基于AMESim恒功率泵的动静态特性仿真分析

基于 Ａ Ｅ ｉ Ｍ Ｓｍ恒功率泵的动静态特性仿真分析
文 哲 ，徐 兵
（ 浙江 大学流体传 动及控 制 国 家重 点 实验 室 ，浙江杭 州 ３ ０ ２ ） １０７
摘要 ：以压力流量功率复合控制泵的功率控制部分 为研究对象 ，利用 Ａ Ｓｍ搭建压力 流量 功率复合控 制泵的整体仿 ＭＥ ｉ 真模 型 ，针对影响其功率控制部分动静态特性 的几个关 键因 素——流量 阀弹簧刚度 、功率 阀阀芯三角槽数进 行变参分 析。 仿真结果表明 ：增大流量 阀弹簧刚度 ，可以改善功率控制范 围内斜盘摆角 的动 态特 性 ；增加功率 阀阀芯三角槽个数 ，可 以
恒功率控制泵是提高液压系统节能效率 的关键元 件 ，可 以在特定工况下减少原动机功率 的浪费 ，具有
１ 恒 功率控 制原理
流
良好 的节能效果。因此研究恒功率控制泵 的控制性能 并改善其动静态特性 ，具有现实意义。
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压
静态 工作 曲线 最 大功 率 曲线
作者研究对象是一种压力流量功率 复合控制泵的 功率控制部分 。这种压力流量功率复合 控制泵 ，采用
线位 移与斜盘角位移之间的转换关系 。在此可将 变量 柱塞球 头球 心 、回位 柱塞球 头球心 、斜盘 转动中心近
量 阀 阀芯 的 作 用 力 与
流量 阀弹 簧 预 设 压 缩 一 阀芯 ２ 阀套 ｌ 一 阀 芯 左 右 位 的 移 动 ，芯三角槽结构
似认 为在 同一条直线上且与主轴轴心线共面 。变量柱
ｌ ｕ ｌ ｉ ｙ ｂ ｉ ｎ ＡＭＥ ｉ ｆ ｒｓｍｕ ａｉｎ Ａｌ ｒｎ － ａ ａ ｔｒ ａ ａｙ ｉ ｓ ｐ ｒ ｒ ｄ ｆｒｓ ｖ ｒ ｌｋ ｙ ｆｃｏ ｓ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｃ ｈ ｙ ａ ｃ ａ ｄ ｔ Ｓ ｍ ｏ ｉ ｌｔ ． ｏ ｔｉ ｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｎ ｌｓｓｗａ ｅｆ ｍｅ ｅ ｅ ａ ｅ ａ ｔｒ ｈ ｔｉｆ ｎ ｅ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｅ ｏ ｏ ｕ ｓａｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ｅ ｐ ｗｅ —ｏ ｔ ｌ ａ ｔｏ ｅ ｐ ｍｐ ｓ ｃ ｓｓ ｒ ｇ ｓｉ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｖ ｌ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｍｂ ｒｏ ｅ ｔ ａ ｇ ｌ ｔｔ ｃ ａａ ｔｒ ｉ ｆｔ ｏ ｒｃ ｎ ｒ ｒ ｆ ｈ ｕ ， ｕ ｈ ａ ｐ ｎ ｔ ｆ ｅ ｓｏ ｗ—ａｅ ａｖ ｎ ｈ ｕ ｅ ｆ ｈ ｉ ｎ ｕ ａ ｃ ｓｃ ｈ ｏｐ ｔ ｉ ｆ ｌ ｆ ｔ ｒ ｒ ｇ ｏ ｖ ｓ ｏ ｅ ｐ ｗ ｒｖ ｌｅ ｓ ｏ １ Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｔｅ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｔｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ｈ ｗ ｓ － ｌ ｔ ｎ ｌ ｎ ｒ ｏ ｅ ｆｔ ｏ ｅ ａｖ ｐ ｏ ． ｈ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｈ ｙ ａ ｃ ａ ｄ ｓａｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｉ ｆ ｔｅ ｓ ａ ｈ ｐａ ｅ ａ ｇｅ ｉ ｈ ｏ ｓ ｃ ｓｃ ｒ ｎ ｅ ｏ ｏ ｒｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｍｐ ｏ ｅ ｙ ｉ ｃ ｅ ｉ ｇ ｔｅ ｓ ｒ ｇ ｓ ｆ ｅ ｓ ｏ ｏ ・ ｔ ａｖ ； ｔ ｅ ｍｉ ｉ ｍ ｏ ｅ ａｕ ｓ ｒｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｇ ｆ ｗｅ ｏ ｔ ｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｂ ｎ ｒ ａ ｎ ｈ ｐ ｎ ｔ ｆ ｓ ｆｆ ｗ・ａｅ ｖ ｌｅ ｈ ｎ ｍｕ ｐ ｗ ｒｖ ｌ ｅ ｉ ｅ ｕ ｅ ｎ ｈ ｐ ・ ｏａ ｓ ｉ ｉｎ ｌ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｏ ｒｃ ｎ ｒ ｌ ｓｂ ｏ ｄ ｎ ｄ ｔ ｅ ａ ｎ ｅ ｔｎ ｙ ｉ ｃ ｅ ｉ ｇ ｔｅ ｎ ｍｂ ｒｏ ｅ ｔ ａ ｇ ｌｒｇ ｏ ｖ ｓ ｏ ｅ ｐ ｗ ｒｖ ｌｅ ｓ ｏ １ ａ ｇ ｆ ｗｅ ｏ ｔ ｒａ ｅ ｅ ａｃ ｒ ｉ ｘｅ ｔｂ ｎ ｒ ａ ｎ ｈ ｕ ｅ ｆｔ ｒ ｎ ａ ｒ ｏ ｅ ｔ ｏ ｅ ａｖ ｐ ｏ ． ｐ ｏｉ ｏ ｔ ｓ ｈ ｉ ｕ ｆ ｈ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｃ ｎ ｔ ｎ ｏ ｅ ； Ａｘａ ｉ ｏ ｕ ｙ ｒｓ ｏ ｓａ ｔ ｗ ｒ ｐ ｉ ｐ ｓ ｎ ｐ ｍｐ；Ｄｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ； Ｓｍｉ ｃ ｒ ｅ ｌ ｔ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃｅｉｔ ｃ ｔ ｃ ｕｖ
由上述关 系式 可 知 ，因为斜 盘 摆 角范 围通 常 较
小 ，可认为其摆角的正弦值与摆角近似相等 ，所 以变 量柱塞行程与斜盘摆角是近似线性的关系。 图４所示是 变 量 柱塞 、回位 柱 塞 及斜 盘部 分 的 Ａ Ｓ ＭＥ ｉ ｍ模型 ，模型 中采用 限位质量块 设置斜 盘 、变
量柱塞及 回位柱塞的极端 限位 ；采用可变力臂杆模拟
基金项 目：国家 “ ６ ” 高技术产业化研 究资助项 目 （０ ７ Ａ ４ ８３ ；上海市数字化汽车车身工程重点实 验室 开放课题 基 ８３ ２０ Ａ ０ １０ ） 金资助 （ Ｖ２ ０ －２ ；十一 五科技支撑计划资助项 目 （０ ６ Ａ ０ ０ ￣１ ＭＳ － ９０ ） ０ ２０ Ｂ Ｆ １ ３ ） Ｂ 作者 简 介 ：文哲 （ ９ ５ ） １８ 一 ，男 ，硕 士研 究生 ，主 要 研 究 方 向 为轴 向柱 塞 泵 变 量 控 制 。 通 讯 作 者 ：徐 兵 ，Ｅ—ｍ ｉ ｘ ＠ ａｌ ｕ ：ｂ
塞的行 程与斜盘摆角的关系可用如下关系式表示
ＲＬ ｔｎ ０ ・ａｆ 一Ｌ＝Ｒ ・ ｎ ｌ Ｌｔ ／ ａ３ 可 得
Ｌ＝ 一Ｒ ・ ＋ＲＬ ｔｎ ０ Ｌｔ ａ 。ａ］ ３ （ ２）
簧 一功 率 弹簧 Ⅱ ５ 阀 一 力的平 衡 控 制 流 量 阀 Ｉ ４
（） １
从 而改 变 泵 排 量 来保
２１ ００年 ７月
机床 与液压
Ｍ ＡＣＨＩ ＮＥ Ｔ００Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩ ＣＳ
Ｊ １２ ０ ｕ ． ０１
Ｖｏ． ８ Ｎｏ １ １３ ． ３
第３ ８卷 第 １ ３期
Ｄ Ｉ １．９９ ｊｉｎ １０ — ８ １２ １ ．３０ ７ Ｏ ： ０ ３ ６／． ｓ． ０ １ ３ ８ ．００ １．３ ｓ
持 出 口流量 的恒 定 。
图 ３ 功 率阀结构示意图
Ａ Ｃ段是恒功率控制 阶段 ，通 过 Ａ Ｂ段和 Ｂ Ｃ段两
式 中：
为 变量柱塞 与泵 主轴之 间的中心距离 ； 为斜盘初始最大摆角 ； 为变量柱塞行程 ； 为斜盘摆 角。
条斜率 不 同的直 线 近 似模 拟 恒功 率 二次 曲线 。点 Ａ
减小最小功率值 ，从一定程度上增大功率控制 范围。 关键词 ：恒功率 ；轴 向柱塞泵 ；动态特性 ；静态工作曲线
中图 分 类 号 ：Ｔ ３ ．１ Ｈ１７５ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ３ ８ （０ ０ １ ０ １— ８ １ ２ １ ） ３—１２～ ２ ６
Ｄｙ ｍｉ ｎ ｔ ｔＣ Ｓ ｍ ｕｌ ｔｏ ａ ｙ ｉ ｆ Ｃｏ ｓａ ｎａ ｃ ａ ｄ Ｓ ａ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｎ ｔ ｎｔ
ｚ ．ｄ ．ｎ ｊ ｅｕ ｃ 。 ｕ
第 １ ３期
文哲 等 ：基于 Ａ Ｓｍ恒功率泵的动静态特性仿真分析 ＭＥ ｉ
・２ ・ １３
工作 原 理 。
Ｏ Ａ段 泵 处 于 恒 流
制的主要元件。因此为提高功率控制的性能 ，对 流量 阀相关 参数如 何影 响 功率 控 制性 能进 行研 究是 必要
Ａ ｓ ａｔ ｈ ｏ ｅ—ｏｔ ｌ ａ ｒｓ ｒ ｆ ｗ ｐ ｗ ｒ ｏｔ ｌ ｕ ｐａ ｅｓ ｄ ｂｅｔ ｈ ｏｅ ｏ ｅ ｕ ｐｗ ｓ ｏ ｐｅ — ｂｔ ｃ ：Ｔ ｅｐｗ ｒ ｎｒ ｒｏ ｐｅｓ ｅ ｌ ／ ｏ ｅ ｎｒ ｍ ｔ ｔ ｙｏｊｃ，ｔｅｍ ｄｌ ｆｈ ｍ ａ ｍ ｌｔ ｒ ｃ ｏｐ ｔｆ ｕ ／ｏ ｃ ｏｐ ｓｈ ｕ ｔ ｐ ｃ ｅ
是恒功率 起调 点 ，在 Ａ Ｂ段 内 ，此 时增 大工 作 压力 ，
工作压力作用 于功率 阀推 开功率 阀阀芯 ，在 功率 阀功 率弹簧 Ｉ 压缩力 与工作压力平衡后停 止运 动 ，此 时功 率阀三 角槽过 流面积增大 ，功率 阀溢流量增大 ，流量 阀阀芯右端压力 降低 ，流量 阀阀芯右移 ，流量 阀工作 于左位 ，变量 柱塞 大端 作 用有 高压 油 ，变量 柱 塞左 移 ，排量减小 。与此 同时 ，变量柱塞通过反馈机构作 用于功 率阀活动阀套 ，使 阀套沿 阀芯运 动方 向动作 ，
压力 阀、流量阀 、双 弹簧功率阀的配合工作实现泵压
力 、流量 、功率 的复合控制 ，而且该泵是通过功率阀 三角槽结构溢流的方 式实现恒功率控制。因此 ，在该 泵实现功率控制的过程 中不仅受到 自身功率 阀结构参 数 的影 响，而且 也会受到其他功能控制阀结构参数的 影响。 作者从上述 的两个影响方面出发 ，针对流量阀弹 簧刚度和功率阀三角槽个数进行分析。采用先进 的液 压仿真软件 Ａ Ｓ ＭＥ ｉ ｍ搭建完整 的压力流量功率复合控 制泵仿真模 型 ，并 采用 ＭＡ Ｌ Ｂ精 确计算 功 率 阀阀 ＴＡ 芯结构参数并 将其导入 Ａ Ｓ 中，然后 变参分 析 ， ＭＥ ｉ ｍ 最终获得合理的结构参数 。
Ｐｏ ｒ Ｐｕ ｐ Ｂａ ｅ ｎ Ａｍｅ ｉ ｗｅ ｍ ｓ ｄ ｏ ｓｍ
Ｗ ＥＮ ｅ． ＸＵ ｎ Ｚｈ Ｂｉ ｇ
（ｔ ｅＫ ｙＬ ｂｏ ＦｕｄＰ ｗ ｒ ｒｎｍ ｓ ｏ ｎ ｏ ｔ ｌ ｈｊ ｎ ｎｖｒ ｔ，Ｉ ｎｚｏ ｈｊ ｇ １０７ ｈｎ ） Ｓａ ｅ ａ ｆ ｌ ｏ ｅ ａｓ ｉ ｉ ａｄＣ ｎ ｏ ｏ Ｚ ｅ ａｇＵ ｉｅ ｉ － ｇｈｕＺ ｅａ （２ ，Ｃ ｉａ ｔ ｉ Ｔ ｓｎ ｒ ｆ ｉ ｓｙ Ｉ ａ ｉ ３１ ｎ
收稿 日期 ：２ １ ０ ２ ０ ０— ４— ３
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２３ ８Ｏ
工 作 压 ￣ｐ Ｍ Ｐ ／ ａ
图 １ 压力流量功率复
合 控 制 泵 原 理 图
图 ２ 压力流量功率复 合控制泵静态工
作 曲线 示 意 图
压力流量功率复合控制泵是通过预先设定 ，在不
同工作压力下 ，使泵处于不同控制工况 。根据压力 流 量功率复合控制原理 图 （ １ ，结合其 静态 工作 曲 图 ） 线 （ ２ 图 ）及功率 阀结构示 意图 （ ３ ，说 明该 泵 图 ）
的。
量工 作 阶段 ，这 一 阶
段泵 在 不 同 工 作 压 力 下都 保 持 泵 出 口流 量
的恒 定 ，它 是 通 过 节 流 阀 两 端 的 压 差 对 流
２ 模型 搭建
２ １ 变量 柱 塞及斜 盘部 分 建模 ． 变量柱塞及斜盘部分的模型需要考虑变量柱塞直
个Ｐ
３ 一功率 弹
变量柱塞及 回位柱塞与泵主轴 的恒定距离 ；采用直动 转动转换模块 实 现缸 体 内各 柱塞 对斜 盘 的作 用力 传 递 ；采用碰撞模块模拟变量柱塞及 回位柱塞通过滑靴 与斜盘 的接触关 系。
斜 盘
继续增大 ，流量阀阀芯继续左移 ，流量阀阀芯工作于 右位 ，变量柱塞大端与油箱相通 ，变量柱塞左移 ，排 量减小。与此同时 ，变量柱塞通过反馈机构作用于功 率 阀活动 阀套 ，使阀套沿阀芯运动方 向动作 ，三角槽 过流面积增大 ，功率阀溢流量增大 ，流量阀阀芯右端 压力减小 ，流量 阀阀芯逐渐右移 ，变量柱塞运动速度 逐渐接近 ０ ，流量在该工作 压力下稳定 。 由于采 用功 率 弹簧为线性弹簧 ，并忽略具体机构 的一些非线性 因 素 ， Ｂ工作段压力流量呈线性关 系。Ｂ Ａ Ｃ段 ，因为功 率 弹簧 Ｉ和功率 弹簧 Ⅱ都处于工作状态 ，弹簧 刚度为 两 弹簧刚度之 和 ，Ｂ Ｃ段压 力流量 关 系斜 率增 大 ，但
三角槽 过流面积减小 ，功率 阀溢流量减小 ，流量 阀阀 芯右端压力增大 ，流量阀阀芯逐渐 左移 ，变量柱 塞运 动速度逐渐接近 ０ ，流量在该工 作压力下 稳定 。若在 Ａ Ｂ段内减小工作 压力 ，在功 率 阀功率 弹簧压缩 力 的 作用下 ，功率 阀 阀芯左 移 ，三角槽 过 流 面积 继 续减 小 ，功率阀溢 流量也继续减 小 ，流 量阀阀芯右端 压力