Flow Characteristics Analysis of Swash Plate Piston Pump Based on One-Dimensional Computational Model

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

Abstract

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

CLC Number:

TH137.51

ZHU Zhipeng, TANG Yong, SUN Yunwei, et al. Flow Characteristics Analysis of Swash Plate Piston Pump Based on One-Dimensional Computational Model[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(2): 62-73.

Figures/Tables 24

Fig.1

Fig.2

Table 1

Key parameters of swash plate piston pump"

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

Table 1

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Table 2

Main parameters of AMESim model for piston pump under initial working condition"

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

Table 2

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Table 3

Table 4

Influence of operating temperature on hydraulic oil characteristics"

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

Table 4

Fig.13

Fig.14

Fig.15

Fig.16

Fig.17

Fig.18

Table 5

Table 6

References 21

1	于立娟，王小东，张学成．轴向柱塞泵流量脉动主动控制方法及仿真研究［J］．西安交通大学学报，2013，47（11）：43-47 .
	YU Lijuan， WANG Xiaodong， ZHANG Xuecheng ．Control and simulation of flow pulsation in axial plunger pump［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2013，47（11）：43-47.
2	朱志鹏，汤永，孙云伟，等．直升机虚拟疲劳试验中关键技术研究及探索［J］．航空科学技术，2022，33（6）：67-74.
	ZHU Zhipeng， TANG Yong， SUN Yunwei，et al ．Research and exploration of key technologies in helicopter virtual fatigue test［J］．Aeronautical Science & Technology，2022，33（6）：67-74.
3	梅火林，赵越．虚拟疲劳试验技术的研究与探索［J］．测控技术，2018，37（S2）：108-109.
	MEI Huo-lin， ZHAO Yue ．Research and exploration of virtual fatigue test technology［J］．Measurement ＆ Control Technology，2018，37（S2）：108-109.
4	温亚非．A11VO-190型轴向柱塞泵恒功率控制特性研究［D］．兰州：兰州理工大学，2011.
5	杨军．A11VO型轴向柱塞泵动态特性研究［D］．兰州：兰州理工大学，2012.
6	单乐，王金林，冀宏，等．柱塞泵球面配流盘阻尼槽对流量脉动性的影响［J］．液压与气动，2015（2）：31-36.
	SHAN Le， WANG Jin-lin， JI Hong，et al ．Influence of relief groove of spherical valve plate on axial piston pump flow pipple［J］．Chinese Hydraulics & Pneumatics，2015（2）：31-36.
7	李理．错配角对轴向柱塞变量泵斜盘力矩和流量输出特性的影响［D］．兰州：兰州理工大学，2019.
8	马德江．基于CFD的A11VO轴向柱塞泵配流特性研究［D］．兰州：兰州理工大学，2011.
9	马吉恩．轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究［D］．杭州：浙江大学，2009.
10	张浩，许佳音．K3V柱塞泵的CFD分析与模拟［J］．机床与液压，2014，42（16）：67-71.
	ZHANG Hao， XU Jiayin ．CFD analysis and simula-tion of K3V axial piston pump［J］．Machine Tool ＆ Hydraulics，2014，42（16）：67-71.
11	吴小锋，刘春节，干为民，等．典型柱塞泵动态流固耦合解析与试验研究［J］．机床与液压，2015，43（3）：108-111.
	WU Xiaofeng， LIU Chunjie， GAN Weimin，et al ．Fluid-structure dynamic interaction analysis and experimental study of typical piston pump［J］．Machine Tool & Hydraulics，2015，43（3）：108-111.
12	熊小平．A11VO轴向柱塞泵配流特性的研究［D］．成都：西南交通大学，2010.
13	钟鸣．A4V型轴向柱塞泵的动态特性分析［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.
14	XU B， SONG Y C， YANG Y Y ．Investigation of pre-compression volume on flow ripple reduction of a piston pump［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26（6）：1259-1266.
15	王毅翔．轴向柱塞泵配流盘阻尼槽特性分析及优化设计［D］．杭州：浙江大学，2014.
16	韩建磊，崔凯，杨国玺，等．斜盘式轴向液压柱塞泵流量脉动特性分析［J］．内燃机与动力装置，2019，36（4）：47-51.
	HAN Jianlei， CUI Kai， YANG Guoxi，et a1 ．Analysis of flow pulsation characteristics of swash plate axial hydraulic piston pump［J］．Internal Combustion Engine＆Powerplant，2019，36（4）：47-51．
17	李晶，陈昊，訚耀保．轴向柱塞泵柱塞副偏心状态油膜特性分析［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（10）：30-35，42.
	LI Jing， CHEN Hao， YIN Yao-bao ．Oil characteristic analysis of piston-cylinder interface in axial piston pump with radial micro-motion［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2016，44（10）：30-35，42．
18	侯亮，赖伟群，崔凯，等．轴向柱塞马达平面配流副油膜润滑特性建模及分析［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（2）：99-109.
	HOU Liang， LAI Weiqun， CUI Kai，et al ．Modeling and analysis of oil film lubrication characteristics of valve-plate pair in axial piston motor［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（2）：99-109.
19	潘阳，李毅波，黄明辉，等．双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性分析［J］．农业机械学报，2016，47（4）：391-398.
	PAN Yang， LI Yibo， HUANG Minghui，et al ．Valve plate improvement and flow ripple characteristic analysis for double compound axial piston pump［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47（4）：391-398.
20	郭锋，高永强，郑韦．轴向柱塞泵的流量脉动对压力脉动的影响及分析［J］．山东科技大学学报（自然科学版），2007，26（5）：49-52.
	GUO Feng， GAO Yongqiang， ZHENG Wei ．Influence of the flux pulsation on pressure pulsation of the axial piston pump and its analysis［J］．Journal of Shandong University of Science and Technology （Natural Science），2007，26（5）：49-52.
21	李静．基于CFD的轴向柱塞泵配流特性研究［D］．杭州：浙江大学，2008.

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

[1]	XIA Yimin, LI Zhenghui, TAN Shunhui, et al.. Influence of Oil Characteristics on Flow Pulsation of Axial Piston Pump of Large Displacement Under Solid-Liquid-Temperature Coupling [J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(9): 44-55.
[2]	KANG Lan HONG Shutao. Experimental Investigation on Fatigue Properties of Q690D High Strength Steel [J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2021, 49(8): 35-42.
[3]	WAN Yipin SONG Xuding YUAN Zhengwen. Fatigue Test and Fatigue Reliability Evaluation of Loader Working Device [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2020, 48(8): 108-114.
[4]	LIANG Jia SONG Xuding Lü Pengmin WEI Yongxiang Lü Chang. Fatigue Test and Fatigue Reliability Evaluation of Wheel Loader Drive Axle [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2018, 46(7): 116-122.
[5]	Yuan Miao-miao Zhang Xiao-ning Chen Wei-qiang Zhang Shun-xian. Investigation and Verification of Fatigue Failure Criterion of Asphalt Mixtures [J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2013, 41(4): 96-101.