基于虚拟样机的轴向柱塞泵压力脉动特性研究

基于虚拟样机的轴向柱塞泵压力脉动特性研究徐暋兵暋李春光暋张暋斌暋许书生浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027摘要:介绍了虚拟样机技术在轴向柱塞泵仿真研究中的应用。借助虚拟样机技术并根据柱塞泵的物理模型参数,分别在MSC.ADAMS和AMESim环境下构建了柱塞泵的动力学模型和液压模型。利用二者模型的底层接口,搭建了液固耦合的轴向柱塞泵虚拟样机模型。基于虚拟样机,研究了油液黏度、体积弹性模量对柱塞泵出口压力脉动特性的影响,得到了泵出口压力脉动幅值及脉动率随体积弹性模量增大而增大的线性关系,也总结出了泵出口压力脉动幅值及脉功率随油液黏度增大而增大但变化幅度逐渐减小的结论。关键词:虚拟样机;轴向柱塞泵;压力脉动;油液黏度;体积弹性模量中图分类号:TH137.7暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)10—1203—05ResearchonPressurePulsationCharacteristicsofAxialPistonPumpBasedonVirtualPrototypeXuBing暋LiChunguang暋ZhangBin暋XuShushengStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027Abstract:Virtualprototypetechnology(VPT)appliedinaxialpistonpumpsimulationresearchwasintroduced.DynamicsmodelandhydraulicmodelofpistonpumpindividuallygroundedonMSC.ADAMSandAMESimwerebuiltbymeansofVPTandactualpistonpumpparameters.Solid-liquidcouplingvirtualprototypeofaxialpistonpumpwasputupbasedontheinterfaceofthetwomodels.Pressurepulsationofpistonpumpaffectedbyoilviscosityandbulkmoduluswasinvestigatedbasedonthevirtualprototype.Pressurepulsationamplitudeandrateincreasingwithbulkmodulusaslinearre灢lationshipwhilewithviscosityasdescendingrelationshipareconcluded.Keywords:virtualprototype;axialpistonpump;pressurepulsation;oilviscosity;bulkmodulus收稿日期:2009—07—13基金项目:“十一五暠国家科技支撑计划资助项目(2006BAF01B01,2006BAF01B04);国家863高技术研究发展计划资助项目(2007AA041803);机械系统与振动国家重点实验室资助项目(MSV-2009-02)0暋引言在液压系统中,液压泵被认为是主要的噪声源,而流体噪声在泵的整个噪声水平中占相当大的比例,一般被认为是主要的噪声激振源。由于柱塞泵出口压力的周期性变化而形成的压力脉动是引起流体噪声的重要因素,压力脉动引起液压振动,再经过系统介质和组件结构的传递,导致管道、泵壳振动,形成液压系统的结构噪声和空气噪声[1]。这种振动有时候还能产生谐振,谐振频率可以是基频的2~3倍或者更大。同时,液压回路的管道和阀类会传递液压泵的压力,在回路中产生波动,使泵产生共振,发出噪声。为了探明柱塞泵压力脉动的形成机理、形成规律及影响因素,许多研究机构进行了多方面的探索。前苏联学者Zaichenko等[2]对柱塞腔压力特性进行了数学建模,模型中考虑油液的可压缩性、泄漏以及阻尼槽的节流作用,但受当时条件限制,模型没有求解。英国巴斯大学Edge等[3]对压力脉动特性进行了数学建模,模型中除了考虑油液的可压缩性、泄漏因素以及阻尼槽的节流作用外,还引入节流槽内油液的惯性项影响,首次得到惯性作用对压力脉动的影响。德国德累斯顿工业大学(TUDresden)的IFD研究所[4]利用计算流体力学(CFD)技术对柱塞泵内部流体的压力脉动情况进行了仿真分析,并通过在泵缸体上设置弹性环的方法,大大降低了压力脉动的作用。根据对柱塞泵压力脉动的研究现状进行归纳可以发现,油液特性是重要的影响因素之一。而油液最重要的性质是其可压缩性和黏性,这两个性质对在动态工作下的液压系统影响极大。对于轴向柱塞泵这种高度液固耦合的系统,采用虚拟·3021·基于虚拟样机的轴向柱塞泵压力脉动特性研究———徐暋兵暋李春光暋张暋斌等样机技术可以非常方便地研究在不同工况下油液特性对出口压力脉动的影响。因为虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[5]。本文结合某型号轴向柱塞泵的结构特征和相关参数,利用AMESim建立其液压系统模型,并结合MSC.ADAMS环境下的动力学模型,构建了液固耦合的虚拟样机模型,研究了不同转速和负载压力下,系统油液黏度和体积弹性模量对泵出口压力脉动特性的影响。1暋压力脉动理论分析轴向柱塞泵出口压力脉动是由多个柱塞的交替吸排油共同作用的结果,所以需要对柱塞腔内的压力瞬时变化规律进行分析。柱塞腔压力瞬时变化的影响因素有:节流效应、可压缩性、柱塞的运动特性、间隙泄漏、油液惯性以及气穴对弹性模量的影响。根据数学模型原理(图1),利用油液体积弹性公式得到柱塞腔压力特性方程[1]为dpfdt=KeVf(qr-qi-qg-ql-dVfdt)(1)式中,pf为柱塞腔油液压力;Ke为油液弹性系数;Vf为柱塞腔油液体积;qr为柱塞运动排油量;qi为阻尼槽倒灌流量;qg为惯性项流量;ql为间隙泄漏流量。图1暋数学模型原理图1中,pH、pL分别为高压区、低压区的压力;Ai为吸油截面积;Ao为排油截面积;qi1、qio分别为吸、排油倒灌流量;vp为柱塞速度。将多个柱塞腔的压力瞬时变化特性进行耦合,就可以得到整泵的出口压力脉动特性。2暋虚拟样机模型搭建根据上述理论分析可知:多个柱塞腔压力瞬时变化时的相互耦合,形成了泵出口的压力脉动现象,所以需要对每个柱塞腔建立流量模型。同时,由于油液黏度对柱塞泵的泄漏量有很大影响,而内泄漏量进一步会影响到出口压力脉动特性,所以需要建立三个摩擦副处的泄漏模型。柱塞腔的交替吸排油是由柱塞相对于缸体的往复运动而实现的,为了协调各个柱塞的运动关系,需要建立柱塞的速度模型。液压油是通过配流盘的腰形槽进出缸体容腔的,也需要对配流盘进行建模。泵的外负载通过负载模型来实现。结合某型号9柱塞轴向柱塞泵(图2)的结构参数,在AMESim环境下建立如下子模型:1.主轴暋2.前端轴承暋3.斜盘轴承暋4.斜盘暋5.回程盘暋6.滑靴暋7.衬套暋8.后端轴承9.配流盘暋10.缸体暋11.柱塞暋12.球铰图2暋9柱塞轴向柱塞泵模型(1)柱塞流量模型及泄漏模型。基于柱塞腔压力特性方程,建立图3所示的单柱塞流量模型。当柱塞向右运动时,缸体容腔吸入低压油;当柱塞向左运动时,缸体容腔排出高压油来驱动负载。油液黏度的变化会造成间隙泄漏流量的改变,而柱塞腔压力特性方程反映出间隙泄漏流量与柱塞腔压力有着直接的联系,所以泵的内泄漏不能忽略。柱塞泵的泄漏主要集中在三个摩擦图3暋柱塞流量模型和泄漏模型副处,这里采用等效液阻来模拟。等效液阻用如下的理论计算式表达[1]:柱塞副流量泄漏qp=毿d毮3112毺l(1+1.5毰2)(pf-po)-毿d毮1vp2(2)滑靴副流量泄漏qs=毿d4d毮32毺[6d4din(r2/r1)+128毮32ld](pf-po)(3)配流副流量泄漏qv=毩f毮3312毺[1in(R2/R1)+1in(R4/R3)](pf-po)(4)式中,d为柱塞外径;毮1、毮2、毮3分别为三个摩擦副处油膜间隙;l为柱塞在缸体内的含接长度;毰为柱塞偏心率;毺为油液动力黏度;dd为柱塞内节流孔直径;r1、r2分别为滑靴封油带内外径;ld为柱塞内节流孔长度;毩f为滑靴副泄漏修正系数;R1、R2为内封油带内、外半径;R3、R4为配流·4021·中国机械工程第21卷第10期2010年5月下半月盘外封油带内、外半径;pf为柱塞腔压力;po为泵回油压力。(2)柱塞速度模型。结合图2所示泵的结构特征和相关参数,可以推导出柱塞相对缸体的线速度表达式:v=氊sin氄tan毭(R-X0tan毬)cos毬(1-cos氄tan毭tan毬)2(5)X0=l0tan毭2tan毬tan毭式中,氊为主轴转速;氄为缸体转角;毭为斜盘倾角;毬为缸体锥度;l0为斜盘旋转中心到柱塞球头中心平面的距离;R为柱塞在毭=0斜盘平面上的分布圆半径。然而在实际工作中,柱塞除了做随缸体绕主轴的转动及相对缸体轴线的往复移动外,还做围绕自身轴线的旋转运动和相对缸体柱塞孔轴线的微幅摆动[6],并且柱塞相对缸体的速度还受到其他部件运动的影响,式(5)不能综合考虑这些影响因素,所以这里采用从柱塞泵动力学模型中直接取出速度的方法。轴向柱塞泵的动力学模型是依据工作元件间的实际约束关系而构建的,可以综合考虑各个部件的相互作用。基于动力学模型和液压模型之间的底层数据接口,液压模型利用动力学模型传递来的速度计算柱塞腔瞬时压力,同时动力学模型利用这个瞬时压力计算下一步柱塞速度,两种模型相互实时传递的参数如图4所示。图4暋模型参数传递(3)配流盘模型。液压油是通过配流盘的腰形槽进出缸体容腔的,所以配流盘模型可抽象成通过控制腰形槽的开度来控制油液的吸入和排出。图5描述了开度系数与缸体转角之间的关系。配流盘模型中是通过引入可变节流阀来控制腰形槽的开度的。图5暋腰形槽开度系数(4)负载模型。负载模型是通过节流阀模拟、调节节流阀的开度来改变泵出口负载压力大小的。基于两种模型的底层数据接口和相互实时传递的参数,建立轴向柱塞泵虚拟样机模型如图6所示。图6暋轴向柱塞泵虚拟样机模型3暋结果与分析虚拟样机模型的仿真参数如表1所示。表1暋虚拟样机模型的仿真参数主轴转速n(r/min)2000仿真时间t(s)0.016通信间隔氂(s)1暳10-5输出步长t0(s)1暳10-6负载压力p(MPa)19体积弹性模量Ke(GPa)1.69油液动力黏度毺(Pa·s)48暳10-3注:表中输出步长为动力学模型的积分输出步长。为了避免混叠现象,动力学模型积分输出步长t0应小于等于通信间隔氂的一半[7]。实验采用46号抗磨液压油,通过测试可以得到,对于46号抗磨液压油,在40曟左右、中高压工作状态(10MPa以上)下,其体积弹性模量约为1灡69GPa,动力黏度约为48暳10-3Pa·s。泵出口的压力脉动呈现周期性的变化,压力波的周期T=60/(zn),与泵的主轴转速n以及柱塞数z有关。9柱塞泵在转速为2000r/min时,压力波的脉动周期为3灡33ms,这个与实验结果以及仿真结果相一致。从图7可以看出,虚拟样机仿真结果与实验测试得到的压力脉动结果相吻合,从而可以说明虚拟样机模型对泵的压力脉动·5021·基于虚拟样机的轴向柱塞泵压力脉动特性研究———徐暋兵暋李春光暋张暋斌等图7暋压力脉动仿真结果与试验数据对比特性可以精确地预测,具有较高的精度,可以作为柱塞泵压力脉动特性的分析工具。保持油液动力黏度48暳10-3Pa·s不变,改变其体积弹性模量。从图8和图9可以看出,在两种不同工况下,仿真结果显示出随着体积弹性模量的增大,油液的可压缩性降低,泵出口压力脉动幅值增大,脉动率也呈上升趋势。表2给出了在油液的三种体积弹性模量下,压力脉动在两种不同工况下的幅值和脉动率。图8暋n=2000r/min,p=19MPa工况下弹性模量对泵出口压力的影响图9暋n=2500r/min,p=34.5MPa工况下弹性模量