变压力液压系统动态压力建模仿真研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 3 ．2 0 1 6 d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 3 ． 0 1 0 变压力液压系统动态压力建模仿真研究 高 飞 ， 王 磊 ， 黄健康 1 ．海军驻南京地区航空军事代表室， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 2 ． 中航工业南京机电液压工程研究中心， 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 摘要 变压力液压系统可以根据负载需求 ， 自 动调节输出压力以减小能源消耗 ， 降低液压系统产生的热量。液压系统压力脉动以及 变压力切换过程中的压力冲击是影响变压力液压系统工作品质的重要因素。该文主要研究变压力液压系统动态压力变化规律 ， 建立 了2 1 ／ 3 5 MP a 变压力液压系统模型， 在不同液压泵出口容腔、 调压弹簧刚度 、 入 口压力、 管路参数等条件下进行 了变压力液压系统的压 力脉动仿真， 以探索动态压力控制方法， 给出了不同参数对动态压力的影响分析。 关键词 变压力； 液压系统； 动态压力 ； 建模仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 3 0 0 3 1 0 3 Re s e a r c h o n Dy n a mi c P r e s s u r e M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f Hy d r a u l i c S y s t e m wi t h V a r i a b l e P r e s s u r e GAO F e i ， WA NG Le i ， HUANG J i a n 一 1 ． Na v a l A v i m i o ni nNa n j i n gMi l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO ffic e ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a 2 ． A VI C E l e c t r o me c h a n i c a l Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e nte r o f Na n j i n g ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a A b s t r a c t v a r i a b l e p r e s s u r e h y d r a u l i c s y s t e m c a l l b e a c c o r d i n g t o t h e l o a d d e ma n d ， a u t o ma t i c a l l y a d j u s t t h e o u t p u t p r e s s u r e t o r e d u c e e n e r g y c o n s u mp t i o n ， r e d u c e the h e a t g e n e r a t e d b y the h y d r a u l i c s y s t e m． Hy d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e p u l s a t i o n v a r i a b l e p r e s s u r e s wi t c h a n d p r e s s u r e i n t h e p r o c e s s o f i mp a c t i s i mp o r t a n t f a c t o r tha t i n fl u e n c e s the q u a l i t y o f v a r i a b l e p r e s s ure h y d r a u l i c s y s t e m wo r k． T h i s a r t i c l e ma i n r e s e a r c h v a r i a b l e p r e s s ure h y d r a u l i c s y s t e m d y n a mi c s t r e s s c h a n g e r u l e ，2 1 ／ 3 5 mp a v a r i a b l e p r e s s ure h y dra u l i c s y s t e m mo d e l i s e s t a b l i s h e d ， i n h y d r a u l i c p u mp e x p o rt d i ff e r e n t v e s s e l ， p r e s s ure r e g u l a t i n g s p ri n g s t i ff n e s s ， i n l e t p r e s s ure ， p ara me t e r s s u c h a s p i p e l i n e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e p r e s s u r e p u l s a t i o n o f v a r i a b l e p r e s s ure h y dra u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n ， t o e x p l o r e t he d y n a mi c p r e s s ure c o n tr o l me t h o d ， i s g i v e n t h e i n flu e n c e o f d i ffe r e n t p ara me t e r s o n t h e d y n a mi c s tre s s a n a l y s i s ． Ke y wo r ds v a r i a b l e p r e s s ure ； h y d r a u l i c s y s t e m； d y n a mi c p r e s s ure ； mo d e l i n g an d s i mu l a t i o n O 引言 飞机液压能源系统由泵源、 作动筒、 液压阀、 管路 及蓄压器等元件构成 ， 以液压油为工作介质， 传递能量 至执行机构， 完成要求的作动任务。变压力液压系统 ， 能够根据任务的需要和变化 自动调整输出压力 ， 即仅 在需要高压时才提供高压， 其余状态下提供能使系统 正常工作的较低压力， 从而减少长时间飞行产生的热， 减少能量损失。美国已成功在F ／ A 一 1 8 E ／ F战机上采用 了 2 1 MP a ／ 3 5 MP a的高压变压力 液压 系统 。 国内尚无 2 1 MP a ／ 3 5 MP a 液压系统应用 ， 也无 2 1 ／ 3 5 MP a 变压力 液 压系统技术研究。 液压系统由于液压泵固有流量脉动而存在系统压 力脉动 。变压力液压系统在压力状态切换时 ， 切换原 理决定了此时流量是变化的， 导致泵出口处的压力也 是动态变化的， 其量值应控制在一定的范围内， 以避免 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 3 1 作者简介 高飞 1 9 8 6 一 ， 男， 江苏泰州人， 工程师， 本科， 主要从事航空 液压 技术工 作。 对液压附件 、 管路振动及执行机构带来不利影响。压 力脉动可能对系统造成的危害主要有 ①诱发管路的 机械振动， 导致管路疲劳断裂； ②破坏某些液压元件的 功能或导致其性能下降 ； ③高压管路中的单向阀容易 损坏 ； 四、 管路卡箍衬垫磨损加剧 ， 导致管路破坏。 从根本上讲 ， 液压系统内的动态压力是流体流量 瞬态变化引起的。飞机液压系统在工作期间， 电磁阀 换向、 作动筒开始运动或运动到底等一系列液压附件 的正常工作均会使飞机液压系统中流体的流动状态突 然发生改变， 由于流体的惯性作用， 从而在液压系统中 产生压力的波动， 我们称之为压力冲击。这种冲击压 力可能比正常压力高出几倍 ， 会相应地作用在相关的 液压附件上， 其作用如同锤击一样， 对液压附件的正常 工作带来危害。严重时会造成阀门损坏、 管接头断开 或管道破裂等事故。 本文主要研究变压力液压系统的动态压力 ， 采用 A M E S i m仿真分析工具， 研究2 1 M P a ／ 3 5 M P a 变压力液压 系统动态压力与压力切换时的压力冲击规律 ， 探讨变 压力液压系统的动态压力控制技术。 3 1 液 压 气 动 与 密 ／ 20 1 6年 第 0 3期 1 2 1 ／ 3 5 MP a 变压力液压系统建模 2 1 ／ 3 5 M P a 变压力液压柱塞泵是变压力液压系统的 核心部件 ， 变压力泵 由恒压变量柱塞泵改进而来 ， 通过 改变调压机构与液压泵高压腔的沟通状态 ， 实现2 1 ／ 3 5 MP a 压力切换 。 恒压变量柱塞泵工作原理 斜盘与传动轴之间有 一 定的倾斜角， 柱塞泵的传动轴按着一定方向旋转 ， 旋 转到上方的柱塞不断向外伸出， 柱塞底部的容积不断 扩大 ， 形成真空 ， 油液在油箱压力 的作用下 ， 从泵的进 油 口经过配 流盘 的吸油 窗 口进入柱塞腔 ， 完成吸油过 程。而则旋转到下方的柱塞不断向外缩进 ， 柱塞底部 的容积不断减小 ， 油液被压缩 ， 经过配流盘 的排油窗 口 排到液压泵的出口， 完成排油过程。图 1 所示为典型 柱塞泵的结构和恒压变量泵压力调节原理。 传动轴 斜 筑动活 a 典型柱塞泵结构原理 图 调 舔弹簧 b 恒压变量 泉压 力调节原理 图 1恒压变量柱塞泵原理图 要实现液压泵输出压力 的双级变化 ， 只要设法使 调压弹簧的压缩具有两种工作状态。本文设计了如图 2 所示的压力调节方案。电磁阀通电时， 泵出口压力同时 作用在右侧活塞上， 使调压弹簧压缩量增加， 等效增大 了左侧油压需要克服的弹簧力， 泵出口压力 提高， 输出 3 5 M P a 高压； 电磁阀断电时， 泵出口压力又变成2 1 M P a 。 利用 A M E S i m软件建立柱塞泵中柱塞、 分油盘、 压 力调节阀、 斜盘的模型， 液压泵出口设置容腔、 蓄压器 、 节流阀 、 作动机构等模型最终形成变压力液压系统 模型。 3 2 a 高压状态 b 低压状态 图2 改变调压弹簧压缩量的双压变量泵的原理图 2 2 l ／ 3 5 MP a 变压力液压 系统动态压力 仿真与试验 在 A ME S i m变压力 液压系统模 型 中 ， 改变压 力切 换阀状态、 流量需求、 人 口压力、 作动参数， 可以仿真得 出各参数对压力脉动的影响 。根据 试验台条件 ， 开展 了变压力液压系统动态压力试验， 与仿真结果进行了 对 比验证。 2 ． 1变压力切换对动态压力的影响 仿真条件 2 s 时， 打开压力切换 电磁 阀， 压力从 2 I MP a 切换到 3 5 MP a 。 仿真结果如图 3 所示 ， 系统压力切换过程 中， 出现 了压力超调振荡， 整体压力脉动略有增加。试验结果 如图4 所示， 仿真与试验结果相似 ， 试验结果中可以明 显看到压力切换时的压力脉动振荡以及逐渐减小的 过程。 4 0 j 襻 捌 j { 30 0 j - 2 图3压力切换时系统压力仿真结果 图4压力切换时系统压力试验结果 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No．0 3 ．2 0 1 6 从 中可 以得 出一条重 要 的结论 变 压力 系统 在 2 1 M P a 、 3 5 M P a 压力下持续工作时， 压力脉动差异不大， 在切换时造成的压力冲击也在可接受范围内。 2 ．2流量负载改变对动态压力的影响 仿真条件 改变流量负载输入信号条件 ， 观察液压 泵出口压力 。 仿真结果如图5 所示， 流量负载模拟信号在4 ． 1 s 时 从0 ．2 降低至0 ．0 2 8 ， 节流口快速关闭， 在柱塞泵出口形 成了巨大的压力冲击。试验结果如图6 所示 ， 显示了流 量负载改变时的系统压力值变化， 快速关闭液压缸控 制 阀， 系统 中形成了压力 冲击 。 t ／ s 图5流量负载改变时系统压力仿真结果 H 0 L． mj 图 6 流量 负载 改变时系统压 力试 验结果。 仿真与试验均表明， 液压系统流量需求变化或电 磁阀启闭时， 都会造成较大的压力波动。 2 ． 3入 口压力对动态压力的影响 仿真条件 仅改变柱塞泵人口压力大小 ， 设置t a n k p r e s s u r e 为 B a t c h P a r a me t e r ， 四组取值分别为 0 、 2 、 5 、 l 0 、 2 O b a r 。 仿真结果展现了柱塞泵入 口压力对系统动态压力 的影响。人 口压力为0 b a r 时， 供油压力脉动最大。人 口压力适当增大， 可以减小压力脉动。 试验结果显示了液压泵人口压力0 M P a 和1 M P a 时 系统压力变化 ， 在关小吸油管路液压阀时 ， 入 口压力减 小 ， 引起液压泵 压力脉 动增 大 ， 不易 于控制系统 动态 压力 。 仿真与试验分析表明， 适当增大人口压力， 有利于 降低压力脉动， 同时也有利于抑制液压泵气穴产生。 2 ． 4 液压作动引起的动态压力 仿真条件 作动筒位置指令在0 0 ．5 s 时为0 ， 0 ． 5 s 发出幅值为0 ． 1 的阶跃信号。 图 7 液压作动 时系统压 力试验结果 仿真结果显示 ， 0 ． 5 s 时位置指令发生 阶跃变化 ， 液 压作动筒 开始运动 ， 由于运动状态突然改变引起 了压 力冲击， 在作动筒达到指定位置后压力波动减小。 试验结果如图7 所示， 液压缸突然动作引起流量需 求变大 ， 在短时导致系统压力下降， 在作动跟上指令 后 ， 系统压力波动减小。 3 研究总结 本文通过建模仿真和试验分析 ， 对 比变压力液压 系统在工作压力切换、 流量变化、 油箱压力 、 作动变化 等条件下的动态压力变化 ， 分析了不同参数对动态压 力 的影 响。 压力脉动是由液压系统中流量脉动在系统阻抗作 用下产生的。降低系统流量的脉动幅值可以降低动态 压力幅值。可采取的措施主要是优化液压泵参数， 减 小泵源脉动， 调节作动系统响应， 降低流量需求的高频 变化。 参考文献 【 1 ] 王永熙． 飞机控制系统和液压系统设计[ M 】 ． 北京 航空工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 】 王海涛． 飞机液压元件与系统[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 1 2 ． 【 3 ] 韩波， 等． 飞机液压系统热载荷仿真分析[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 8 ． 【 4 ] 陈龙， 等． 航空柱塞泵系统建模与仿真研究【 J 1 ． 液压气动与密 封， 2 0 1 5 ， 7 ．