基于AMEsim的某型航空发动机轴向柱塞泵特性仿真

doi： 10． 3969 / j． issn． 2095 － 1248． 2011． 04． 006
Characteristics simulation of swash plate axial pump of an aeroengine with AMEsim
LIU M ingming SHI Hong HUANG Xiaofei
［5 ］
柱塞的液压冲击 如果分油盘过渡区尺寸小于或等于转子端面
的柱塞腔孔直径， 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 此时在柱塞腔中产生液压冲击现象 ， 腔内 窗接通， 油压瞬时升高， 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。如果在吸油窗下端和排油窗上端各 开一个三角形尖槽（ 如图 5 所示） 。
2
仿真模型的建立
在建立模型之前， 需要做如下假设： （ 1 ） 液体的流动是一维的。 （ 2 ） 油液属性是均匀的。 （ 3 ） 不考虑油液的温度对液压元件影响 。
OM 表示柱塞的中心线， 柱塞中心线与转子轴线
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沈阳航空航天大学学报
第 28 卷
（ 4 ） 计算的压强是节点所对应的容腔内油液 的平均压强。 2． 1 柱塞模型 单个柱塞模型是将泵轴转速、 斜盘倾角、 柱塞 倾角及柱塞相对于缸孔的运动速度之间的关系联 系起来。因此柱塞模型包括运动转化模型、 斜盘 柱塞容积模型、 倾角和柱塞倾角信号的输入模型 、 泄漏模型和柱塞的运动方程模型， 如图 3 所示。 容积模型和泄漏模型用来模拟柱塞容积的变化和 泄漏流量， 运动方程模型用来模拟斜盘倾角 、 柱塞 倾角和转子转角间的函数关系
。 但是由
于轴向柱塞泵的工作特性， 燃油泵在工作时会产 生流量脉动， 流量脉动又会引起压力脉动， 当需要 较大的燃油量时， 泵的出口压力会减小； 尤其是泵 会因内部磨损导致泄漏量增大， 使 在长期使用后，
收稿日期： 2011 － 04 － 18
E － mail： benjamin_64@ ya作者简介： 刘明明（ 1985 － ） ， 男， 黑龙江大兴安岭人， 在读硕士， 主要研究方向： 航空发动机制造与维修， hoo． cn； 石宏（ 1961 － ） ， 女， 辽宁沈阳人， 主要研究方向： 航空发动机制造与维修。
。
图3
柱塞模型
燃油体积弹性系数 燃油动力粘度
2． 2
分油盘吸 / 排油口模型
3． 2
泵轴转速
分油盘模型是利用开关构成分油盘的高压腔 和低压腔， 通过转子角度信号判断柱塞处于吸油 行程还是排油行程。 当 α = 0° ～ 180° 范围内， 柱塞吸油， 吸油孔打 开， 柱塞排油节流孔面积为 0 ， 当 α = 180° ～ 360° 范围内， 柱塞排油， 此时， 排油节流孔打开， 吸油节 流孔面积为 0
第28Βιβλιοθήκη Baidu卷 第4 期 2 011 年8 月
沈阳航空航天大学学报 Journal of Shenyang Aerospace University
V o l. 28 No. 4 Aug . 2 0 1 1
文章编号： 2095 － 1248 （ 2011 ） 04 － 0022 － 05
基于 AMEsim 的某型航空发动机轴向 柱塞泵特性仿真
第4 期
刘明明， 等： 基于 AMEsim 的某型航空发动机轴向柱塞泵特性仿真
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元件的泄漏等， 其功能强大的后处理功能为工程 ［3 ］ 分析提供了良好的支持 。本文以 AMEsim 软件 作为仿真平台， 建立了单个柱塞的液压仿真模型 ， 对柱塞在运动过程中的流量和压力特性进行了仿 真分析。
OA 的夹角为 θ； 斜盘转角 α = 0° 时（ 柱塞无往复运 AM 表示 动） 锥面斜盘位置如图中虚线所示； AN、 斜盘绕斜盘转轴 A 转过 φ 角时斜盘面的位置。 当转子旋转半圈， 柱塞从 OM 转到 ON 位置时， 柱 塞顶点从 M 移到 N。 柱塞中心线垂直于锥面斜 盘。
［1 ］
图2
柱塞行程计算图
— — —— — — ——
当 α = 0°时， 柱塞的最大行程 Smax = MM0 + NN0 = 2 MM0 = 2 M0 A tanφ 则 smax = 2lsinθtanφ
— — —— — — ——
（ 1）
l 为柱塞中心线与转子轴线交点 O 到 式中， 斜盘转轴 A 之间的距离。 当柱塞在任意位置角 α 时 （ α 为转子转角 ） 令： α = 0° ， 柱塞处于吸油行程开始位置； α = 180° ， 柱塞处于排油位置开始位置， 柱塞行程为 1 － cosα s = K1 1 + K2 cosα 式中： K1 = l（ 1 － tanθtanφ） sinθtanφ K2 = tanθtanφ K2 不变时， 由式（ 2 ） 可见， 当 K1 、 行程 s 随转 子转角 α 改变。 当 a = 180° 时， 由于 K2 ＜ 1 ， 故式 （ 2 ） 可近似为 s max = 2 lsinθtanφ 假设转子转角 α = ωt， ω 为转子的角速度， ω = dα / dt。斜盘倾角 φ 和柱塞倾角 θ 为定值， 对柱 塞行程 s（ α） 求导可得柱塞的相对运动速度 sinα v = K1 （ 1 + K2 ） ω （ 1 + K2 cosα） 2 由式（ 3 ） 可见， 柱塞的速度是 α 角的函数 （ 3）
图9
轴向油压作用力
3． 4
泄漏分析 0． 1 图 10 、 图 11 为在泄漏间隙为 0． 01 mm、 mm 时泄漏量特性曲线。 由图可知， 当泄漏间隙 变大时， 泄漏量随之增加， 柱塞在吸油行程中， 泄 漏量逐渐增加， 然后稳定在某一值； 当柱塞处于吸 油与排油交接处时， 由于柱塞轴向油压作用力和 泄漏量突然增加； 当柱塞 柱塞腔的压力瞬间增大， 处于排油行程时， 泄漏量随着柱塞腔的压力和柱 塞轴向油压作用力的减小而随之减小 。
表1 柱塞直径 柱塞倾角 l（ 参见 1． 2 ） 斜盘倾角 吸排油节流口最大开口直径 粘性摩擦系数 转动惯量 燃油密度 14 mm 13° 0． 139 m 0° ～ 13． 5° 0． 01 m 100 Nm / （ r / min） 1 /10 kg·m2 850 kg / m3 17 000 bar 52 cp 1 000 ～ 3 500 r / min
1
1． 1
柱塞泵的基本原理及柱塞运动方程
柱塞泵的工作原理 柱塞泵主要由转子、 柱塞、 斜盘和分油盘等元
件构成， 如图 1 所示。 柱塞在转子柱塞孔中随转 子一起旋转， 在油压力和弹簧力等的作用下， 柱塞 头部顶靠在斜盘面上。 斜盘面可以是球面， 即球 面斜盘， 也可以是圆锥面， 即锥面斜盘。当存在一 定的斜盘角度时， 柱塞在柱塞腔中作往复运动， 不 。 断改变柱塞腔里的自由容积 转子端面与分油盘 贴合。分油盘上有两个月牙形窗孔： 一个通低压 进口腔， 为进油窗； 一个通高压出口腔， 为出油窗。 分油盘固定不动， 当转子旋转时， 柱塞腔轮换与 进、 出油窗接通。当柱塞在吸油行程时， 柱塞腔通 进油窗， 吸进相应体积的低压液体； 当柱塞在排油 行程时， 柱塞腔通出油窗， 将液体排往出口。由于 每个柱塞只有半个周期处于供油状态， 但转子上 有许多柱塞同时工作， 因此， 出口处便得到连续的 供油量
（ School of Aero Dynamics and Energy Engineering ，Shenyang Aerospace University ，Liaoning ， Shenyang 110136 ）
Abstract ： The motion equation of plunger piston w as established by analyzing its w orking principle and the simulation model of single plunger piston w as built w ith AM Esim． By setting the main parameters of the model ，the structure characteristics of the sub oil pan w ere obtained through the simulation analysis，and the pressure of plunger cavity and the hydraulicforce on the plunger w ere analyzed by setting the different angles of sw ash plate． Finally ，the leakage flow w as analyzed according to the different leakage clearance． The result of the simulation analysis in this paper w ill provide a theoretical foundation for optimization design of the pump． Key words： plunger pump； flow ； pressure； AM Esim simulation； 轴向柱塞泵是航空发动机燃油系统的重要组 成部分， 其工作情况的好坏直接影响燃油系统的 工作状况。轴向柱塞泵具有容积效率高， 供油量 调节简单， 体积小， 经济性好等优点
刘明明，石 宏，黄笑飞
（ 沈阳航空航天大学 动力与能源学院 辽宁 沈阳 110136 ）
摘
要： 分析了柱塞泵的工作原理， 建立了柱塞泵柱塞的运动方程 。在此基础上， 利用 AMEsim 工
程仿真软件建立了单个柱塞的仿真模型 。 根据某型航空发动机上柱塞泵的结构参数设置了仿真 参数， 分析了分油盘结构对柱塞的影响； 并在不同的斜盘角度下， 分析了柱塞腔的压力、 轴向油压 作用力的变化情况； 最后， 对在不同泄漏间隙条件下的泄漏量进行了分析 。 本文仿真分析所得结 果可为柱塞泵的优化设计提供相关理论依据 。 关 键 词： 柱塞泵； 流量； 压力； AMEsim 仿真 文献标志码： A 中图分类号： V233． 2 + 4
。如图 4 所示
图5 图4 吸 / 排油口模型
开有三角形尖槽的分油盘
三角形尖槽的尖角与处在上， 下死点的柱塞
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刘明明， 等： 基于 AMEsim 的某型航空发动机轴向柱塞泵特性仿真
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腔孔相接， 这种结构可以减弱液压冲击现象。 图 6 是分油盘未开三角形尖槽， 图 7 是具有三角形 尖槽结构的分油窗内柱塞腔的压力曲线， 可以明 开有三角形尖槽的分油盘， 油液压力的跃 显看出， 升明显减弱。
［1 ］
泵流量和压力不足， 功率下降， 影响燃油系统的正 常工作
［2 ］
。因此， 对柱塞泵的柱塞在工作过程中
的压力和流量特性进行分析就显得尤为重要 。 AMEsim 是一种新型的基于图形化的工程应 用仿真软件， 用于模拟控制对象的真实建模环境 。 该软件在建立液压系统的数学模型时， 充分考虑 了液压油的物理特性及液压元件的非线性特性 。 例如： 液压油的压缩性、 滞环、 饱和特性、 库仑力、
［4 ］
3
3． 1
仿真分析
仿真参数
以某型航空发动机上的柱塞泵为例， 一般工 对 作情况下节流阀参数设置： 流量特性 1L / min， 应压降 1bar。 为了计算泄漏对压力和流量的影 响， 取柱塞与缸孔正常状态下间隙值为 0． 01 mm； 磨损状态下间隙值为 0． 1 mm。通过仿真计算， 斜 盘倾角为 13. 5° 、 柱塞倾角为 13° 时， 柱塞的最大 行程为 1． 5 cm， 仿真结果与柱塞的理论行 程 相 符。共同仿真参数如表 1 所示。
［2 ］
。
（ 2）
图1
柱塞泵的工作原理图
。
柱塞腔里的液体由于受到柱塞端面的推动而 则液体受 向出口流动。 如果出口处有流动阻力， 到挤压， 出口处呈现一定压力。流动阻力越大， 液 体受到的挤压越大， 出口压力越大。 1． 2 柱塞的行程分析 ON、 柱塞最大行程 S max 如图 2 所示。 图中，