基于一维计算模型的斜盘式柱塞泵流动特性分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230206

摘要/Abstract

摘要：

斜盘式柱塞泵广泛应用在直升机疲劳试验的液压系统中，其流动特性对液压系统稳定性有着至关重要的作用。文中使用立体几何方法分析了斜盘式柱塞泵柱塞运动轨迹，基于图形解析法推导了过流面积公式，并编写相应Matlab程序实现吸排油过流面积自动化计算；构建了考虑流量倒灌及泄漏的单柱塞流动模型，结合AMESim软件实现柱塞泵三维计算模型向一维计算模型的转变；依据初始工况计算结果分析了柱塞泵的流动特性及其产生流量脉动的原因，并使用基于计算流体力学（CFD）方法的三维模型所获得的流量脉动计算结果验证了一维计算模型的准确性。在此基础上分析了不同运行工况（包含运行温度、工作压力及柱塞泵调节参数）对出口流量脉动率的影响，从降低流量脉动率进而提高直升机疲劳试验精度的角度分析了试验中柱塞泵调节控制要点。文中提出的一维计算模型可显著提高柱塞泵仿真计算速率，便于后续柱塞泵的改进设计以及将其作为子系统添加到虚拟数字试验平台中。

关键词: 斜盘式柱塞泵, 图形解析法, 一维计算模型, 计算速率, 流量脉动, 疲劳试验

Abstract:

The swash plate piston pump is widely used in the hydraulic system of helicopter fatigue test, because its flow characteristics are critical to the stability of the hydraulic system. This paper used the three-dimensional geometric method to analyze the movement track of the plunger in the swash plate piston pump, and derived the formula of the overflow area based on the graphic analysis method. The corresponding Matlab program was compiled to realize the automatic calculation of the overflow area of oil suction and drainage stage.It constructed a single piston flow model considering flow reversal and leakage, combining AMESim software realized the transformation of the three-dimensional calculation model of the piston pump to a one-dimensional calculation model. Based on the calculation results of the initial operating conditions, this paper analyzed the flow characteristics of the piston pump and the reasons for its flow pulsation. The accuracy of the one-dimensional computational model was verified by the flow pulsation calculation results of the three-dimensional model based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. On this basis, it analyzed the influence of different operating conditions (including operating temperature, working pressure and piston pump regulating parameters) on the outlet flow pulsation rate. And it analyzed the key points of adjusting and controlling the piston pump in helicopter fatigue test from the angle of reducing the flow pulsation rate and improving the test accuracy. The one-dimensional calculation model proposed in the paper can significantly improve the simulation calculation speed of piston pump, facilitate the improved design of the subsequent piston pump and be added to the virtual digital test platform as a subsystem.

Key words: swash plate piston pump, graphic analysis method, one-dimensional computational model, computation speed, flow pulsation, fatigue test

中图分类号:

TH137.51

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图/表 24

图1

图2

表1

斜盘式柱塞泵关键参数"

参数	数值		数值
柱塞数/个	9	三角阻尼槽包角 $φ Δ$ /（°）	11.5
柱塞直径/mm	29.55	阻尼槽距上死点角 $φ d, s$ /（°）	9.5
柱塞分布直径/mm	92.5	阻尼槽距下死点角 $φ d, x$ /（°）	10
柱塞窗包角 $φ z c$ /（°）	31	上死点处阻尼槽方向角/（°）	15
吸油腔腰形槽包角 $φ x$ /（°）	137	下死点处阻尼槽方向角/（°）	16
排油腔腰形槽包角 $φ p$ /（°）	139.5	上、下死点错位角 $φ c$ /（°）	0
三角阻尼槽坡角 $θ 1$ /（°）	22	缸体锥度角 $α$ /（°）	5
三角阻尼槽截面角 $θ 2$ /（°）	90	初始斜盘倾角 $β$ /（°）	16

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

表2

初始工况下柱塞泵AMESim模型的主要参数"

参数	数值		数值
电机转速/（r·min^-1）	2 100	40^#液压油密度/ （kg∙m^-3）	870
斜盘倾角/（°）	16	液压油弹性模量/GPa	1.7
上死点圆锥底部半径/mm	56	配流窗等效阻尼孔直径/mm	21.2
柱塞副径向间隙/mm	0.05	入口油压/MPa	0.1
柱塞偏心量/mm	0	出口节流阀设定直径/mm	40
40^#液压油动力黏度/（Pa $⋅$ s）	0.042 7	出口溢流阀设定压力/MPa	35

表2

图10

图11

图12

表3

表4

运行温度对液压油特性的影响"

温度/℃	动力黏度/（ $10 - 2$ Pa·s）	弹性模量/MPa
30	4.27	1 763
40	2.61	1 690
50	1.72	1 634
60	1.29	1 589
70	1.01	1 551

表4

图13

图14

图15

图16

图17

图18

表5

表6

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模型	出口流量/（L·min^-1）			脉动率/%
模型	最大值	最小值	平均值	脉动率/%
一维模型	439.7	320.4	380.1	31.4
CFD模型	429.0	328.5	378.8	26.5

主轴转速/（r∙min^-1）	脉动率/%	出口流量平均值/（L∙min^-1）
2 100	32.8	378.0
1 800	32.3	325.0
1 500	33.8	268.9
1 200	36.2	213.0
900	44.0	157.1

斜盘倾角/（°）	脉动率/%	出口流量平均值/（L∙min^-1）
16	32.8	378.0
14	36.0	323.2
12	38.2	272.2
10	47.4	216.6
8	58.6	164.4

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