基于AMESim的轴向柱塞泵建模与仿真研究_姚春江
2013年6月
第41卷第11期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS June 2013Vol.41No.11
DOI ：10．3969/j.issn.1001－3881.2013.11.051
收稿日期：2012－05－22
作者简介：姚春江（1979—），男，硕士，讲师，研究方向为机械设备诊断与维修保障。E －mail ：yaochunjiang0111@
https://www.wendangku.net/doc/e31192386.html, 。
基于AMESim 的轴向柱塞泵建模与仿真研究
姚春江，陈小虎，何庆飞，张宪宇
(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)
摘要：以斜盘式轴向柱塞泵为研究对象，运用AMESim 软件构建了斜盘式轴向柱塞泵关键元件的模型，从而建立了斜盘式轴向柱塞泵的仿真模型。运用仿真模型分析负载、系统压力对柱塞泵运行的影响，为柱塞泵的设计及故障诊断提供依据。
关键词：轴向柱塞泵；建模与仿真中图分类号：TH137文献标识码：A
文章编号：1001－3881（2013）11－179－4
Modeling and Simulation Research on Axial Piston Pump Based on AMESim
YAO Chunjiang ，CHEN Xiaohu ，HE Qingfei ，ZHANG Xianyu
（The Second Artillery Engineering University ，Xi'an Shaanxi 710025，China ）
Abstract ：Swash plate axial piston pump was taken as a research object ，and AMESim was used to create the key component models for axial piston pump．Axial piston pump simulation model was established through combining simulation components．Then influences of load and system pressure on running of the piston pump were analyzed with this model．It provides basis for piston pump design and fault diagnosis．
Keywords ：Axial piston pump ；Modeling and simulation
柱塞泵是液压系统的重要元件，在液压系统中作为中高压及高压油源，被广泛应用于各个行业，尤其是斜盘式轴向柱塞泵，具有密封性好、工作压力高、在高压下仍能保持相当高的容积效率（一般在95%左右）及总效率（一般在90%以上）、容易实现变量
及单位功率的质量轻等优点
［1－4］
。但是，斜盘式轴向柱塞泵结构较为复杂，对材质及加工工艺的要求较高，价格比较高；同时柱塞泵对油液的污染比较敏感，对使用、维修的要求较为严格
［5－6］
。液压仿真软件AMESim 中的HCD （液压元件设计）库功能强大，能够根据需要，自主设计液压元件，对液压系统的设计与故障诊断提供技术支持
［7－10］
。为掌握斜盘式轴向柱塞泵的运行规律与故障特
征，降低试验成本，利用AMESim 软件对斜盘式轴向柱塞泵进行仿真，为斜盘式轴向柱塞泵的故障诊断与维修提供决策支持。
1斜盘式轴向柱塞泵的工作原理
斜盘式轴向柱塞泵的工作原理［1－3］
如图1所示，缸体上均匀分布奇数个柱塞孔，孔中有柱塞。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度，柱塞靠机械装置或低压油（图中为弹簧）作用压紧在斜盘上，配流盘和斜盘固
定不转。当电动机通过传动轴使缸体转动时，靠斜盘作用使柱塞在缸体内作往复运动，通过配流盘的配油窗口进行吸、压油
。
图1斜盘式轴向柱塞泵工作原理图
当柱塞运动到下半周范围（π 2π）时，柱塞逐渐向缸套外伸出，柱塞底部的密封工作容积将增大，油液在大气压作用下由配流盘吸油窗口进入柱塞孔，称为吸油过程；而在0 π范围内时，柱塞被斜盘压入柱塞孔，密封容积逐渐减小，孔内油液受挤压，通过配流盘上排油窗口排出，称为排油过程。缸体每转一周，每个柱塞各完成一次吸油和排油。
改变斜盘倾角就能改变柱塞行程的长度，即改变液压泵的排量；改变斜盘倾角的方向，就能改变吸油和压油的方向，从而使泵成为双向变量柱塞
泵。
2斜盘式轴向柱塞泵仿真模型
2.1斜盘式轴向柱塞泵关键元件
斜盘式轴向柱塞泵主要由配流盘、斜盘柱塞连接器、斜盘控制结构3个关键元件构成。
配流盘元件模型如图2所示，是一个由4个端口组成的超级元件模型，用来模拟配流盘的功能，连接进油口、出油口、柱塞和缸体角度传感器，进出油的控制根据缸体旋转角度的范围而定。在0 π范围内时，柱塞是排油过程；在π 2π范围内时，柱塞是吸油过程。缸体每转动一周，每个柱塞各完成一次吸油和排油。
斜盘柱塞连接器元件模型如图3所示，是一个专用子模型，模拟连接器功能，它是一个有5个端口和2个自由度的元件。第一自由度仿真旋转缸体，第二个自由度仿真旋转斜盘。端口1是惯性子模型，代表斜盘惯性。端口2是惯性子模型，代表缸体和传动轴的惯性。端口3是扭矩源，连接邻近柱塞或斜板致动器。端口4连接柱塞。端口5输出信号，为实际旋转角度。
斜盘控制结构元件模型如图4所示，是一个专用子模型，用于轴向柱塞泵的斜盘设计，包含2个端口和1个自由度的元件。自由度仿真旋转斜盘。端口1连接惯性子模型，代表斜盘惯性。端口2连接一个控制机构柱塞
。
图2
配流盘超级元件模型图3
斜盘柱塞连接器图4斜盘控制结构连接器
2.2轴向柱塞泵模型
基于AMESim建立斜盘式轴向柱塞泵模型，模型
的全局参数如表1所示，局部参数如表2所示，具体
模型如图5所示，由配流盘超级元件、斜盘柱塞连接
器元件和斜盘控制结构元件构成，用来模拟斜盘式轴
向柱塞泵的运行规律和动态特性。
表1全局参数设置
名称标题赋值单位
Rpiston柱塞径向位置0．03m
nbpist柱塞数5null
pclear柱塞直径间隙0.005mm
dp柱塞直径10mm
pcircuit系统压力200null
dcv控制阀直径5mm
beta_max最大斜盘倾角12.5degree
表2局部参数设置
标题子模型参数设置
输入信号Load
0 0.5s，恒为0.1
0.5 0.6s为0.1 0.02
0.6 1.1s，恒为0.2
转速Drive2000r/min
缸体惯量RL010.001kg·m2
斜盘惯量RL020.001kg·m2
斜盘初始角RL02－12.5?
随动活塞到斜盘
转轴的距离
Swashact0.06m ·
081
·机床与液压第41卷
图5基于AMESim 仿真的轴向柱塞泵模型
3斜盘式轴向柱塞泵仿真分析3.1
负载对斜盘式轴向柱塞泵的影响
模拟负载输入信号的曲线如图6所示，对应的输出孔口的横截面积如图7所示。设定不同的负载数据，可以仿真柱塞泵运行过程中主要参数的变化规律。文中以斜盘倾角、泵的流量和单个柱塞的位移等参数变化进行仿真。仿真类型为单独运行，仿真时间为1.1s
。
图6
模拟负载信号图7
输出孔口的横截面积
图8单独运行斜盘倾角在模拟负载输入下，斜盘倾角变化关系如图8所
示。可知：斜盘的倾角在趋向稳定后，随着负载信号的减小而减小。斜盘倾角变化是一个脉动变化的过程，这是因为系统运行过程中，在不断地进行压力调整，是压力补偿功能
得以实现的结果。
在模拟负载输入下，泵的流量变化如图9所示，该变化过程和负载信号的变化一致，流量在经过短暂的波动过程后，趋于稳定。每个趋于稳定的过程都随负载的变化改变。流量越大，流量的脉动越大。因此，为使泵工作在相对稳定的状态，必须调整好泵的负载。
在模拟负载输入下，柱塞位移变化如图10所示。柱塞位移体现柱塞腔吸油和排油的过程，可知：柱塞在仿真过程中做往复运动，运动的幅度随着负载信号减小而减小，负载降低，柱塞吸排油的量随之减低。
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181·第11期姚春江等：基于AMESim 的轴向柱塞泵建模与仿真研究
图9单独运行
泵的流量
图10
单个柱塞位移
3.2系统压力对斜盘式轴向柱塞泵的影响
分别设定系统的压力为5、10、15和20MPa ，
仿真运行模型，绘制斜盘倾角和泵的流量的批运行曲线，如图11、12所示。斜盘倾角随着压力增加而增大，倾角增大，柱塞的位移增大，柱塞吸排油的功能加强，泵的流量增大，泵的工作效率提高。同时压力越大，柱塞泵的脉动越大，脉动主要由斜盘的振动和噪声引起。振动和噪声会引起柱塞泵的故障，所以在柱塞泵工作过程中，必须适当调整系统的压力，保持系统的稳定性
。
图11批运行斜盘倾
角变化曲线
图12批运行泵流量曲线
4结论
通过反复试验和修正参数，成功地建立了柱塞泵系统仿真模型。通过仿真试验，分别分析了负载和系统压力对斜盘式轴向柱塞泵的影响因素，分析了影响柱塞泵稳定工作的因素，为柱塞泵的故障诊断提供了样本，有效解决了柱塞泵试验数据少、试验成本昂贵的问题。
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(上接第142页)
应力集中区域，而且可以针对机床零件受力、变形、模态都提供一个数量上的参考，这些数据是设计机床时的重要依据。
（2）通过拓扑优化计算，能够更加合理地进行机床零件结构布局以及加强筋设置，不仅可以减小主轴箱质量，还能增强主轴箱的刚性、动态性能，使主轴箱的结构更加合理。另外，拓扑优化还能有效地指导设计者合理布局结构，为结构设计的实施提供依据。
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