 于等 于 柱 塞 腔扎 直 径 2 分油盘的数学模型 2 ． 1 对称油窗偏转安装的分油盘 为了防止冲击 ， 应 冲产生冲击的物理本质上着手解决 。 由分析 可知， 柱塞腔中的冲击力是由压力的突变引起的。 那么， 为了防止冲 击， 就应当设法使柱塞腔中的压力突变改为缓变过程， 这样就需要 改变过渡区的配置状态 。 将具有对称油窗的分油盘 中性线 B 一 _ R沿 转子旋转方向偏转个微小角度 ， 如图 3 所示 。而后安装于泵壳 体上。 偏转后使 艿 在垂直位置 t线两侧分布不均匀 6 ， D ， 从而使得在 o t 1 8 0 o j 的6 区域和 0 3 6 0 。 前的6 区域内不产生液 压关死。 消除可能产生的不正常低压和高压 。 压力的提高和柱塞行 程的 关系由下面的 关系式表示 A P ／ ≥ 1 式中 △ 柱塞腔中压力的增量 公斤力／ c m ； 柱塞腔中液 体的总容积 c m ， ； ， 一油液的压缩系数 ， 考虑到油液中通 常溶解有空气，所以此值常取作 卢 。 5 - 理论值 卢 1 ； AV 一 由柱塞移动所造成的被压缩 的容积 c i n 。 在压缩区内△ 的值为 2 一 A V 。 A S i 孚 ta n [ 1 - c o s 一 一 1 - c o s ] 2 一 t a n T x [ C O S O ／i ‘ ’ O t i o t it a n T x C O S O ／i c o s Ao i s l n o t l s i n A c C O S O t 1 ] 2 l l 【 当△ 很小时， 可取 C O S O ／ 1 ， s i n Aa △ 代 入 上 式 ，可 简 化 为 A I／ 7- A △ s 孚 - ta m ,s in △ 3 式中O t i 一柱塞所处位置相对于上死点位置的偏转角； D 一柱塞 分布圆直径； Aa ． ． 的微小增量。将式 3 代入 1 中， 将 -rrd ] D n ㈩ 半 ta n T 1 - c o sa L ／ f ＼ ＼ ， 、 ＼ ＼ √ ／ R f 0 0 ＼ ． 了 ＼ 、、 ～ 0 。 图 3对称油窗偏转安装的分油盘 图 4开三角形尖槽型的分油盘 2 ． 2开三角形尖槽型的分油盘 在过渡区与分油槽之间开三角形尖槽， 如图 4 所示。做法是 目 前常见的有效方法 ， 开三角尖槽的实质， 就是在高 低 压槽与柱塞腔 之间设置个其节流面积逐渐变化的可变节流孔，使柱塞腔与高压 分油槽直接接通之间， 在封闭区中预先通过三角形节流孔逐渐接通， 把高压槽中的高压油液逐渐引到柱塞腔中，从而使柱塞腔中的油液 压力也在高压槽接通之前逐渐提高， 可起到和与压缩相同的作用。 三角尖槽的形状可以有很多种 ，下面我们就以一种特定形式 进行分析计算。 如图 5 所示， 三角形槽中任意位置的横截面积 即节 流 面 为 △ A c 6 ，厂 e } 2 af ta n 矿ta n o q ／ t a n 了0 t a n 0 5 而 n ， 所以， △ 4 t a n t a 6 假设转子转过 △ 角度后 ， 通过三角形尖槽 的流量 Q 不变 ， 则 Q c 3 ta n 等ta 、 ／ 、 ／ 7 转子转过Ao d i 的同时， 由三角形节流孔流入柱塞腔的液体的 容 积 为 A V 3 Q ， A ti- C 3R ta n ta n 0 、 ／ 、 ／ 8 式中 一三角形节流孔的流量系数，计算中设为常数； ， 一图 4中所示三角形尖槽 的角度。 3 分油盘的 A M E S i m模型 3 ． 1 对称油窗偏转安装的分油盘模型 每个 柱塞 的进 口和 出口取决 于柱塞相对于分油盘 月牙槽 的 位置。模型 中有两个变量孔 进油槽和排油槽 ， 如图 6所示 。 图 5过度三角形槽 2 图 6对称油窗偏转安装的 分油盘模型 端口 1 输入转子转速， 端口2 为出油， 端口3为进油。缸体 油孔的流通面积取决于缸体的转动位置。 流通面积与缸体转角之 问的对应关 系， 如 图 7 所示 。 角 度 。 图 7对称油窗偏转安装的油孔流通面积 1 为进油孔面积 ， 2为出油孔面积 ， 当一个油窗打开 ， 另外一 个就被关闭。 3 _ 2开三角形尖槽型的分油盘 开三角形尖槽型的分油盘模型 ， 如 图 8 所示 。 2 图 8开三角形尖槽型的分油盘模型 2 0 6 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 1 端口1 输人转子转速 ， 端E l 2为出油， 端口3 为进油。缸体 油孔的流通面积取决于缸体的转动位置。 流通面积与缸体转角之 间的对应关系 ， 如图 9所示 。当一个油窗打开 ， 另外一个就被关 闭。允许流体在一个孔到第二个孔之问运动。 1 O ， 、 0． 8 o 器 0 2 0 O ／ ＼ ／ i ＼ 一 ● 亍 -．＼ 一 r 丁一 ’ ● 卜 ⋯ 0 { _ ●●_ lr ⋯ r’ - -一 一一一 一J -一 一 ●● _ r ⋯ _ -● y ＼ 0 1 00 2 0 0 3 00 40 0 角度 。 图 9开三角形尖槽 型的油孔流通面积 1为进油孑 L 面积 ， 2为出油孔面积 ， 当一个油窗打开 ， 另外一 个就被关闭。 3为与进油槽相连的三角形尖槽的接通面积。 4为与 出油槽相连的三角形尖槽 的接通面积。 4 仿真分析 4 ． 1 仿真步骤 首先进入草 图模式下 ，根据五个 部件的子模型绘制柱塞泵 的A ME S i m仿真草图，然后进入子模 模式下给元件匹配子模 型， 再进入参数模式设置合理结构参数 。 最后进入运行模式下， 绘 制仿真曲线得出计算结果。 I 望 鬯 堕 垄H王 堡 型 堡 H查 垫 竖 H垩 堑 堕 I 4 - 2参数设置 某航空柱塞泵 的仿真模型 中， 柱塞泵 的结构参数如下 柱塞 直径 2 1 ram； 柱塞数 7 ； 斜盘倾角 ， ， 1 5 。 ； 缸体油孔有效直径 d 1 4 mm； 分油盘偏转角 1 。 ； 柱塞分布圆直径 D 2 0 ram； 分油盘 进油， { 4 } 油槽 直径 d 1 4 mm；三 角形 尖槽 折合 的有效 直径 d 4 m m。 设置边界条件参数 进口油压 p _ i n O ．3 Mp a ， 出口压力 p _ o u t 为 l O Mp a ， 转速为 4 0 0 0 r e v ／ mi n 。 4 ． 3仿真结果分析 4 ． 3 ． 1 对称安装的分油盘柱塞腔压力变化 液压关死时柱塞腔的压力变化 ， 如图 1 0所示。 4 0 2 0 o o 8 0 6 0 40 2 0 0 2O 0 _● _--_ -●*_ ⋯ 摹 确 鲫 再 91 __ 一 ⋯⋯一⋯-- ．J ．． ．．～． ．J．．⋯．⋯ ⋯． J u ． 0 O O0 5 0 ． 1 O 0 l 5 时 问 f 图 1 O液压关死 时柱塞腔的压力变化 液压冲击时柱塞腔的压力变化， 如图 】 】 所示。 l 20 1 OO 80 趣6 0 4 o 2 0 O i 蕊 确一 一融一碍一静一 一胡一胡一躏一啪一睁 ⋯ 。 一●-_ 一⋯．一j一 一 ． ． ．． ． ．． _ -_ ●_ ●_H__ -_H-_-⋯ _● ● ． ．．。．． ⋯． ．． ．． 一 O． oo 0 O 5 0． 1 O 0． 1 5 时间 t 图 1 1液压 冲击时柱塞腔的压力变化 1 一 柱塞腔油压 ～ 柱 塞 腔 油 压 4 ． 3 ． 2对称油窗偏转安装的分油盘柱塞腔压力变化 偏转安装分油盘柱塞腔压力变化 ， 如图 1 2 所示。 一 I II I ， j 一 I I I IlIf ‘ 瞒 1 lr llI ～ J-● __● ⋯-～⋯--I ～． r 一 _-- --- ___ ‘●_ 。 ●● ● __ ● 犯 一 一 i 一 一 一 _ ， 一 一 柱塞腔油压 图 1 2偏转安装分油盘柱塞腔压力变化 4 ． 3 ． 3开三 角形尖槽型 分油盘柱塞腔 压力 变化 开三角形尖槽型分油盘柱塞腔压力变化 ， 如图 1 3 所示。 图 1 3开三角形尖槽型分油盘柱塞腔压力变化 三角形失槽 内柱塞腔压力变化 ， 如图 1 4所示。 i IIrI 一I 一IIr IIrllr 冒i写j羊匪 ●⋯ ●- -t⋯⋯ 。t _- _ -● 一- ● ● ---- l ⋯‘ _--● _⋯ ．．f， 一 ． - ， ’ _ - - ● _ - l 0 O． O5 O O O．5 0． 腔油压 三角形槽 内油压 图 l 4三角形尖槽 内柱塞腔压力变化 5 结束语 以A ME S i m软件为平台，分别建立两种结构形式分油盘的 A ME S i m模型， 在柱塞泵的仿真模型中分别得出两种结构形式分油 盘下， 得出两种结构形式分油盘下柱塞腔内压力的仿真曲线， 得出 了对称安装形式分油盘液压关死与液压冲击现象的仿真曲线， 两者 进行对比， 证明了偏转安装和开三角形槽结构形式的分油盘能消除 柱塞腔内的液压突变。 运用仿真模型方式研究柱塞泵的液压关死与 液压冲击， 结果更形象、 更直观， 对谢 十 分油盘奠定了分析基础。 参考文献 1曾俊英 航 空动力装置控制 元件部分 [ M] ．北京 航空工业出版社， 1 9 9 5 2 E l y s 6 Bo t e ] 1 6 ， Mo d e l i n g An Ax i a l P i s t o n Hy d r a u l i c p u mp ． FL UI D POW ER MODEL I NG ＆S I MUI ATI ON， 2 00 1 1 - 2 0 3 吴琪华， 贺慧珠 ， 张加桢航 空发动机调节 [ M] 二 4 E 京 国防工业出版社， 1 9 8 6 4卢 宁 ， 付永领， 孙新学． 基于 A ME s i m的双压力柱塞泵的数字建模 与热 分析． 北京航空航天大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 2 1 0 5 4 ～ 1 0 5 8 5付永领 ， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真E M] ．北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 6郭卫东 ， 王占林．斜盘式轴向柱塞泵实际流量的分析研究[ J ] ．北京航空航 天大学学报 ， 1 9 9 6 ， 2 2 2 2 2 3 ～ 2 2 7 航空发动机设计手册总编委会编航 空发动机设计手册 第 1 5册 [ K] ， 2 0 0 2 8 何存兴． ’液压元 件[ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 2 9翟培祥．斜盘式轴 向柱塞泵设计 E M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 7 一 c 【 一 是 艚 和 面 面 积积 面面彤形 油油角角 进出 一 一二一 ● 2 3 4 一 一 坦霹 一 一 幽嘏艇 一 c 【一 出霹