轴向柱塞液压马达机械液压耦合仿真分析

发布时间：2020-02-11 19:17

【摘要】：为了使轴向柱塞液压马达仿真模型接近于物理样机,采用机械、液压耦合模型并综合考虑柱塞和缸体、柱塞和斜盘等摩擦副的摩擦力和液体的粘性阻尼以及减小压力脉动的三角阻尼槽等因素,建立了轴向柱塞液压马达仿真模型。液压马达高压油推动柱塞位移、机械能推动柱塞排油,实现液压能和机械能相互转换,主要包括压力源(恒流源或恒压源)、负载(外部阻力矩,转动惯量)、柱塞缸体组件、柱塞往复和旋转运动转换组件、配流窗口等。仿真结果与有关文献中液压马达实验数据进行对比,马达转速、加速时间、最大输出流量的仿真值与实验值误差均小于5%,验证了仿真模型能够保证较好的计算精度。仿真结果表明,由于卸荷槽和腰型槽过渡区域有通流面积突变现象,容易产生局部压力脉冲现象,且转速越高压力波动越大,通过优化卸荷槽结构型式和参数可以减小脉动冲击;液压马达工作特性受负载的影响,负载的总转动惯量大时加速时间长而稳定转速波动区间窄,相应产生的脉动也趋于减小。
【图文】：

lationX仿真软件建立轴向柱塞马达仿真模型，主要包括压力源(恒流源或恒压源)、负载(外部阻力矩，转动惯量)、柱塞缸体组件、柱塞往复和旋转运动转换组件、配流窗口等。当柱塞腔进入高压油时，由于斜盘的作用，推动柱塞从下止点向上止点移动，柱塞产生平行于输出轴的线性位移和绕输出轴的旋转运动，对外做功输出力矩;当液压油从柱塞腔通过管路流回到油箱时，柱塞消耗其他柱塞输出的能量或惯性能，保证排油行程的完成。故液压马达的工作实质是液压能和机械能相互转换(高压油推动柱塞位移和机械能推动柱塞排油)的过程，图1是液压马达单个柱塞机械和液压耦合仿真模型。在进油区柱塞机械和液压的耦合是作用在柱塞端面的压力油Fdk驱动柱塞轴向位移sk，在滑靴和斜盘的相互作用下驱动柱塞和缸体旋转从而经传动轴输出力矩MBZ，实现液压能转换为机械能。在仿图1液压马达单柱塞机械、液压耦合仿真模型Fig．1Mechanicalhydrauliccouplingsimulationmodelonsingleplungerofhydraulicmotor真模型里通过柱塞直线运动力矩转化元件实现。在排油区依靠系统的惯性能或其他柱塞腔输出的转矩进行驱动，通过消耗系统能量实现排油时机械能转化为液压能。在仿真模型里通过柱塞直线运动驱动元件实现。马达内柱塞和缸体间产生的泄漏量Qg用柱塞在上下止点时的泄漏系数Cg计算，即Cg=QgΔpΔv=0(9)Qg=CgΔp+π(dk+δ0)2Δv(10)式中δ0———缸体和柱塞之间的间隙，mΔp———缸体和柱塞间隙之间的压力差，，PaΔv———缸体和柱塞的相对速度差，m/s轴向柱塞马达常见的柱塞个数z为5、7、9、11，相邻柱塞转动相位差为2π/z。多柱塞运动的协调是通过设置各柱塞运动初始相位差实现，如柱塞数z=

a，油源最高压力15MPa，油源最大输出流量95L/min，对应马达转速为880r/min。根据上述要求设置液压马达主要仿真参数，如表1所示。表1液压马达仿真参数Tab．1Simulationparametersofhydraulicmotor参数数值参数数值油源最高压力/MPa15柱塞个数9马达排量/(mL·r－1)107柱塞直径/m0.02377粘性阻尼系数/(kg·m2·s－1)0.37柱塞质量/kg0.2体积弹性模量/(mL·MPa－1)1.58柱塞行程/m0.02679马达和飞轮总转动惯量/(kg·m2)5.1斜盘倾角/(°)15柱塞腔壁与柱塞摩擦因数0.085柱塞分布圆半径/m0.05图2是柱塞相对缸体的轴向位移随柱塞转角的变化关系，柱塞最大行程26.79mm，各柱塞相位差360°/9，位移差3.13mm。各柱塞腔流量、压力曲线变化规律相同，仅是相位不同，第1个柱塞流量和压力曲线如图3、4所示，由图可知随着液压马达转速升高流量压力曲线周期缩短，在卸荷槽和腰型槽过渡处有压力脉冲现象，且图2各个柱塞的位移曲线Fig．2Displacementofeveryplunger图3第1柱塞流量曲线Fig．3Curveofflowofthefirstplunger图4第1柱塞压力曲线Fig．4Curveofpressureofthefirstplunger转速越高压力波动越大，故在设计时必须优化卸荷槽结构型式和参数，才能减小脉动冲击，本模型优化的三角卸荷槽长度为11mm，最大三角截面夹角为120°、30°、30°，长边高3mm。图5柱塞腔连通的配流面积变化曲线Fig．5Changecurveofoil-distributionareaduringtheplungerholeconnected柱塞腔与配流盘连通的配流面积如图5所示，相位差为π，由于液压马达可以正反转，故配流盘进出油口随转动方向改变而变化。由于有三角卸荷槽，柱塞腔和进出油口逐渐连通，可以减小柱塞腔的压力冲击和吸空。缸体壁面和柱塞间的滑动摩擦力FTK如

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