Модель

Описание испытательной установки

Насос моделируется подсистемой осевого поршневого насоса. Первичный двигатель, вращающий насос, представлен источником угловой скорости. Вход насоса соединен с выходом бустерного насоса низкого давления 0,5 МПа. Выход насоса проходит через трубу, блок управления и переменное отверстие, которое действует как нагрузка. Для проверки реакции блока управления на переменную нагрузку площадь диафрагмы нагрузки изменяется во время моделирования с помощью блока Signal Builder.

Блок управления моделируется подсистемой блока управления давлением/потоком. В функции контроля нагрузки насоса используется отверстие, установленное на выходном канале насоса. Блок управления поддерживает перепад давления на этом отверстии постоянным независимо от нагрузки насоса, регулируя смещение хомута, что влияет на угол наклона качающейся пластины насоса. Это помогает поддерживать желаемый расход через отверстие, а также предотвращает превышение давления в насосе заданного значения.

Основные параметры испытательной установки:

Pump maximum displacement                        7.8877e-6 m^3/rad
Cylinder block pitch radius                      0.04 m
Piston diameter                                  0.015 m
Number of pistons                                5
Maximum piston stroke                            0.06 m
Swash plate maximum angle                        35 deg (0.6109 rad)
Arm length between the control actuator
  and the swash plate pivoting point             0.055 m
Swash plate control actuator stroke              0.04 m
Diameter of the orifice at the bottom
  of the piston chamber                          0.007 m
Pump maximum rated speed                         2500 RPM
Maximum pressure                                 27 MPa
Rated flow rate                                  1.1e-3 m^3/s

Аксиально-поршневая насосная подсистема

Исследуемый насос имеет пять поршней. Его схема показана ниже:

Рис. 1. Схема осевого поршневого насоса

где

Пять поршней моделируются в подсистеме осевого поршневого насоса:

Поршни идентичны и смоделированы в своих собственных идентичных подсистемах. Все они подключены к следующим портам модели насоса:

Смещение ярма ограничено жесткой остановкой.

Поршневая подсистема

Поршневая модель состоит из блока однонаправленного привода (IL), механически соединенного с приводным валом через блок качающейся пластины. Поршень также гидравлически соединен с отверстиями A и B через два блока диафрагмы клапанной пластины (IL). Отверстия А и В представляют соответственно впускное и выпускное отверстия насоса.

Поршень всасывает жидкость во время его хода вверх и выбрасывает жидкость во время его хода вниз. Два блока диафрагмы клапанной пластины (IL) моделируют взаимодействие между неподвижным отверстием в нижней части поршневой камеры и двумя канавками в форме полумесяца на клапанной пластине, так что поршень соединяется с отверстием А во время его хода вверх и отверстием В во время его хода вниз.

На следующем графике показаны области потока, образованные взаимодействием между поршнем и двумя канавками в форме полумесяца на клапанной пластине. Когда блок цилиндров вращается, отверстие поршневой камеры скользит по канавке, чтобы открыть область потока, а затем скользит от канавки, чтобы закрыть область потока. Две канавки разделены фазовым углом 180 градусов так, что поршень скользит по канавке, соединенной с впускным отверстием (А) во время хода вверх, и скользит по канавке, соединенной с выпускным отверстием (В) во время хода вниз. Это приводит к поочередно открытым областям потока, как показано на первом вложенном графике.

Поршни равномерно распределены по кругу наклона блока цилиндров, как показано на фиг.1. Это делает угол между поршнями 360/5 = 72 градуса. Поэтому фазовые углы блоков диафрагмы клапанной пластины каждого поршня смещены от предыдущего поршня на 72 градуса. Это приводит к равномерно распределенным и перекрывающимся открытым областям потока для впускной канавки, как показано на второй подграфике.

Наклон качающейся пластины создает движение поршня при вращении блока цилиндров. Блок качающейся пластины соединен с исполнительным механизмом одинарного действия (IL) для приведения в действие этого поршня. Аналогично блокам диафрагмы клапанной пластины (IL), фазовый угол блока качающейся пластины каждого поршня смещен от предыдущего поршня на 72 градуса.

Больший угол качающейся пластины приводит к большему движению поршня, которое создает больший объем потока. Ход поршня должен быть достаточно длинным, чтобы позволить поршню совершать возвратно-поступательное движение даже при максимальном угле качающейся пластины:

где m - радиус шага, а градус - максимальный угол качающейся пластины. Это означает, что ход поршня должен быть больше 0,056 м и, таким образом, устанавливается равным 0,06 м.

Исходное положение поршня должно быть равно половине хода, если угол качающейся пластины равен нулю. Она смещается от половины хода в зависимости от фазового угла поршня, если начальный угол качающейся пластины ненулевой. Начальный угол качающейся пластины зависит от исходного положения исполнительного механизма управления. Следовательно, начальное положение каждого поршня равно

где - исходное положение исполнительного механизма управления качающейся пластиной, - рычаг исполнительного механизма управления качающейся пластиной и - фазовый угол поршня в блоке цилиндров. Этот расчет реализован на вкладке Initialization маски подсистемы осевого поршневого насоса.

Подсистема блока управления давлением/потоком

Назначение блока управления - реализовать две функции: измерение нагрузки и ограничение давления. Измерение нагрузки осуществляют путем поддержания заданного перепада давлений на отверстии управления потоком. Регулирующее поток отверстие установлено в выходном потоке насоса. На следующем рисунке показана схема блока управления, в котором порты A и B соединены последовательно с выходом насоса.

Рис. 2. Схема блока управления давлением/потоком

Давление до и после отверстия управления потоком действует на боковые поверхности трехходового направленного клапана и смещает золотник клапана пропорционально разности давлений и установке двух центрирующих пружин. Соединения клапанов выбраны таким образом, что увеличение перепада давления через отверстие управления потоком открывает направленный путь Р-А клапана и закрывает путь А-Т. Исполнительный механизм управления выполнен в виде одноступенчатого дифференциального гидроцилиндра со штоком, соединенным с ярмом качающейся пластины. Рабочий объем насоса увеличивается, если шток движется в положительном направлении, показанном на схеме. Из-за разницы в площадях поршня двух сторон цилиндра перемещение увеличивается, если обе цилиндрические камеры соединены с насосом, и уменьшается, если камера без штока соединена с баком. В результате увеличение перепада давления через отверстие для регулирования потока заставляет насос уменьшать его рабочий объем до тех пор, пока он не вернется к заданному значению.

Функция ограничения давления предотвращает превышение давления на выходе насоса заданного значения. Она выполнена с предохранительным клапаном и неподвижным отверстием на напорной линии после отверстия управления потоком. Клапан сброса давления устанавливается на требуемое максимальное значение. Когда давление насоса повышается до этого значения, клапан сброса давления открывается для снижения давления и заставляет направленный клапан увеличивать путь P-A пути A-T. Это приводит к смещению управляющего исполнительного механизма для уменьшения его перемещения до тех пор, пока давление не вернется к заданному значению.

Модель блока управления показана ниже:

Исполнительный механизм управления моделируется с помощью блока привода двойного действия (IL). Отверстие управления потоком моделируется с помощью блока золотниковой диафрагмы (IL) с опцией прямоугольной геометрии прорези. Площадь отверстия этого отверстия выбирается таким образом, чтобы получить требуемый номинальный расход 1,1e-3 м ^ 3/с для функции измерения нагрузки.

Комбинация блока 3-Way направленного клапана (IL) и блока привода пилотного клапана (IL) представляет направленный клапан на схеме, показанной на фиг.2. Портс-X анд И экспериментальных чувств клапана давление, действующее на две стороны распределительного клапана и, регулирует положение шпульки Распределительного клапана С 3 путями (IL) блок. Центрирующие пружины в блоке привода пилотного клапана (IL) возвращают золотник в нейтральное положение. Путь A-T блока 3-Way направленного клапана (IL) установлен наполовину открытым в нейтральном положении, чтобы заставить насос увеличить его рабочий объем в начале работы. Другие параметры, такие как жесткость пружины, ход клапана, области отверстий клапана и т.д., настраиваются в модели на точность и стабильность.

Установленный перепад давления в предохранительном клапане установлен в 25 МПа. Так как функция измерения нагрузки поддерживает разность давлений приблизительно 2 МПа через отверстие управления потоком, это заставляет функцию ограничения давления поддерживать максимальное давление 27 МПа в отверстии А блока управления.

Эксплуатация испытательной установки

Нагрузка испытательной установки представлена блоком золотниковой диафрагмы (IL). Моделирование состоит из шести различных условий нагружения, достигаемых путем изменения положения катушки загрузочного отверстия на 2 мм, 5 мм, 7 мм, 3 мм, 1 мм и 4 мм. Управляющий исполнительный механизм первоначально увеличивает рабочий объем насоса для повышения давления. После того, как разность давлений на расходомерном отверстии станет близкой к 2 МПа, и будет достигнут номинальный расход 1,1e-3 м ^ 3/с.

Во время следующих трех условий загрузки блок управления поддерживает одинаковую подачу насоса, несмотря на изменяющееся отверстие отверстия для подачи нагрузки.

Через 1 с отверстие нагрузки почти закрыто, что приводит к повышению давления в насосе. Функция ограничения давления становится доминирующей, когда давление достигает 27 МПа. Блок управления возвращается в режим измерения нагрузки после падения давления ниже 27 МПа.

Результаты моделирования из областей

Результаты моделирования из журнала Simscape

На этом графике показан расход в аксиально-поршневом насосе. Циклический характер движения поршня можно видеть в скорости потока в каждом поршне. Отрицательная часть цикла расхода поршня соответствует жидкости, втягиваемой через клапанную пластину А, и положительная часть цикла расхода поршня соответствует жидкости, вытесняемой через клапанную пластину В. Комбинированный эффект пяти поршней приводит к общему поведению насоса, который производит положительный расход приблизительно 1,1e-3 м ^ 3/с через отверстие нагрузки.

На этом графике показано измерение нагрузки и управление ограничением давления. Насос поддерживает номинальный расход 1,1e-3 м ^ 3/с даже при изменении нагрузки. Однако, когда выходное давление насоса повышается до максимального номинального давления 27 МПа, ограничивающее давление регулирование уменьшает положение хомута и расход падает ниже его номинального расхода.