雙向非對(duì)稱柱塞泵的聯(lián)合仿真與泄漏特性研究

蔡金典， 滕 霖， 夏立群， 李奕寧

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所， 陜西西安 710065)

引言

融合了電動(dòng)技術(shù)與液壓技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的一體化電動(dòng)靜液作動(dòng)器(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)是目前歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)研制的方向[1]，如美國(guó)F35戰(zhàn)斗機(jī)主飛控舵面全部采用EHA作動(dòng)[2]，歐洲的A400M和A380在主飛控舵面均采用了EHA作為備份舵機(jī)[3-4]。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功率電傳，取消了飛機(jī)上的集中液壓油源，適應(yīng)了未來(lái)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[5]。

在EHA中，液壓缸為兩腔面積有差的單出桿非對(duì)稱缸，具有輸出力大、可靠性高、占用空間小、制造簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于兩腔面積有差，致使其進(jìn)出口流量不相等。為了達(dá)到用1臺(tái)柱塞泵按閉式方式驅(qū)動(dòng)非對(duì)稱液壓缸，本研究采用新配流原理對(duì)配流盤進(jìn)行改造，將其中1個(gè)配流窗口改為串聯(lián)布置的兩部分，構(gòu)成具有三配流窗口的軸向柱塞泵[6]。

在航空領(lǐng)域，適用于EHA系統(tǒng)的雙向非對(duì)稱柱塞泵需要承受系統(tǒng)在高速高壓工況下的檢驗(yàn)，而在高負(fù)載的工況下，柱塞泵的泄漏量必然增大，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究結(jié)合某型號(hào)雙向非對(duì)稱軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)參數(shù)，利用AMESim建立其液壓系統(tǒng)模型，結(jié)合ADAMS環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)模型，通過聯(lián)合仿真的方式，研究EHA三油口非對(duì)稱柱塞泵的泄漏特性。

1 新配流方案

圖1a所示為EHA非對(duì)稱三油口柱塞泵配流盤的結(jié)構(gòu)，其中油口A為大腔，對(duì)應(yīng)圖1b中非對(duì)稱缸回路的無(wú)桿一端，油口B為小腔，對(duì)應(yīng)圖1b中回路的有桿一端，油口T代表蓄能器，與作動(dòng)器的油箱連接，用于平衡泵的總流量。工作中，只要使配流窗口A和B面積的比值等于差動(dòng)缸兩腔面積比，就可實(shí)現(xiàn)通過一臺(tái)柱塞泵直接控制非對(duì)稱缸[7]。M點(diǎn)與N點(diǎn)分別代表配流盤的上下死點(diǎn)，P點(diǎn)為小腔與蓄能器口之間的非止點(diǎn)過渡區(qū)，由于柱塞經(jīng)過此區(qū)域時(shí)依然具有較高的速度，因此會(huì)引起此過渡區(qū)域柱塞腔內(nèi)流量和壓力大的突變。

圖1 配流盤結(jié)構(gòu)與工作原理

柱塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封容積產(chǎn)生變化從而實(shí)現(xiàn)吸油和排油[8]。在柱塞運(yùn)動(dòng)一周的過程中，各配流窗口的面積會(huì)經(jīng)歷先增大，保持一定角度后再減小的過程，參照文獻(xiàn)[9]給出的單柱塞通過1個(gè)窗口時(shí)配流面積變化的計(jì)算公式，通過MATLAB軟件繪出配流盤3個(gè)油口配流面積與缸體轉(zhuǎn)角的圖像，并定義將主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)稱為正轉(zhuǎn)，此時(shí)柱塞會(huì)經(jīng)過蓄能器與小腔吸油，通過大腔排油，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為大腔(油口A)→蓄能器(油口T)→小腔(油口B)，3個(gè)油口的配流窗口面積變化規(guī)律如圖2a所示。將主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)稱為反轉(zhuǎn)，柱塞從大腔吸油，將油排出小腔和蓄能器，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為小腔(油口B)→蓄能器(油口T)→大腔(油口A)，3個(gè)油口的配流窗口面積變化規(guī)律如圖2b所示。

圖2 不同旋向時(shí)配流窗口面積變化曲線

2 泵泄漏量計(jì)算

柱塞泵配流過程的內(nèi)部泄漏主要集中在3個(gè)摩擦副處[10]，分別是缸體和柱塞之間柱塞副泄漏流量qs1、滑靴和斜盤間滑靴副泄漏流量qs2、配流盤和缸體之間配流副泄漏流量qs3?？偟男孤┝渴沁@3部分之和，q1=qs1+qs2+qs3。

由于缸體轉(zhuǎn)動(dòng)離心力的作用，缸體和柱塞之間的摩擦副會(huì)變成偏心環(huán)縫隙，在泵工作壓力和環(huán)境壓力之間的壓差作用下產(chǎn)生縫隙泄漏，由環(huán)形縫隙流動(dòng)可得泄漏量計(jì)算公式為：

(1)

為形成靜壓支撐，油液經(jīng)柱塞中心孔和滑靴中心孔，從滑靴端面和斜盤間的平板縫隙向四周流出，滑靴和斜盤間的泄漏可看作平行平板縫隙流動(dòng)，即為滑靴和斜盤之間的泄漏，其泄漏流量計(jì)算式為：

(2)

對(duì)于缸體和配流盤之間的摩擦副，配流盤為平面配流型，配流盤和缸體間的泄漏可看作平板縫隙流動(dòng)，產(chǎn)生靜壓支撐作用，泄漏流量計(jì)算式為：

(3)

式中，dd—— 柱塞外徑

δ1，δ2，δ3—— 分別為3個(gè)摩擦副處油膜間隙

l1—— 柱塞在缸體內(nèi)的含接長(zhǎng)度

ε—— 柱塞偏心率

μ—— 油液動(dòng)力黏度

r1，r2—— 分別為滑靴封油帶內(nèi)外徑

ld—— 柱塞內(nèi)節(jié)流孔長(zhǎng)度

αf—— 滑靴副泄漏修正系數(shù)

R1，R2—— 內(nèi)封油帶內(nèi)外半徑

R3，R4—— 配流盤外封油帶內(nèi)外半徑

pz—— 柱塞腔壓力

pp—— 泵回油壓力

3 虛擬樣機(jī)模型搭建

3.1 單柱塞模型

根據(jù)柱塞泵工作原理建立如圖3所示的單柱塞液壓模型，模型主要由4個(gè)部分構(gòu)成，其作用分別為：

(1) 模擬配流盤節(jié)流口開口量，配流盤配流窗口的變化規(guī)律由圖2所示，其中接口7用于輸入缸體轉(zhuǎn)角；

(2) 模擬柱塞腔的吸油與排油，接口8, 9, 10分別對(duì)應(yīng)大腔(油口A)、蓄能器(油口T)與小腔(油口B)；

(3) 模擬柱塞的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)柱塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔從油箱中吸油，當(dāng)柱塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔將吸入的油液轉(zhuǎn)化為高壓油并排出用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其中4號(hào)接口用于輸入柱塞的位移與速度，5號(hào)接口用于輸出柱塞軸向受力；

(4) 模擬柱塞3個(gè)摩擦副處的泄漏，接口1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)用于連接油箱，分別用于模擬柱塞副、配流副、滑靴副的泄漏。

3.2 數(shù)據(jù)交換接口模塊

在實(shí)際工作中，液壓元件的運(yùn)動(dòng)并非是穩(wěn)定的，還受很多方面的影響。如柱塞除了做隨缸體繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及相對(duì)缸體軸線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)外，還做圍繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)缸體柱塞孔軸線的微幅擺動(dòng)[11]，而缸體在運(yùn)動(dòng)過程中由于受壓緊力、分離力以及分離力矩的影響，也會(huì)產(chǎn)生傾覆的現(xiàn)象[12]。缸體的傾覆會(huì)影響配流副的間隙，造成配流副的泄漏量不再隨負(fù)載的增加線性增大。單一的AMESim仿真不能綜合考慮這

圖3 單柱塞液壓模型

些影響因素，因此這里采用AMESim與ADAMS進(jìn)行聯(lián)合仿真。在ADAMS中建立的軸向柱塞泵動(dòng)力學(xué)模型是依據(jù)工作元件間的實(shí)際約束關(guān)系創(chuàng)建的，可以綜合考慮各個(gè)部件的相互作用?；趧?dòng)力學(xué)模型和液壓模型之間的底層數(shù)據(jù)接口，AMESim中的液壓模型利用ADAMS動(dòng)力學(xué)模型傳遞來(lái)的柱塞位移、速度以及缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算柱塞腔的瞬時(shí)壓力，同時(shí)動(dòng)力學(xué)模型利用傳遞來(lái)的柱塞腔壓力、缸體的壓緊力以及負(fù)載壓力計(jì)算下一步柱塞位移與速度，兩種模型相互實(shí)時(shí)傳遞的參數(shù)如圖4所示。

圖4 模型參數(shù)傳遞

3.3 建立泄漏模型

根據(jù)圖3的單柱塞液壓模型，柱塞副的泄漏可以用AMESim的柱塞模型進(jìn)行仿真，配流副和滑靴副的泄漏可通過節(jié)流口進(jìn)行模擬。這樣進(jìn)行模擬時(shí)沒有考慮缸體的傾覆，仿真得到的曲線必定是隨負(fù)載線性增加的，與實(shí)際情況不符，因此仿真時(shí)需要引入缸體的傾覆角對(duì)配流副的泄漏進(jìn)行修正。在ADAMS中測(cè)量出缸體傾覆的角度，并引入到AMESim中，通過連接一系列的信號(hào)模塊，得到泄漏量修正模型如圖5所示。

圖5 泄漏量修正模型部分

3.4 柱塞泵的整體模型

將3.1中建立的單柱塞模型封裝成超級(jí)原件，并將9個(gè)柱塞進(jìn)行并聯(lián)，結(jié)合3.2中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)交換接口模塊與3.3中的泄漏修正模塊，共同搭建起的柱塞泵整體模型如圖6所示。其中負(fù)載模型是通過節(jié)流閥來(lái)模擬，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來(lái)改變泵出口的負(fù)載壓力大小。圖6為正轉(zhuǎn)時(shí)的柱塞泵模型，此時(shí)大腔(油口A)排油，在探究三油口泵的反轉(zhuǎn)特性時(shí)，需將負(fù)載模型轉(zhuǎn)移到小腔(油口B)的排油口，同時(shí)在ADAMS中更改主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

4 仿真結(jié)果分析

在建立的柱塞泵虛擬樣機(jī)模型中，將轉(zhuǎn)速固定為2000 r/min，同時(shí)分別設(shè)置負(fù)載為10 MPa和20 MPa，仿真時(shí)間為0.5 s，仿真得到的缸體傾覆角度曲線與泄漏量變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 負(fù)載為10 MPa時(shí)缸體的傾覆角

從圖7、圖8中可以看出，當(dāng)負(fù)載壓力分別為10 MPa 與20 MPa時(shí)，缸體的傾覆角分別在0.01°和0.02°附近。由于缸體傾覆后僅改變了油膜厚度一個(gè)量，其他參數(shù)均未改變，因此缸體的傾覆僅對(duì)配流副的泄漏產(chǎn)生影響，根據(jù)第2節(jié)中配流副泄漏式(3)可知，除缸體的傾覆角度外，其余的參數(shù)乘積可表示為一個(gè)隨負(fù)載壓力變化的值， 設(shè)為A，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)， 可看作常數(shù)。

圖6 柱塞泵整體模型

圖8 負(fù)載為20 MPa時(shí)缸體的傾覆角

為探究外部負(fù)載壓力對(duì)缸體傾覆角度的影響以及修正后泄漏量的變化情況，在轉(zhuǎn)速為2000 r/min的情況下將負(fù)載壓力設(shè)置為0～0.2 s內(nèi)8 MPa，0.2～0.5 s內(nèi)從8 MPa均勻增加至22 MPa，仿真得到的缸體傾覆角度曲線如圖9所示，缸體傾覆修正前后的泄漏量對(duì)比如圖10所示。

圖9 負(fù)載為8～22 MPa時(shí)缸體的傾覆角

圖10 負(fù)載為8～22 MPa時(shí)泄漏量對(duì)比

由圖10可知，負(fù)載由8 MPa增至22 MPa期間，不考慮缸體傾覆帶來(lái)的油膜厚度變化時(shí)，泄漏量呈線性增大；引入缸體傾覆角度后，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)泄漏量變化率逐漸增大，更接近真實(shí)的試驗(yàn)情況。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將被測(cè)試的柱塞泵放入圖11所示的25 kW液壓泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)要求如下：

(1) 液壓系統(tǒng)溫度控制在40°，回油壓力為0.7 MPa；

(2) 設(shè)置轉(zhuǎn)速為2000 r/min，液壓泵出口壓力分別為6， 8， 10， 12， 14 MPa，分別測(cè)量泵的泄漏量；

(3) 將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 25 kW液壓泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)

圖12與圖13分別為正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)不同負(fù)載下泵的修正前后泄漏量與試驗(yàn)值的對(duì)比。由圖可知，由于反轉(zhuǎn)時(shí)小腔排油，柱塞腔內(nèi)的高壓油在離開小腔前接通蓄能器腔，造成內(nèi)漏損失，因此反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生比正轉(zhuǎn)更大的泄漏量。同時(shí)， 泵的泄漏量隨出口壓力的

圖12 正轉(zhuǎn)泄漏量對(duì)比

圖13 反轉(zhuǎn)泄漏量對(duì)比

增大而增大，修正前聯(lián)合仿真模型的泄漏量呈線性增大，而修正后的模型泄漏量更接近于試驗(yàn)結(jié)果，仿真與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

6 結(jié)論

基于AMESim與ADAMS軟件建立了三油口軸向柱塞泵的虛擬樣機(jī)模型，通過ADMAS測(cè)出缸體傾覆角度，再將其導(dǎo)入AMESim的方式對(duì)配流副的泄漏量進(jìn)行了修正，使修正后的泄漏量更接近于實(shí)際情況，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性。研究得到：隨著負(fù)載的增加，泵的泄漏量隨之增加，反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏量高于正轉(zhuǎn)，修正前的泄漏量曲線呈線性增加，修正后的泄漏量曲線與試驗(yàn)值更貼合。