某型伺服泵空载压力异常分析与改进.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.023某型伺服泵空载压力异常分析与改进刘?雨,文飞燕,杨斌1（1.中航力源液压股份有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 1 8；2.空装成都局驻贵阳地区第三军事代表室，贵州贵阳5 5 0 0 1 8）摘要：针对某型双向变量伺服泵空载压力异常问题，运用AMESim软件对伺服泵控制系统进行仿真分析，得出了单向阀设计不合理是导致空载压力异常的主要原因,最后,根据仿真结果对相关结构进行优化设计并试验验证了改进措施的有效性。关键词：伺服泵；空载压力；AMESim；分析中图分类号：TH137文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 4)0 1-0 1 1 9-0 4Analysis and Improvement of Abnormal No-load Pressure for Servo PumpLIU Yul,WEN Fei-yan,YANG Bin(1.AVIC Liyuan Hydraulic Inc.,Guiyang 550018,China;2.Quality Representative,Guiyang 550018,China)Abstract:Focus on the abnormal pressure of no-load operation for servo pump,Established simulation model of control system based onAMESim software,Concluded that the main reason for abnormal pressure of no-load operation was that the unreasonable design of the checkvalve.Finally,put forward the corresponding improvement measures,and through the experiment verify the correctness.Key words:servo pump;no-load pressure;AMESim;analysis0引言在液压控制系统中，双向变量伺服泵具有体积小、重量轻、功率密度大、执行机构响应快、控制精度高、传动平稳及能耗少等优点，因而广泛运用于航空、航天、工程机械等精密控制系统中。某型双向变量伺服泵在内场调试过程中，当出口不加载时,伺服泵进口压力高出设定压力1 MPa左右，且加载后进口压力降低至设定值，由于该伺服泵应用于闭式液压系统,进口压力对整个液压系统存在着影响,为避免该现象对主机液压系统产生不可预知的风险，需要分析该现象的形成机理并进行优化改进。1控制原理简介某型双向变量伺服泵结构示意图与控制原理图见图1。如图1 所示,双向变量伺服泵主要由变量泵、补油泵组件、油滤组件、补油阀组件、冲洗阀组件、电液伺服阀组成,其中变量泵主要由壳体组件、主轴组件、斜收稿日期：2 0 2 3-0 7-1 4作者简介：刘雨（1 9 8 9-）,男,贵州遵义人，工程师,硕士，主要从事液压泵及马达的研发设计工作。盘组件、转子分油盘组件、滑履柱塞组件和变量缸组件组成,冲洗阀组件主要由单向阀、高压溢流阀、换向阀和低压溢流阀组成。伺服泵工作原理如下：初始状态下，伺服泵斜盘组件在变量缸回位弹簧的作用下处于零摆角位置，伺服泵输出流量为零。当电液伺服阀接收控制器的控制信号后，伺服阀阀芯左右移动以改变控制油与变量缸两端的通断状态,进而控制变量缸两端压力,变量缸在控制油的作用下左右移动，从而推动斜盘组件摆动，进而使得伺服泵输出流量与控制信号相对应，同时，位移传感器通过采集变量缸位移信号，反馈到控制器以实现伺服泵输出流量的闭环控制。伺服泵工作过程中，补油泵通过补油阀组件给进口补油，并通过冲洗阀回油箱，进而带走液压系统热量，防止系统温度过高。当负载增大至高压溢流阀设定压力时，高压溢流阀打开，使得伺服泵进出口沟通，出口压力维持在高压溢流阀设定压力左右，从而避免压力冲击对整个闭式液压系统的损坏。2古故障分析与改进2.1故障现象与分析某型双向变量伺服泵在内场调试过程中，当分别1191.00.5液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期给控制器+1 0 V(斜盘摆角为正）和-1 0 V（斜盘摆角为负）的控制信号后，调节转速至1 8 0 0 r/min,对A/B口由空载加载至3 5 MPa，双向变量伺服泵A/B口压力变化曲线见图2。冲洗阀组件补油泵组件伺服阀组件BMBx6MspMB1.变量泵2.补油泵3.补油油滤组件4.补油阀组件5.单向阀6.高压溢流阀7.换向阀8.低压溢流阀9.电液伺服阀1 0.变量缸组件1 1.控制油路油滤组件12.位移传感器图1 双向变量伺服泵结构示意图与控制原理图如图2 所示，当伺服泵在空载工况下，无论控制信号为+1 0 V或-1 0 V,A/B口压力基本相同,均为4.7MPa左右。当对伺服泵出口进行加载时,以控制信号为+1 0 V、A 口加载为例,随着A口压力的增大,B口压力逐渐降低，当A口压力加载至9.5 MPa左右后，120B口压力维持在3.7 MPa左右。对同型号其他样机进行试验,均出现上述问题,故该现象可能由相关结构设计不合理导致。转子分油滑履柱盘组件塞组件壳体组件主轴组件斜盘组件变量缸组件位移传感器组件(a)结构示意图K1854U05.04.54.03.52.0Z1.51.00.50根据双向变量伺服泵控制原理可知，当伺服泵处MA于空载工况时,由于A/B口压力基本相同,导致换向阀处于中位,补油泵输出的流量只能经单向阀通过低压溢流阀回油箱,A/B口压力为单向阀开启压差+低压9溢流阀开启压力。而当A口加载至换向阀开启时，换向阀处于右位,B口与低压溢流阀接通，由于单向阀开MA启压力大于补油阀开启压力，单向阀自锁而补油阀打11开,补油泵输出的油液经补油阀通过低压溢流阀回油箱,B口压力为补油阀开启压差+低压溢流阀开启压10122S(b)控制原理图55图2 A/B口压力变化曲线力。因此,空载工况伺服泵B口压力偏高的原因主要是单向阀结构设计不合理导致。2.2改进措施由以上分析可知,空载工况A/B口压力偏高主要是单向阀设计不合理导致，伺服泵单向阀结构见图3。21.单向阀座2.单向阀芯3.单向阀弹簧图3 单向阀结构示意图10(a)控制信号为+1 0 V时1015B口压力/MPa(b)控制信号-1 0 V时315A口压力/MPa202544.弹簧座202530303535Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024如图3 所示,伺服泵单向阀为插装式单向阀,其开表1 仿真模型主要参数启压差为0.6 2 MPa，但试验结果显示空载与加载工况主要参数进口压力相差1 MPa左右,这主要是1 8 0 0 r/min时,通额定转速/r min-I过单向阀的流量为1 9.8 L/min左右,其需要通流量较排量/mLr-1大，而流经单向阀的油液需经过弹簧与弹簧座和阀芯低压溢流阀开启压力/MPa之间的间隙,该间隙设计得过小，因而其流阻过大，这进一步导致伺服泵空载工况压力偏高，故在原结构上对单向阀进行如下优化设计，如图4 所示，对单向阀弹簧进行重新设计，使得其开启压差为0.3 MPa，并减小单向阀芯直径,增大单向阀通流量，减小流阻。数值1800403.5高压溢流阀开启压力/MPa40单向阀开启压力/MPa1补油阀开启压力/MPa0.1控制压力/MPa3.51510()/舞楼5图4改进后的单向阀结构示意图3仿真分析为验证改进措施的有效性，根据伺服泵控制机构及试验台加载原理，运用AMESim软件搭建如图5 所示某型双向变量伺服泵控制系统仿真模型。KI口.T低压溢流阀冲洗阀组件高压溢流阀单向阀补油泵电机补油阀1 补油阀2伺服泵0口B口加载阀加载阀图5 双向变量伺服泵控制系统仿真模型如图5 所示，双向变量伺服泵控制系统仿真模型主要由电液伺服阀、变量缸组件、低压溢流阀、冲洗阀组件、补油阀组件、加载阀组成。控制系统工作时，伺服泵接收控制信号，控制变量缸左右移动，从而控制斜盘正负摆角变化,实现对A/B口流量的调节和高低压的切换，并通过反馈信号进行闭环控制，相关参数设置见表1。根据以上仿真参数设置，当控制信号在+1 0 V-10V间变化时,伺服泵斜盘摆角与输出流量变化曲线见图6。100500-5_50-10-15如图6 所示，电液伺服阀接收控制信号控制变量缸两端压力，从而使得斜盘摆角在+1 5 1 5 之间变化,变量泵输出流量变化曲线与斜盘摆角变化曲线相高压溢流阀对应,其最大输出流量为7 2 L/min,与理论分析一致，说明仿真模型具有很高的可信度。控制压力油基于以上仿真模型,在2 s时刻,对A口进行加载，电液伺服阀控制信号伺服泵A/B口压力变化曲线见图7。控制器30A口压力25-B口压力A口反馈信号斜盘摆角输出流量-1000图6 摆角-流量变化曲线20变量缸组件151050图7 A/B口压力变化曲线如图7 所示，当伺服泵处于空载工况时，A/B口压力基本相同,当A口压力加载至9 MPa左右时,B口压力由4.5 MPa降低至3.5 MPa左右,与试验结果基本相同。其中,A口压力略有下降,这主要是仿真模型中的加载阀加载压力为A/B口压差，由于换向阀打开瞬间B口压力降低,则A口压力必然下降。同时,在A口121224时间/s4时间/s66881010液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期压力未加载至9 MPa时,B口压力基本不变,这主要是由于仿真模型中换向阀是两点式启闭，而非线性启闭，导致 A口加载时,B口始终与低压溢流阀断开,B 口压力无法降低。当单向阀开启压差为0.5 MPa时，A/B口压力变化曲线见图8。654320.5 MPa10图8 单向阀不同开启压差B口压力变化曲线如图8 所示，当单向阀开启压差降低0.5 MPa后，A/B口空载压力为4 MPa，较原结构压力降低了0.5MPa；当换向阀开启后,B口压力下降至3.5 MPa，与原结构压力一致,说明减小单向阀开启压差可以有效地降低空载工况下的B口压力，而不会对加载后的压力产生影响,与理论分析一致。由以上仿真分析可知，改进后的单向阀可有效地减小空载工况下伺服泵的A/B口压力。4试验验证为验证理论与仿真分析结果的正确性，对改进后的双向变量伺服泵进行试验，当转速为1 8 0 0 r/min，A/B口由空载加载至3 5 MPa时，其试验曲线见图9。如图9 所示，改进后空载工况下A/B口压力为3.9MPa左右，加载后A/B口压力为3.5 MPa左右，试验结果与理论和仿真分析结果一致，改进措施有效。5结论本研究针对某型双向变量伺服泵空载压力偏高现象，运用理论与仿真分析相结合的方法，提出优化措施并进行试验验证，主要结论如下：引用本文：刘雨，文飞燕，杨斌.某型伺服泵空载压力异常分析与改进 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4（1）：1 1 9-1 2 2.LIU Yu,WEN Feiyan,YANG Bin.Analysis and Improvement of Abnormal No-load Pressure for Servo Pump JJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):119-122.4.0F3.53.02.51.50.501 MPa4.03.53.05100152025A口压力/MPa15300.50（1）单向阀设计不合理是某型双向变量伺服泵空载压力偏高的主要原因；（2）减小单向阀开启压差和流阻可以有效降低空载工况的进口压力；（3）改进后比改进前伺服泵空载压力降低1 7%左右,且对伺服泵功能性能无影响,改进措施有效。参考文献1李玉琳.液压元件与系统M.北京：北京航空航天大学出版社,1 9 9 1.2付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真 M.北京：北京航空航天大学出版社，2 0 1 3.3王晋芝,刘雨,杨华,等.液压操作手柄控制系统优化设计J.液压气动与密封,2 0 2 0(1 1):5 1-5 5.4刘雨,张兴越,王晋芝.基于,AMESim的柱塞泵LR控制特性研究 J.液压气动与密封,2 0 2 0（4）：3 2-3 5.5 张兴越，刘雨，杨光华.基于AMESim的柱塞泵EP2D控制特性研究 J.液压气动与密封,2 0 2 0(2）：3 8-4 1.6姚存治，张明真，张尚然，等.基于NAKF和DBN的液压管路故障智能诊断方法 J.机电工程，2 0 2 2,3 9（5）：5 8 7-595.10(a）改进后B口压力变化曲线510(b）改进后A口压力变化曲线图9 改进后A/B口压力变化曲线15A口压力/MPa1520B口压力/MPa20252530303535122