转阀控制液压三缸往复泵液压系统的仿真研究.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第2期 石 油机械 CHI NA P E TROL EUM MACHI NERY 专题研究 转 阀控 制液压 三缸往复泵液压 系统 的仿真研 究 侯勇俊 袁庆洪 西南石 油大学机 电工程 学院 摘要 为解决液压三缸往复泵的换 向冲击 问题 ，通过设计合理 的转 阀过流 7 1 结构 ，使过流面 积在转阀旋转过程 中呈匀加速一匀速一 匀减速变化规律；利用 A ME S i m软件建立 了转 阀控制的液 压三缸往复泵液压系统的仿真模 型，通过仿真分析 ，找出 了液压系统供油量、供油压力、转阀过 流面积大小和往复泵活塞位移之间的变化规律。该研究对转阀控制的液压三缸往复泵 的设计具有 重要的参考价值。 关键词 液压三缸往复泵 转阀 A ME S i m仿真 0 引 言 液压三缸往复泵与传统的曲柄连杆机构的往复 泵相 比，具有以下优势 ①活塞运动规律和缸内流 量规律可变 、可调 ，理论上 可实现任何 运动方式 ； ②在同排量的情况下 ，冲程可以成倍地加长 ，冲次 可以成倍地减小 ，以便于有效地降低流量和压力的 脉动 ，减小对介质 的剪 切和破碎⋯ ；③换 向加速 度可以控制到接近或等于 0 ，流量波动小 ，从理论 上讲 ，完全可以取缔空气包 ；④尺寸小 ，质量轻 ， 噪声小 ；⑤易损件少。而液压转阀与普通液压伺服 阀相比，又具 有如下优势 ① 过流面积可逐渐 变 化 ，使流量和活塞 杆 的运 动速度有一个渐 变 过程 ，可 以减轻换向冲击与波动；②全机械液压式 结构 ，没有传感器或电磁 阀等电子装置 ，抗干扰能 力强 ，且稳定性和可靠性很高 ；③可在恶劣的野外 环境工作 ；④寿命长 ，维护成本低。 当前 ，国内外一些学者 1 对转阀控制的液压 系统进行了一定程度的研究 ，主要做 了以下工作 ①构建了 1 个或 2个供油泵 ，由转阀控制液压三缸 往复泵系统 ；②指出了往复泵液压冲击的机理 ，并 提出改变 阀口过流面积的规律 ，可有效减轻液压冲 击 ，同时分析得 出流量 曲线 叠加对液压 冲击 的 影响；③建立 了基于转 阀的泵阀运动方 程 ] ，并 且建立 了流量切换特性 和恒排量特性方 程 。笔 者主要做 了以下研究工作 ①设计合理的阀孑 L 形状 结构来满足过流面积呈线性增加一恒定一线性减小 规律变化 ；②设计合理的阀孔面积与阀心阀 口相位 来调节流量叠加曲线 ，使叠加后的流量 曲线基本保 持恒定 ；③通过仿真 ，分析出流量的变化和阀口开 度变化的关系 ，且得 出供油泵排量 、阀孔过流面积 与活塞行程之间的关系 ；④活塞在端点的滞留时间 与阀心的阀口相位差及活塞杆直径的关系。 1 技术分析 1 ． 1 系统组成 图 1是转阀控制液压三缸往复泵系统的原理示 意图。该系统主要有以下组成元件 2个可以调节 流量 的液压泵 ，1个由步进 电动机经减速器驱动的 转 阀，3只液压缸和 3只工作缸 。2个液压泵分别 为泵 1和泵 2 ，其 中泵 1 负责向无杆腔的一端供 给 液压油 ，泵 2负责向有杆腔 的一端供给液压油。这 样做的 目的是让油缸排出和吸入过程的液压油供 给 相互独立 ，防止它们彼此 间压力 和流量 的相互影 响。图中，P为供 油 口的标 识 ，T为 回油 口的标 识 。除字母外还有 2个数字 ，第 1 个表示正在工 作的泵 ，即是泵 1或者泵 2；第 2个数字表示被供 油的油缸。如 P 1 1 表示为泵 1给油缸 1的无杆腔端 基金项 目四川省教育厅 自然科学重点专项 2 0 0 5 D 0 0 8 ；省部共建 “ 石 油天然气 装备” 教育部重点 实验 室开放基金项 目 “ 直线电 机驱动双作用三缸往复泵研究” S T S 0 0 1 。 石油机械 2 0 1 1 年第3 9卷第 2期 供油；T 1 1 表示针对于 P 1 1的回油 回油后 ，液压 油直接回到油箱 ；P 2 1表示泵 2给油缸 1的有杆 腔供油。其他依此类推。 图 1 系统 原 理 示 意 图 1 ． 2 转 阀结 构 转阀主要 由阀心 内层 、阀套 中间和阀 体 外层组成。将转 阀分成互相不能 同时直 接 通油液 的 3部分 。其端 口有如下特 点P 1 1 、P 1 2 和 P 1 3为 1 组 ，它们在圆周上的相位差正好分别为 1 2 0 。 ；P 2 1 、P 2 2和 P 2 3为 1 组 ，它们在 圆周上 的 相位差也正好分别为 1 2 0 。 。以上 2组端 口，在 圆 周上的相位差 ，对应相差 1 8 0 。 ，如 P 1 1和 P 2 1在 圆周上正好是面对面。此外 ，回油端 口与供油端 口 的对应端 口在圆周上 同相位 ，如 P 1 1和 T 1 1 ，P 2 1 和 T 2 1同相位 。对于阀套 ，需在同相位的周上开一 定度数的圆弧槽 ，阀套和阀心所开槽孑 L 在圆周上的 角度 之 和 为 1 8 0 。 。阀 套 上 ，P 1 1 、P 1 2 、P 1 3和 P 2 1 、P 2 2和 P 2 3两组开槽的位置和相位完全一致 ， 回油槽和同数字编号的供油槽 同相位。阀体开口位 置和相位同阀套 ，且圆周定位一定要处于阀套与阀 体油 口全通的位置 ，即阀套的空槽部位一定要全部 包含阀体端 口。需要说明的是 ，为了使通过转阀阀 口的流量变化呈线性规律 ，特别将 阀心油 口开成方 形 口；阀套开槽的两端沿着径向；为配合液压油管 的螺纹端 ，阀体开 口为圆形孔 ，且开 口为阀心方形 油 口的外接圆。 1 ． 3工作原 理 阀心随电动机匀速运转 ，当阀心油 口与对应的 阀套槽 口重叠时，油路接通 ，否则油路截断。由于 阀心油口彼此在 圆周上 的相位差为 1 2 0 。 ，则在 系 统实际运转 中，油泵就分别先 后 向 3个液压缸供 油 ，3只活塞杆先后相继伸出和缩 回。液力缸和动 力缸通过联轴器相连后 ，液力缸的运动就完全和动 力缸同步 ，即 3个缸相继排出和吸人，其排出或吸 入过程的时间间隔为单冲程的 。以阀套 口P 1 1的 起始点 为 0位置点 ，当阀心的 P 1 1阀 口处 于 0 1 8 0 。 时 ，油缸 1为活塞杆伸 出过程 排 出过程 。 相应地 ，阀心的阀 口P 1 2处于 1 2 0 3 0 0 。 时 ，油缸 2处于活塞杆伸 出过程。当 P 1 3处于 2 4 0～ 4 2 0 。 圆 周时，油缸 3活塞杆处于伸出过程 。活塞杆回缩过 程 吸入过程 同理。除启动开始 的第 1个周期 外，在任一时刻 ，总有 2活塞缸处于排出过程 或 吸人过程 ，另一活塞缸处于吸人过程 或排 出过 程 。且同一时刻，只有 1个活塞缸到达行程的端 点 。 1 ． 4系统 主要参 数 选取油缸 的直径 D1 6 0 m m，活塞行程 S 6 0 0 m m，活塞运动的平均速度 U 0 ． 6 m ／ s ，冲次 n 3 0 rai n ～。根 据油缸最大公称压力 ，选择 活塞 运动的速比 1 ． 2 5 。根据速 比 选择活塞杆的直 径 d 7 0 mm。参照 I S O 8 1 3 7要求选择阀心油 口6 3 5 mm，阀心内径 D 1 6 0 r n m。相应于转 阀，滑 阀的等效直径 D 1 3 ． 2 m m。最大开 口长度 0 ． 0 2 m。供油泵的排量 p 3 2 L ／ s _ 3 J ，设定供油泵 的转速 n1 0 0 0 r ／ m i n ，泵 1和泵 2的单转排量分 别取 q 。 3 0 0 0 m L ／ r 和 q 2 0 0 0 m L ／ r 。油管螺纹 直径为 5 0 m m。以上参数作为仿真的参考参数 。 2 仿真模 型建 立 图 2是在 A ME S i m 中建立 的仿真模型。其 中， 由泵 1和泵 2分 别对 三缸 的无 杆 腔 和有杆 腔供 油 ；转阀可实现的 3种功能 ，即 自动换向、自动 选择和开关供油泵 、控制流量和流速 ，由3部分功 能模块来构成仿真。分别是 3个异相 的位移信号控 制模块 、三位四通的滑阀模块、速度传感器和逻辑 运算模块。下面对这 3个模块分别说 明。①异相位 移信号模块和滑阀构成的机构 ，主要完成 自动换向 和流量 流速 的控制。对于滑 阀形式和转 阀形 式都有 自动换向的功能，因此 ，这里着重考虑流量 控制功能在 2种形式模块 中的实现。根据理论研 究 ，阀的流量 和过 流面积成正 比 J 。因此，只需 使转阀的过流面积变化规律和滑阀的过流面积变化 规律等效即可。而滑阀的等效过流面积与滑阀的内 径和开口长度乘积有关 。合理设计滑阀的内径参数 和位移信号参数是该环节仿真中的关键。让转阀阀 心上的阀 口线速度 即圆弧的切 向速度 和滑阀 的移动速度完全一致 ，这样它们运动产生的过流面 2 0 1 1 年第3 9卷第2期 侯勇俊等转阀控制液压三缸往复泵液压系统的仿真研究 积的变化规律是完全一致的。因此 ，这样得出来 的 仿真结果也是稳定可靠的。② 由速度传感器反馈 回 ～ ； i l - - f 0 ≯ f [ Jd j r 图 2三缸泵动 力端仿真模 型 来的信号来控制可控节流 阀，来开关泵 1 或泵 2的 响三缸活塞运动的连续性和活塞的行程。且改变阀 供油 。当速度传感器反馈的信号大于 0时，经运算 孑 L 的相位可以改变流量的叠加效果。 函数运算后输出值为 1 ，节流阀保持最大开度 ；当 速度传感器反馈的信号小于 0时，经运算函数运算 后输出值为 0 ，节流阀关 闭。因速度传感器反馈 的 信号只有上述 2个数值 ，则运算函数输出值也只有 1或 0 ，即节流 阀要么开度最 大，要 么关 闭，这就 起到了开关的作用 。③用流量传感器测算出各缸 的 排出流量和吸人流量 ，再通过逻辑加减运算 ，就可 以得出三缸排出和吸人流量总和的曲线 J 。 3 仿 真结果 图 3和图 4分别是当排 出和吸人 冲程等时间， 且稍微增加排出阀孑 L 相位的情况下 ，三缸在第 1 个 周期的无杆腔流量图。图 5和图 6分别是排出阀孔 点 吕 ● 一 一 ＼ 删 窨 一 口 强 图3三缸 无杆腔流 量图 一 过大或供油泵最大排 出压力过大时，三缸活塞在第 1周期 的速度 图和位移 图。对 比以上 4图可 以发 现 ，阀孔的过流面积和供油泵的最大排出压力会影 g 一 窖 一 r - r 碧 一 图4三缸活塞杆位移 图 一 图 5 三缸无杆腔流量 图 二 图 6 三缸活塞位移 图 二 O 0 O O 0 O O 0 0 。 。 ∞ 舳 ∞ 加 加 ∞ 舳 一 1 8一 石油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 图7是 2个周期内往复缸 1无杆腔 内的压力变 化图。从图可以看出，缸 内压力随着周期循环呈有 规律地变化，最大压力和供油泵 的最大排出压力相 当，且没有 明显的脉动。 ， 1 1 三1 出 容 时 间／ S 图7 2个周期 内缸 1无杆腔的压力 图 8是无杆腔进油阀孔过流面积与无杆腔进油 流量的关系图。从图可以看出，阀孔的过流面积与 通过阀孔的流量基本是成正比关系的。 ．妄 E ● 一 删 蜒 图 8 阀孔过流面积与无杆腔进油流量的关 系 图9是增大排出阀孔之相位后的三缸排 出流量 叠加图。从图中可以看出，适 当增加排出阀孑 L 的相 位 ，可以调节三缸排 出流量叠加的均匀度 。 则活塞 冲程得不 到保 证。因此 ，当转 阀一旦 配套 后 ，可以通过调节供油泵的最大排出压力来调节往 复泵的冲程和活塞运动的连续性。 2 不合适的供油泵 的排量是引起 液压 系统 流量不稳定的因素之一。排量过大，系统没有明显 的不稳定 ，但能效不高；排量过小 ，活塞行程往往 得不到保证 。 3 改善流量叠加 的方 法有 少量增加排 出 或吸人对应阀孔的相位差；在保证活塞杆强度条件 下 ，尽量减小活塞杆直径；合理分配阀心阀孔和阀 套 阀孔在圆周上的弧长 ，即适 当增加阀心阀孔的弧 长而减小阀套 阀孔 的弧长，继而增加过流面积的匀 加速和匀减速 的时间 ，减少过流面积的匀速时间； 适量减少排出时间，增加吸入时间。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 图9 1个周期 内三缸排出流量叠加图 E 8 ] 4 结 论 1 阀孔过 流面积 的大小 和供油泵最大排 出 压力直接影 响三液压缸的冲程和活塞运动 的连续 性 。过流面积过大，则活塞杆在端点处停滞时间过 长，且活塞瞬时加速度也相应 增加 ；过流面积过 小 ，则活塞杆还没有到达端点就急速返 回，即冲程 不能保证。供油泵的最大排出压力设定过高 ，则活 塞在端点停滞 时间过长；供油泵 的最大压力过低 ， 参考文献 杜新忠 ，张维友 ，杨成永 ，等 ．油 田用液 压三缸泵 与机械三缸泵 [ J ]．液压与气动，2 0 0 3 1 3 9 4 0． 王岩鹏 ，周鲲 ，万 秀琦 ．转 阀换 向 2台油泵驱动 的液压三缸往 复泵 设计 [ J ]．石油机 械 ，2 0 0 1- ，3 2 1 1 92 2 ． 高学仕 ，赵怀文 ，郭公 喜 ．液压 钻井泵 的设计与试 验 [ J ]．石油矿场机械，1 9 9 9，2 8 1 1 9 2 2 ． 周忠诚 ． 基于转阀控制的液压三缸往复泵研究[ D]． 西南石油大学 ，2 0 0 8 ． 江玲 玲 ，张俊俊 ，基 于 A ME S i m 的液 压位 置伺服 系 统动态特 性仿 真[ J ]．机械 工 程 与 自动 化 ，2 0 0 7 1 3 54 0 ． 余佑官，龚国芳 ，胡国良． A ME S i m仿真技术及其在 液压系统 中的应用 [ J ]．液压气动与密封，2 0 0 5 3 2 83 O ． Tka c he n k o A F ．A n e w d e s i g n o f r e c i p r o c a t i n g pu mp f o r t h e h y d r a u l i c t r a n s p o r t a t i o n of s o l i d m a t e ri a l s[ J ]． C h e mi c al a n d P e t r o l e u m E n g i n e e ri n g ，1 9 7 3 ，9 5 4 6246 5 ． L i u Ya h u i ，j i X u e wu ． S i mu l a t i o n o f c a v i t a t i o n i n rot a r y v al v e o f h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g g e a r[ J ]． S c i e n c e i n C h i n a P r e s s ，2 0 0 9 ，5 2 1 1 3 1 4 2 3 1 4 8 ． 第一作者简介 侯勇俊 ，教授 ，生于 1 9 6 7年 ，2 0 0 2年 获西南石油学院机械设计及理论专业博士学位，现从事石 油钻采装备等方面的科研和教学工作。地址 6 1 0 5 0 0 四川 省成都市。Em a i l h y j 2 6 4 3 4 4 6 1 2 6 ． e o m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 2 7 本文编辑赵连禄 O 0 0 0 O O 0 O 0 0 鲫 加 ∞ 如 加 如 加 ∞ 审晕 } 棚螗