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1、径向恒流柱塞泵Amesim仿真研究径向恒流柱塞泵Amesim仿真研究前言我国已近进入了制造业大国行列，但是自主设计和创新设计能力亟待提高。现代产品的设计要求在尽可能短的时间内以最低的成本推出新的产品，那么只有耕具动态性能指标要求来设计系统，从系统的角度优化设计元件，才能设计出性能优良的产品，满足日益激烈的市场竞争和愈加苛刻的技术要求，增加自主创新能力。随着国内工业界对设计和研发的要求迅速提高，越来越多的工程技术专家意识到系统仿真在整个产品研发周期中的重要性。油液控系统的非线形以及研究研制过程耗资巨大，也内人士很早就开始运用仿真和优化手段进行设计。其中软件包AMESim能够从元件设计出发，可以考
2、虑摩擦，油液和气体的本身特性，环境温度等非常难的建模的部分，直到组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，并能够联合其他优秀软件和优化，还可以考虑控制器在环构成闭环系统进行仿真，使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。AMESim 为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案（英文缩写：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems），引领着世界协同仿真之路。AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。用户可以在AMESi
3、m平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统中的应用。面向工程应用的定位使得AMESim成为在汽车、液压和航天航空工业研发部门的理想选择。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统， 所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。AMESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标：分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。 AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计。基本元素的概念，即从所有模型中提取出的构成工程系统的最小单元使得用户可以在模型
4、中描述所有系统和零部件的功能。AMESim处于不断的快速发展中，现有的应用库有：机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库 （HCD）、动力传动库、液阻库、注油库 （如润滑系统）、气动库 （包括管道模型）、电磁库、电机及驱动库、冷却系统库、热库、热液压库（包括管道模型）、热气动库、热液压元件设计库 （THCD）、二相库、空气调节系统库；作为在设计过程中的一个主要工具，AMESim还具有与其它软件包丰富的接口 本次毕业设计就是在作出了理论上的设计的前提下用该软件对设计进行仿真，以新的柱塞泵恒流理论设计的径向恒流柱塞泵,用Amesim软件仿真该理论设计的双作用柱塞泵的流量脉动、压力
5、脉动、工作压力、容积效率、转速、运行平稳性、噪音等的性能特点。第一章 柱塞泵恒流理论的提出11 柱塞泵的运动情况柱塞泵的常见形式有轴向柱塞泵和径向柱塞泵。柱塞的中心轴线与转轴轴线平行的称为轴向柱塞泵，其柱塞有轴向运动而无径向运动，吸油与排油是通过柱塞的轴向运动实现的；柱塞的中心线与转轴轴线垂直的称为径向柱塞泵，其柱塞有径向运动而无轴向运动，吸油与排油是通过柱塞的径向运动实现的。 通常柱塞泵中有多只柱塞，它们是绕转轴轴线沿周向均匀分布的，工作时一部分柱塞做吸油运动，同时另一部份柱塞做排油运动。单个柱塞绕转轴轴线旋转运动时，先是吸油后是排油，再吸油再排油，如此周而复始，其运动速度V（对于轴向柱塞泵
6、来说是轴向运动速度，对于径向柱塞泵来说是径向运动速度）与转轴转过的角度在一个周期T内的关系如图1所示(=t, 为转轴的角速度,t为时间)。在本篇论文中约定柱塞吸油时的运动速度为正,排油时的运动速度为负，称该曲线为单个柱塞的运动速度曲线。 （图1.1：一个周期T内单个柱塞的运动速度曲线）12 恒流特征速度曲线的提出要实现柱塞泵工作时无流量脉动，必须使任一时刻处于吸油状态的各个柱塞的运动速度之和为一恒定值，同理，处于排油状态的各个柱塞的运动速度之和也应该为一恒定值。然而目前的柱塞泵，不管是轴向的还是径向的都不能满足上述要求。要满足上面提出的要求，必须 （图1.2：恒流特征速度曲线及其位移曲线）使单
7、个柱塞的运动速度曲线具备一定的特征，现绘出具备这些特征的速度曲线如图 (图1.2恒流特征速度曲线及其位移曲线)2粗实线所示（该粗实线为一个周期T内的速度曲线），其表达式为V=Vmax G(), Vmax为其最值，现将该曲线的特征罗列如下：（1） 曲线必须是连续的，且具有周期性；（2） 在0，T/4区间的曲线必须关于点（T/8，Vmax G（T/）成原点对称；（3） 在0，T/2区间的曲线必须关于直线= T/4成轴对称；（4） 在0，T区间的曲线必须关于点（T/2，0）成原点对称。称上述特征为恒流特征，将具备这些特征的单个柱塞的运动速度曲线命名为恒流特征速度曲线。将表达式V= Vmax G()对
8、t积分就得到柱塞的位移（径向位移或轴向位移）的表达式： 图中细实线为C=0时的位移曲线，当=T/2时位移S有最值H（柱塞的升程），且有下式成立： 那么Vmax=4H/T,故式可改写为： 只要柱塞的位移曲线满足式，就可使其运动速度曲线为恒流特征曲线,从而实现柱塞泵的恒流,并称满足式的位移曲线为恒流特征位移曲线。13 恒流的实现下面来说明柱塞泵的单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线时是如何实现柱塞无流量脉动的。现有一柱塞泵（轴向的或径向的），设该泵单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线，其柱塞数为4，为单作用柱塞泵,故T=2（为双作用泵时T取）, (图1.3:粗细不同的曲线代表不同柱塞的速度
9、曲线)相邻两柱塞之间的相位差为2/4=/2。现将 (图1.3:粗细不同的曲线代表不同柱塞的速度曲线) 该泵中4只柱塞的运动速度曲线绘制到同一个坐标系中如图3所示，则在同一坐标系中不难看出相邻两柱塞的速度曲线之间的相位差为/2，并且还可以发现在任一时该泵有两只柱塞处于吸油状态，另外两只柱塞处排油状态。依据前述的恒流特征不难证明：轴上半部分所有的曲线叠加后为一直线V=Vmax,也即任一时刻处于吸油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值Vmax；同理，轴下半部分所有的曲线叠加后为一直线V=-Vmax，也即任一时刻处于排油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值-Vmax。这说明具有恒流特征的速度曲线理论上能实
10、现柱塞泵的恒流。事实上，采用这类速度曲线时,单作用泵的柱塞数必须为4的倍数，双作用柱塞泵的柱塞数必须为8的倍数，否则不能实现恒流，无论单作用泵或双作用泵,通常情况下柱塞数都应选8，采用8只柱塞时任一时刻有4只柱塞处于吸油状态，另4只处于排油状态。1.4 几种具有恒流特征的速度曲线（1.4.1）一次函数恒流特征速度曲线V=A G(), G()满足下式： 上式中正负号分别对应着两条恒流特征速度曲线，将上式对时间t求导后 ，就可以得到加速度的表达式，并且从该加速度表达式可以发现加速度有突变，也就是说如果采用一次函数恒流特征速度曲线，柱塞在运动虽无刚性冲击，但存在着柔性冲击。（1.4.2）三角函数恒流
11、特征速度曲线V=A G(), G()满足下式： 同样将上式对时间t求导后 ，就可以得到加速度的方程式，并且从该方程可以发现加速度没有突变，说明采用该曲线无柔性冲击。（1.4.3）无高次冲击恒流特征速度曲线。将恒流特征速度曲线对积分，便得一新曲线（图1.4中的细实线所示），该新曲线酷似恒流特征曲线的前半部分，事实上补上后半部分曲线后（图1.4中的虚线所示），再将前后两半部份组合起来就是一条新的恒流特征速度曲线，其周期为原曲线的2倍，将新得来的恒流特征速度曲线再次进行积分，重复上述步骤，便又得一条恒流特征速 （图1.4：图中粗实线为一恒流特征速度曲线）度曲线，经过N次上述步骤后所得到的恒流特征速度
12、曲线至少无N+1次冲击。通常情况下我们求得无3次冲击的恒流特征曲线就足够了，更高次的难以求得，并且给加工也会带来困难。 其实恒流特征速度曲线有很多的，只要依据恒流特征就可以求出许多这样的曲线，而上面仅仅是给出了几种常见的。以上便是柱塞泵恒流理论，依据该理论可以设计轴向恒流柱塞泵和径向恒流柱塞泵，这两种泵的流量脉动和压力脉动在不考虑工作油液的可压缩性质的情况下是为零的，当此类泵工作在高压的情况下或要考虑油液的可压缩性质的情况下，该理论还有待进一步完善。第二章 径向恒流柱塞泵的工作原理及其主要参数2.1 新型径向恒流柱塞泵的工作原理及其结构简图在第一章中所讲的柱塞泵恒流理论既可以用来设计轴向恒流柱
13、塞泵也可以用来设计径向恒流柱塞泵，本论文只对径向恒流柱塞泵进行Amesim仿真，在进行仿真之前首先简单介绍一下该泵的工作原理。该泵为双作用泵，八只柱塞在转子中沿径向等分排列，每只柱塞的头部嵌有一滚柱，滚柱与固定在泵体上的定子的内曲面是呈线接触，该曲面可依据第一章中所讲的恒流特征位移曲线来设计，转子与驱动轴之间是通过花键来连接的，在驱动轴的高速带动下，转子中的柱塞在离心力的作用下会使柱塞头部的滚柱贴在定子的内曲面上，从而使柱塞完成吸油与排油运动，该泵的配流采用轴配流方式，与普通径向柱塞泵的配流轴大致相同，只是其配油窗口有四个，两个吸油窗口和两个排油窗口。图是该泵的结构简图，图是该泵的原理简图。(
14、图2.1径向恒流柱塞泵的结构简图)1 定子；2 滚柱；3 柱塞；4 转子；5 排油窗口；6 吸油窗口；7 端盖；8 吸油口；9 定位孔；10 配流轴；11 泵体；12 排油口。(图2.2径向恒流柱塞泵原理图)1 转子；2 滚柱；3 柱塞；4 定子；5 配流轴。2.2 径向恒流柱塞泵的主要参数2.2.1 径向恒流柱塞泵的性能参数a工作压力为p=38MPa；b峰值压力为=42MPa；c排量为Qs=16ml/r；d额定转速为n=1460r/min；e. 额定功率为P=14.75kW；f. 额定扭矩为T=96.76N.m；g工作油液密度0.9g/cm,温度为50度时的粘度值为40mm/s，动力粘度值为0.036 。2.2.2径向恒流柱塞泵的结构参数a柱塞数为8；b柱塞直径为D=10mm；c升程为H=13mm；d配流轴的轴径为2R=40mm； e柱塞的径向位移曲线方程为：（）该方程描述的是柱塞头部滚柱中心线与驱动轴旋转中心线之间的距离与驱动轴旋转角度的关系，只给出了之间的曲线，的曲线可由对称关系求得。S为滚柱中心线与泵的驱动轴旋转中心线的距离；为驱动轴的旋转角度；H为柱塞的升程；C为柱塞滚柱中心线与泵的驱动轴中心线之间距离最小时的位移值C=69mm。其它的结构参数可同另外一位同学的pro/E的三维造型中获得。第三章 径向恒流柱塞泵的Amesim仿真3.1 Amesim4.20的简介
