高功率密度微型斜盘式柱塞泵虚拟样机仿真分析

邹怀静，王海波，2，王鑫，曹明远

(1.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031；2.轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室，四川成都 610031；3.贵阳海之力液压有限公司，贵州贵阳 550000)

0 前言

液压传动技术具有动态响应快、无级调速稳、易于实现过载保护等特点，功率密度一般为2.7～8.4 W/g，相对于电气驱动有绝对的功率密度优势。但随着装备制造业的发展，传统液压技术不再适应时代，微型化、高功率密度化成为现代液压技术追求的目标。液压泵作为液压系统的能源提供元件，其微型化与高功率密度化将带来巨大的经济效益，直接影响液压系统的性能和发展。

液压泵微型化的主要目的是提升功率密度，而由于必要元器件结构不可替代的限制，体积和质量减小将变得困难，因此提高柱塞泵工作转速以及工作压力达到提高功率密度的目的。但压力提升至液压系统理论使用高压21 MPa之后，经济效益大幅降低，提升额定转速成为最好的选择。

常用液压泵包括叶片泵、齿轮泵、柱塞泵等。斜盘式柱塞泵因其结构紧凑、转动惯量小、工作压力高、密封性能好、容积效率高等优良特性，在微小型液压泵领域大放异彩，被广泛用于航空航天、海洋工程等尖端领域。基于液压系统趋于轻量化、集成化和高功率密度化发展的特点，以及尖端领域的应用需求，斜盘式柱塞泵将是现代液压系统的首选能源元件。

斜盘式柱塞泵一直是国内外科研机构的研究重点，并运用虚拟样机技术使得柱塞泵的研究发展速度与日俱增。德国Rexroth、美国Eaton、Parker等公司先后引入虚拟样机技术用于柱塞泵的研究与开发，极大地提高了柱塞泵的整体性能。国内，王晓晶等以传统A10VSO系列柱塞泵为对象，建立ADAMS和AMESim联合仿真模型，研究柱塞腔内压力分布；张静等人通过ADAMS和ANSYS搭建柱塞泵的刚柔耦合动力学模型，研究回程盘的受力情况；钱文鑫等建立柱塞直径10 mm的柱塞泵ADAMS与AMESim联合模型，研究不同转速及不同斜盘倾角对柱塞泵性能的影响，极大促进了柱塞泵技术的发展。而在微型液压领域，国外研究时间早，技术相对成熟，占有绝对主导地位；随着液压技术趋向轻量化、高功率密度化，国内相继开始开展关于微型柱塞泵的研究，但研究进展有限。

基于液压系统高功率密度性能需求，研制一款1 mL/r微型斜盘式轴向柱塞泵。为提高功率密度而提高柱塞泵转速后，柱塞泵常常面临离心力大导致组件倾覆、吸油压力低导致吸空和气蚀、弹簧预紧力不足导致压力脉动大等问题。为实现提高额定转速达到提升其功率密度的目标，运用虚拟样机技术建立完整的微型柱塞泵ADAMS、AMESim以及联合仿真模型，仿真研究高转速关键参数弹簧预紧力与配流盘遮盖角对泵性能的影响，为后续高功率密度微型泵的研究奠定了理论基础。

1 柱塞泵动力学模型

以研制的微型斜盘式柱塞泵作为建模对象，设计参数见表1。

表1 微型斜盘式柱塞泵参数

由于ADAMS绘制复杂的微型斜盘式柱塞泵较为困难，选择在专业的三维建模软件Pro/E中建立微型斜盘式柱塞泵三维实体模型，并定义各个部件的材料及密度。将三维模型保存为Parasolid(.X_T)文件格式，导入ADAMS软件进行动力学求解。将模型和各部件名称改为ADAMS可识别的英文，添加约束，类型见表2。

表2 ADAMS约束添加类型

柱塞泵工作过程中，电机通过联轴器驱动泵旋转，因此在主轴旋转副上设置驱动。在球铰与缸体之间设置弹簧力，模拟中心弹簧的预紧作用。根据柱塞泵受力分析，柱塞受到的轴向液压力与柱塞位移方向和油液压力有关，通过ADAMS中IF函数设置每个柱塞的轴向力。

成功建立的斜盘式柱塞泵ADAMS动力学模型如图1所示。

图1 斜盘式柱塞泵ADAMS动力学模型

2 柱塞泵液压模型

斜盘式柱塞泵的压力和流量来自柱塞的往复直线运动。柱塞的行程受斜盘作用而改变，从而改变柱塞与缸体之间形成的密闭容腔。斜盘的倾角使得泵将主轴的旋转运动变化为柱塞的直线运动，柱塞的直线位移与主轴旋转运动的关系为

=tansin

(1)

式中：为柱塞直线位移；为柱塞的分布圆半径；为斜盘倾角；为柱塞转过角度。

利用AMESim中Hydraulic Component Design库的元件，建立精细的柱塞泵液压传动模型。为更准确地确立柱塞泵工作中各零部件的运动规律与联系，在建立液压模型时做一些必要的简化：假设各机械部件的输入始终稳定，无外界干扰；在滑靴与斜盘、缸体与配流盘之间始终存在厚度稳定的油膜。

利用HCD库首先模拟单个柱塞运动状态，建立可变容腔的准确模型，利用函数关系模拟配流盘的配流角度，用样条函数及流量开关实现进出油口的规律开闭。通过整合单个柱塞模型，建立包含7个柱塞在内的柱塞泵液压系统。成功建立的斜盘柱塞泵AMESim液压模型如图2所示。

图2 斜盘式柱塞泵AMESim液压模型

根据微型柱塞泵设计参数及实际实验指标，柱塞泵液压模型的初步参数设置如下：选取46号液压油，油液密度=880 kg/m，油液动力黏度=24.6 ×10Pa·s，油液弹性模量=1 100 MPa，油液温度=40 ℃;柱塞直径=6 mm;柱塞分布圆直径= 21.5 mm；柱塞直径间隙=0.005 mm；柱塞腔与缸体的最大接触长度=19 mm；偏心率=0；黏性阻尼系数=20 N·m·min/r；转动惯量=0.005 6 kg·m。

3 联合仿真模型

轴向柱塞泵联合仿真模型以AMESim液压模型为主导，ADAMS实时传递柱塞动力学的状态量。在ADAMS中电机转速作为外界输入，在柱塞泵原动力学模型主轴旋转副上设置驱动，预留外接接口，测量每个柱塞的位移作为动力学模型的输出。ADAMS与AMESim软件之间没有直接交互的插件接口，利用Microsoft Visual Studio将动力学模型转换为fmu文件，再导入AMESim进行联合仿真建模。联合仿真模型如图3所示。

图3 ADAMS和AMESim联合仿真模型

在柱塞泵AMESim与ADAMS联合仿真模型搭建中，ADAMS动力学仿真作为AMESim液压系统的子模块，以电机转速为输入，输出每个柱塞对应时刻的位移量；AMESim液压系统提供电机转速，接收柱塞的位移并通过液压系统仿真计算，输出柱塞泵的流量曲线，从而完成联合仿真。

4 虚拟样机仿真分析

根据斜盘式柱塞泵原理及受力分析搭建了ADAMS、AMESim以及联合仿真虚拟样机模型，适用于微型斜盘式柱塞泵脉动、功率密度、容积效率等关键性能分析。考虑现阶段实际试验条件，在泵的转速为3 000 r/min下，基于ADAMS、AMESim以及联合仿真模型，以可能影响泵转速提升的中心弹簧预紧力与配流盘遮盖角为例，对微型斜盘式柱塞泵进行虚拟样机仿真分析。

4.1 中心弹簧预紧力仿真分析

中心弹簧预紧力计算数据来自于微型斜盘式轴向柱塞泵设计参数。参考文献[12]初步计算中心弹簧预紧力:

≥

115[(∑)+∑+∑+∑+∑]

(2)

式中：∑为柱塞组的总惯性力(N)；∑为柱塞吸油时所需的力(N)；∑为吸油柱塞的总摩擦力(N)；∑为滑靴与斜盘作用力(N)；∑为克服滑靴翻转推压力(N)。

经初步计算中心弹簧预紧力约为

=53.40 N

对微型斜盘式柱塞泵进行联合仿真，微型柱塞泵工况参数初步设置为泵转速=3 000 r/min，中心弹簧预紧力=55 N，负载压力=25 MPa，斜盘倾角=13°。此时泵出口流量、压力脉动较小，但与柱塞泵实际工况性能有差距。考虑会有摩擦等因素的影响，经过反复调试，将中心弹簧预紧力放大1.1倍，中心弹簧预紧力=60 N时，此时泵的出口流量脉动约为1.1%，压力脉动约为1.7%，容积效率约为94%，符合微型斜盘式轴向柱塞泵的实际性能，流量和压力曲线如图4所示。

图4 理论工况下泵流量、压力曲线

保持中心弹簧预紧力=60 N及其余参数不变，增大泵转速=5 000 r/min，此时泵的出口流量脉动约为3.1%，压力脉动约为7.5%，容积效率约为85%，柱塞泵的脉动增大、效率降低，流量和压力曲线如图5所示。

图5 超速运转时泵流量、压力曲线

保持泵转速=3 000 r/min及其余参数不变，减小中心弹簧预紧力=40 N，此时泵出口流量脉动约为4.8%，压力脉动约为9.4%，容积效率约为89%，柱塞泵脉动剧烈、效率降低，流量和压力曲线如图6所示。

图6 预紧力不足时泵流量、压力曲线

4.2 配流盘遮盖角仿真分析

配流盘控制柱塞泵的低压进油与高压排油，其结构特征直接影响配流过程的压力与流量脉动，决定了柱塞泵的性能。根据液压系统的大量使用经验以及工况分析，为了降低配流高低压的冲击，减小配流振动与噪声，柱塞泵配流盘一般使用0遮盖角或负遮盖角，柱塞马达一般使用正遮盖角。由文献[15]可知：市场上主要产品BK55、油研A56、力士乐A10V71等均采用了负遮盖角。合理设计适当的负遮盖角可减小配流冲击，提高柱塞泵的工作性能，以下所涉及仿真角度均以负遮盖角计算。

对设计的微型斜盘式柱塞泵进行AEMSim仿真，根据微型斜盘式柱塞泵原始设计参数，初步设置为泵转速=3 000 r/min，负载压力=25 MPa，斜盘倾角=13°。利用信号库的函数关系模拟配流盘的配流角度，配流角从0°开始间隔0.5°增加到5°，分别进行仿真，分析柱塞泵的出口流量脉动情况。

通过仿真分析，当配流角度大于3.5°时，柱塞泵的额定压力已经无法增加到25 MPa，因此舍去此部分无效数据。配流角度0°～3.5°所对应的泵出口流量曲线如图7所示，配流角度与流量脉动之间的相关曲线如图8所示。

图7 配流角度与泵出口流量关系

图8 负遮盖角与流量脉动关系

通过分析可知：所设计微型柱塞泵配流盘配流负遮盖角变化时，泵出口流量脉动均较小，在0.5°左右时，泵出口流量脉动最小达到2.77%，但负遮盖角过大，将导致柱塞泵在低速阶段性能变差。因此为了使柱塞泵综合性能优良，选用接近于0的0.5°负遮盖角。

5 结论

通过建立排量为1 mL/r的微型斜盘式柱塞泵ADAMS、AMESim以及联合仿真虚拟样机模型，将弹簧、滑靴、柱塞的动力学状态作为泵液压系统仿真输入，实现了液固耦合，真实地模拟了微型泵运动情况及性能，为斜盘式柱塞泵的微型化设计提供理论支持。基于建立的虚拟样机仿真模型，分析得到：

(1)中心弹簧预紧力与转速存在正相关性。在理论工况下，泵的性能优越；当在泵转速设定值下的中心弹簧预紧力减小到40 N时，中心弹簧无法提供足够的力使吸油柱塞贴紧斜盘，柱塞的行程以及与斜盘的密封受到影响，流量脉动增至4.8%，压力脉动增至9.4%，容积效率降至89%；泵转速增至=5 000 r/min，在原中心弹簧预紧力下，柱塞组的惯性力增大，泵无法正常工作，流量脉动增至3.1%，压力脉动增至7.5%，容积效率降至85%。

(2)泵在能稳定建立负载压力情况下，配流盘负遮盖角对泵出口稳定输出的流量脉动影响均在可控范围，对泵的低速性能影响较大。遮盖角过大后，负载压力无法建立，负遮盖角在0.5°时，泵出口流量脉动最小达到2.77%，且低速性能影响较小。

综上，运用虚拟样机技术的联合仿真模型已具备动力学及液压分析能力，为微型柱塞泵转速提升至10 000 r/min的运动学分析及泵性能研究提供基础，可引入ANSYS应力分析，实现微型柱塞泵的多学科交叉建模，拓宽联合模型的应用范围。