带负载传感压力切断液压柱塞泵原理

本例展示了一个柱塞泵测试台，旨在研究轴向柱塞泵与同时执行负载传感和压力限制功能的典型控制单元之间的相互作用。为了提高仿真的保真度，本例使用了泵的详细模型，该模型考虑了活塞、斜盘和阀板之间的相互作用。

模型

测试台说明

该泵由轴向活塞泵子系统建模。旋转泵的原动机由角速度源表示。泵的进气口连接到 0.5 MPa 的低压增压泵的输出端。泵输出通过管道、控制单元和充当负载的可变孔口。为了测试控制单元对可变负载的响应，在模拟过程中通过 Spool Pos 子系统更改负载孔面积。

控制单元由压力/流量控制单元子系统建模。泵控制的负载感应功能使用安装在泵输出流路上的孔口。控制单元通过调整轭位移来保持该孔口上的压差恒定，无论泵负载如何，这会影响泵斜盘的倾斜角度。这有助于保持通过孔口的所需流量，并防止泵压力超过预设值。

试验台基本参数为：

轴向柱塞泵子系统

正在调查的泵有五个活塞。其原理图如下图所示：

图 1：轴向柱塞泵示意图

1. - 阀板（端口板）
2. - 气缸体（转子）
3. -活塞
4. -传动轴
5. - 斜盘

这五个活塞在轴向活塞泵子系统中建模：

活塞是相同的，并在它们自己的相同子系统中建模。它们都连接到泵型号的以下端口：

• S - 传动轴
• Y - 与斜盘机构的斜板连接的轭
• A - 泵入口（进气口）端口
• B - 泵出口（排放）端口

轭位移受硬挡块限制。

活塞子系统

活塞模型由一个单作用执行器 块组成，该执行器块通过斜盘块机械连接到驱动轴。活塞还通过两个阀板孔 ，液压连接到端口 A 和 B。端口 A 和 B 分别代表泵的进气口和排气口。

活塞在上冲程时吸入液体，在下冲程时排出液体。两个阀板孔口 模拟了活塞室底部的固定孔口与阀板上的两个新月形凹槽之间的相互作用，以便活塞在上冲程期间连接到端口 A，在下冲程期间连接到端口 B。

下图显示了活塞与阀板上两个新月形凹槽相互作用形成的流动区域。当气缸体旋转时，活塞室孔口在凹槽上滑动以打开流动区域，然后滑出凹槽以关闭流动区域。两个凹槽以 180 度的相位角相隔，以便活塞在上冲程期间在连接到进气口 （A） 的凹槽上滑动，在下冲程期间在连接到排放口 （B） 的凹槽上滑动。这导致交替开放的流动区域，如第一个子图所示。

活塞沿气缸体的节圆均匀分布，如图1所示。这使得活塞之间的角度为 360/5 = 72 度。因此，每个活塞的阀板孔 （IL） 块的相位角与前一个活塞偏移 72 度。这导致进气槽的开放流动区域均匀分布和重叠，如第二个子图所示。

斜盘的倾斜是气缸体旋转时产生活塞运动的原因。斜盘块连接到单作用执行器 以驱动该活塞。与阀板孔口 类似，每个活塞的斜盘块的相位角与前一个活塞偏移 72 度。

斜盘角度越大，活塞运动越大，从而产生更大的流量。活塞冲程必须足够长，以便在最大斜盘角度下也能让活塞往复运动：

如果斜盘角度为零，则活塞初始位置必须等于冲程的一半。如果初始斜盘角度不为零，则根据活塞的相位角，它会偏移于半冲程。初始斜盘角度取决于初始控制执行器位置。因此，每个活塞的初始位置为

压力/流量控制单元子系统

控制单元的目的是实现两个功能：负载传感和压力限制。负载传感是通过在流量控制孔口上保持设定的压差来实现的。流量控制孔安装在泵的输出流量中。下图显示了端口 A 和 B 与泵输出串联的控制单元原理图。

图 2：压力/流量控制单元示意图

流量控制孔前后的压力作用在三通换向阀的侧面上，使阀芯与压差和两个定心弹簧的设置成比例地移动。阀门连接的选择使得流量控制孔口上的压差增加会打开换向阀路径 PA 并关闭路径 A-T。控制执行器布置为单杆差速液压缸，杆连接到斜盘的轭上。如果杆沿原理图所示的正方向移动，则泵排量会增加。由于气缸两侧活塞面积的差异，如果两个气缸室都连接到泵，则排量增加，如果没有杆的气缸室连接到油箱，则排量减小。因此，流量控制孔口压差的增加导致泵减小其排量，直到恢复到预设值。

限压功能可防止泵输出压力超过预设值。它通过泄压阀和流量控制孔下游压力管路上的固定孔口实现。泄压阀设置为所需的最大值。当泵压力达到该值时，泄压阀打开以降低压力，并导致换向阀增加路径 PA 减少路径 AT。这会移动控制执行器以减少其位移，直到压力恢复到预设值。

控制单元型号如下图所示：

控制执行器采用双作用执行器 建模。流量控制孔使用带有矩形槽几何选项的阀芯孔 进行建模。选择该孔口的开口区域，为负载传感功能提供所需的额定流量 1.1e-3 m^3/s。

三通换向阀 和先导阀执行器的组合代表图 2 示意图中的换向阀。先导阀的端口 X 和 Y 感应作用在换向阀两侧的压力，并调整三通换向阀 的阀芯位置。先导阀执行器中的定心弹簧将阀芯返回到空档位置。三通换向阀 的路径 AT 设置为在空档位置半开，以迫使泵在运行开始时增加其排量。其他参数，如弹簧刚度、阀门行程、阀口面积等，在模型中进行了调整，以确保精度和稳定性。

泄压阀中的设定压差设置为 25 MPa。由于负载感应功能在流量控制孔口上保持约 2 MPa 的压差，因此压力限制功能在控制单元的端口 A 处保持 27 MPa 的最大压力。

测试台作

试验台的载荷由阀芯孔表示。模拟由六种不同的负载条件组成，通过将负载孔的阀芯位置更改为 2 mm、5 mm、7 mm、3 mm、1 mm 和 4 mm，实现。控制执行器最初增加泵排量以建立压力。当流量控制孔两端的压差接近2 MPa，额定流量达到1.1e-3 m^3/s后，该过程在0.35 s左右沉降。

在接下来的三个负载条件下，尽管负载孔口开度不同，但控制单元仍保持相同的泵输送。

在 1 秒时，负载孔几乎关闭，导致泵压力升高。当压力达到 27 MPa 时，限压功能变得占主导地位。压力低于27MPa后，控制单元返回负载感应模式。

示波器的仿真结果

Simscape 仿真结果

该图显示了轴向柱塞泵内的流量。活塞运动的循环性质可以从每个活塞的流速中看出。活塞流量循环的负部分对应于通过阀板A吸入的液体，活塞流量循环的正部分对应于通过阀板B排出的液体。五个活塞的综合作用导致泵的整体行为，通过负载孔产生约 1.1e-3 m^3/s 的正流量。

该图显示了负载感应和压力限制控制。即使负载发生变化，泵的额定流量仍保持在 1.1e-3 m^3/s 。然而，当泵输出压力上升到最大额定压力27 MPa时，限压控制会降低轭位置，流量下降到额定流量以下。

模型资料

1.依靠matlab_simulink平台，Simscape物理仿真强大，转成代码、实时仿真、丰富多平台联合接口

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