低速大功率徑向柱塞泵的機(jī)液耦合仿真研究

1風(fēng)壓機(jī)的檢測近年來，盡管rv顯示出基于齒輪增長率的技術(shù)的發(fā)展趨勢。由風(fēng)電液壓傳動(dòng)的變速恒頻控制原理可知,柱塞腔內(nèi)壓力瞬變規(guī)律和泵的出口流量脈動(dòng)規(guī)律的識(shí)別是液壓風(fēng)力機(jī)控制的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)特性是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的依據(jù)2生活在抗混疊和風(fēng)壓泵之間的應(yīng)用在風(fēng)電液壓增速傳動(dòng)中,風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),與葉輪主軸直接相連的泵排出高壓油,驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電,風(fēng)電液壓增速傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖,如圖1所示。應(yīng)用于液壓式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的液壓泵,工作在低速重載的工況,采用環(huán)形凸輪-柱塞滾子結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)低速大扭矩傳遞;采用數(shù)字插裝閥進(jìn)行配流,提高偏載條件下泵的效率。將多個(gè)功率一致的徑向柱塞泵沿風(fēng)力機(jī)主軸并排分布,能成倍的增加傳遞功率。在環(huán)形凸輪的驅(qū)動(dòng)下,柱塞以既定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng),在主軸旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次吸油和排油,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為壓力能,實(shí)現(xiàn)低速大功率的能量傳遞和轉(zhuǎn)化。采用數(shù)字插裝閥配流的、以簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)的低速大功率徑向柱塞泵的基本結(jié)構(gòu),如圖2所示。3柱塞泵能量傳遞動(dòng)態(tài)特性分析在低速大功率柱塞泵中,能量經(jīng)環(huán)形凸輪->多柱塞->數(shù)字插裝閥->出口管道傳遞,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向液壓能的轉(zhuǎn)換。對(duì)涉及能量傳遞轉(zhuǎn)換的構(gòu)件展開分析,建立環(huán)形凸輪、柱塞腔內(nèi)壓力、柱塞腔內(nèi)吸排油流量、泵進(jìn)出口流量、泵柱塞副的泄漏流量、插裝閥閥芯運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)柱塞泵能量傳遞規(guī)律,分析各動(dòng)態(tài)模型的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)泵機(jī)液耦合模型的建立。通過模型的數(shù)值求解,獲得泵的動(dòng)態(tài)壓力和流量等特性。3.1圓形凸面的數(shù)學(xué)建模凸輪驅(qū)動(dòng)環(huán)布四周的柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng),其力平衡方程,如式(1)所示。式中:J3.2柱塞的數(shù)學(xué)建模3.2.1柱塞的動(dòng)態(tài)靜靜態(tài)分析以排油方向作為柱塞運(yùn)動(dòng)的正方向,建立局部坐標(biāo)系,則柱塞上的作用力可表示為:式中:m3.2.2柱塞流特性建模國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在柱塞泵的流動(dòng)特性建模方面展開大量的研究。文獻(xiàn)式中:p由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)式中:d3.3插裝閥的數(shù)學(xué)建模3.3.1插銷閥芯的動(dòng)態(tài)靜度分析在控制系統(tǒng)的作用下,插裝閥配合柱塞運(yùn)動(dòng),對(duì)柱塞進(jìn)行配流。在任意運(yùn)動(dòng)瞬時(shí),閥芯受力可表示為:式中:m3.3.2插裝閥通流面積的計(jì)算以節(jié)流方程描述插裝閥的進(jìn)出口流量,并考慮流量倒灌的影響式中:C式中:ρ—流體密度;ρ進(jìn)出口閥的通流面積與閥芯位置有關(guān),根據(jù)圓形凸臺(tái)的側(cè)面積計(jì)算公式,求解插裝閥的通流面積式中:A—插裝閥通流面積;β—閥座倒角;d為避免壓力正負(fù)超調(diào)的影響,在低速大功率徑向柱塞泵中通過數(shù)字插裝閥的延遲開啟或關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)油液的預(yù)壓或減壓。式中:x3.3.3出口壓力的恒壓假設(shè)柱塞泵出口流量為各個(gè)柱塞流量之和,經(jīng)管道將高壓油輸送到馬達(dá)中。由液壓傳動(dòng)原理圖(圖1)可知,在控制系統(tǒng)的作用下,出口管路中的蓄能器抑制管路的流量脈動(dòng),并根據(jù)高壓管路中的流量實(shí)時(shí)調(diào)整液壓馬達(dá)的排量,維持出口壓力的恒定,因此假定出口壓力為定值。4徑向柱塞泵的模擬分析4.1徑向柱塞泵的仿真模型建立根據(jù)能量傳遞路徑和各構(gòu)件的機(jī)液耦合數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB的M文件編寫程序,建立徑向柱塞泵的仿真模型,如圖3所示。用復(fù)化Simpson求積公式對(duì)所涉及的積分進(jìn)行數(shù)值求解。通過數(shù)值計(jì)算,得到額定工況下柱塞腔內(nèi)的壓力變化規(guī)律和泵的出口流量脈動(dòng)。4.2腔內(nèi)瞬變流場特性分析對(duì)柱塞泵排數(shù)為2、單排泵柱塞數(shù)為62、凸輪作用次數(shù)為18次、額定壓力為20MPa的5MW徑向柱塞泵展開分析,求解其在轉(zhuǎn)速為12r/min的工況下,往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次的流體特性變化規(guī)律,徑向柱塞泵的仿真參數(shù),如表1所示。柱塞的運(yùn)動(dòng)周期為0.2778s,仿真結(jié)果,如圖4所示。以初始位置為下死點(diǎn)位置的柱塞展開腔內(nèi)瞬變流場參數(shù)分析。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),柱塞腔內(nèi)最低壓力為12660Pa,高于一般礦物油的飽和蒸汽壓(6~2000)Pa腔內(nèi)無效容積的殘余壓力使柱塞對(duì)主軸的反作用力矩值出現(xiàn)負(fù)值,因此在風(fēng)力機(jī)的變速控制中,需要考慮腔內(nèi)無效容積的影響。在力矩變化規(guī)律圖中,正值表示反作用力矩方向與主軸驅(qū)動(dòng)力矩方向相反,負(fù)值相同。柱塞泵的主軸轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān),總體以正弦規(guī)律進(jìn)行變化,總體脈動(dòng)周期為0.2778s;主軸轉(zhuǎn)矩存在局部脈動(dòng),局部脈動(dòng)周期與柱塞數(shù)n、凸輪作用次數(shù)z、凸輪轉(zhuǎn)速有關(guān)ω,脈動(dòng)周期為0.009s。柱塞泵的出口流量受柱塞運(yùn)動(dòng)、以及流量倒灌或沖擊的影響。出口平均流量為0.2607m進(jìn)一步分析可知,主軸轉(zhuǎn)矩總體脈動(dòng)周期為2π/(ωz);主軸轉(zhuǎn)矩局部脈動(dòng)、柱塞泵出口流量脈動(dòng)周期為2πm/(nωz),其中m為柱塞數(shù)n與凸輪作用次數(shù)z的最大公約數(shù)。柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響主軸轉(zhuǎn)矩整體變化規(guī)律、以及柱塞腔內(nèi)進(jìn)出流量的變化規(guī)律。5柱塞腔內(nèi)壓力瞬變規(guī)律對(duì)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的低速大功率徑向柱塞泵,展開機(jī)液耦合建模與仿真分析,得到柱塞泵在額定工況下的動(dòng)態(tài)特性,主要結(jié)論如下:(1)利用模型的數(shù)值求解,能識(shí)別柱塞腔內(nèi)壓力瞬變規(guī)律,獲得柱塞泵的出口流量脈動(dòng)的規(guī)律,為風(fēng)力機(jī)的變速恒頻控制提供參考。(2)柱塞從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯著影響柱塞泵主軸轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)規(guī)律,和柱塞腔內(nèi)流量脈動(dòng)規(guī)律,主軸轉(zhuǎn)