В этом примере показана испытательная установка, предназначенная для исследования взаимодействия между аксиально-поршневым насосом и типичным блоком управления, одновременно выполняющим функции измерения нагрузки и ограничения давления. Для обеспечения требуемой точности модель насоса должна учитывать такие особенности, как взаимодействие между поршнями, качающейся пластиной и портовой пластиной, что делает необходимым создание детальной модели насоса.
Рисунок 1. Схема испытательной установки
Модель насоса представлена подсистемой аксиально-поршневого насоса. Первичный двигатель, вращающий насос, моделируется с помощью источника идеальной угловой скорости. Выход насоса проходит через трубопровод, блок управления и переменное отверстие, которое действует как нагрузка. Для проверки реакции блока управления на переменную нагрузку при моделировании диафрагма изменяет свою площадь. Профиль изменения реализуется блоком Signal Builder.
Блок управления на испытательной установке представлен подсистемой управления давлением/потоком. Функция измерения нагрузки регулятора насоса использует фиксированное отверстие. Блок управления поддерживает перепад давления на этом отверстии постоянным, независимо от загрузки насоса. Блок управления принимает сигналы о давлении на выходе насоса и давлении нагрузки, измеряемом после клапана регулирования расхода. На основании этих давлений устройство производит смещение ярма, которое влияет на угловое положение наклонной качающейся пластины в насосе. Это помогает поддерживать заданный перепад давления на клапане регулирования расхода и не допускать превышения давления в насосе заданного значения.
Основные параметры испытательной установки:
Pump maximum displacement 7.8877e-6 m^3/rad Pitch radius 0.04 m Piston area 1.77e-4 m^2 Number of pistons 5 Maximum piston stroke 0.06 m Swash plate maximum angle 35 deg (0.6109 rad) Arm length between the actuator and the swash plate pivoting point 0.055 m Swash plate actuator stroke 0.04 m Diameter of the orifice at the bottom of the piston chamber 0.007 m Pump maximum rated speed 260 rad/s (2482 RPM) Maximum pressure 270 bar Rated flow 1.1e-3 m^3/s
Все основные параметры задаются с помощью опции Свойства модели > Обратные вызовы > InitFcn.
Исследуемый насос представляет собой аксиально-поршневой насос с пятью поршнями.
Рисунок 2. Схема осевого поршневого насоса
Принципиальная схема насоса показана на рисунке 2, где:
1 - портовая пластина
2 - блок цилиндров (ротор)
3 - поршень
4 - ведущий вал
5 - качающаяся плита
Блок-схема модели насоса показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Модель насоса
Каждый поршень насоса представлен подсистемой, называемой поршнем. Эти подсистемы идентичны и подключены к следующим внешним портам модели насоса:
S - ведущий вал насоса
Y - ярмо, соединенное с наклонной пластиной механизма качания
P - напор насоса
Всасывающие отверстия всех поршней (порты A) соединены с выходом дожимного насоса низкого давления, который моделируется блоком источника идеального гидравлического давления. Выходное давление бустерного насоса установлено на 5e5 Па.
Вилка соединена с Y-образными окнами всех поршней, воздействуя, таким образом, на наклонную пластину качающегося механизма. Смещение ярма ограничено жестким упором.
Рисунок 4. Поршневая модель
Модель поршня (рис. 4) основана на блоке однонаправленного гидравлического цилиндра, который механически соединен с приводным валом через блок качающейся пластины. Цилиндр также гидравлически соединен с отверстиями A и B через блоки регулируемых диафрагм портовой пластины. Отверстия А и В представляют собой выпускные и впускные отверстия насоса соответственно.
Назначение портов выполняется на основе следующих соображений:
Поршни равномерно распределены по кругу наклона поршневого цилиндра, как показано на фиг.2. Это делает угол между поршнями 360/5 = 72 градуса.
Предположим, что первый поршень (отмеченный P1 на схеме) расположен точно в точке отсчета, которая соответствует самому нижнему положению поршня. Предположим далее, что порт А представляет собой впускное отверстие насоса. Другими словами, поршень, движущийся по пазу А в положительном направлении (в этом случае - по часовой стрелке), поднимается вверх, и его камера заполняется жидкостью бустерным насосом. Это означает, что параметр фазового угла переменного отверстия A портовой пластины в поршне 1 должен быть равен нулю. Тот же параметр переменной диафрагмы B портовой пластины в поршне 1 должен быть установлен на 180 градусов, поскольку он начинает взаимодействовать с пазом B (выпускным отверстием насоса) только после поворота на 180 градусов.
В поршневой модели параметры Фазовый угол каждого блока переменного отверстия портовой пластины обозначаются как Фазовый угол А и Фазовый угол В соответственно. Значения фазового угла для всех пяти поршней вычисляются в разделе инициализации редактора масок подсистемы осевого насоса. В следующей таблице показаны их значения в градусах, а соответствующие значения в радианах приведены в скобках:
--------------------------------------------------------------------- Piston name in | Phase angle A | Phase angle B | Phase angle in the pump model | | | Swash Plate block --------------------------------------------------------------------- Piston_1 | 0 | 180 (pi) | 0 Piston_2 | 72 (1.2566) |-108 (-1.885) | 72 (1.2566) Piston_3 | 144 (5.5133) | -36 (-0.8029) | 144 (5.5133) Piston_4 |-144 (-5.5133) | 36 (0.8029) |-144 (-5.5133) Piston_5 | -72 (-1.2566) | 108 (1.885) | -72 (-1.2566) ---------------------------------------------------------------------
Блок качающейся пластины в модели поршня также требует задания фазового угла для задания положения поршня относительно наклонной поверхности. В выбранной опорной точке значения фазового угла качающейся пластины совпадают со значениями фазового угла А, как показано в таблице.
Блоки с переменным отверстием портовой пластины требуют углового положения соответствующего поршня на входе. Эта функция выполняется блоком датчика угла.
Другими важными параметрами являются ход цилиндра и исходное положение поршня относительно крышки цилиндра. Ход должен быть достаточно большим, чтобы позволить поршню совершать возвратно-поступательное движение даже при максимальном угле качающейся пластины.
Обводка > 2 * Радиус * tan(MaxAngle),
где «Радиус» - радиус начальной окружности блока цилиндров, а «MaxAngle» - максимально допустимый угол качающейся пластины.
В модели максимальный угол устанавливается равным 35 градусам (0,6109 рад), а радиус шага - 0,04 м, что делает ход больше 0,056 м. Ход устанавливается равным 0,06 м. Исходное положение поршня должно быть равно половине хода при нулевом начальном угле качающейся пластины. Но начальный угол изменяет свое значение в зависимости от исходного положения привода. В результате исходные положения поршня вычисляются с помощью уравнения.
Вычисление начальных положений поршня выполняется в секции инициализации редактора масок подсистемы.
Назначение блока управления - реализовать две функции: измерение нагрузки и ограничение давления. Измерение нагрузки осуществляется путем поддержания заданного перепада давлений на клапане регулирования расхода. В модели испытательной установки (рис. 1) клапан регулирования расхода моделируется с помощью блока диафрагмы с прорезью переменной площади. Давления перед и после клапана передаются в блок управления давлением/потоком через порты P и LSP (рис. 5).
Рисунок 5. Схема блока регулирования давления/расхода
Эти давления действуют на боковые поверхности трехходового направленного клапана и смещают клапан пропорционально разности давлений и установке центрирующих пружин. Соединения клапанов выбраны таким образом, что повышенный перепад давления открывает путь A-P и закрывает путь A-T. Исполнительный механизм выполнен в виде одноступенчатого дифференциального гидроцилиндра со штоком, соединенным с хомутом насоса. Смещение насоса увеличивается, если шток перемещается в направлении стрелки, показанной на схеме. За счет разницы между эффективными зонами цилиндра, рабочий объем увеличивается, если обе цилиндрические камеры соединены с насосом, и уменьшается, если камера без штока соединена с баком. В результате увеличенный перепад давления на клапане заставляет насос уменьшать его рабочий объем до тех пор, пока он не вернется к заданному значению. Предварительная нагрузка пружины клапана определяется уравнением
Целью функции ограничения давления является предотвращение превышения давлением насоса заданного значения. Он реализован с предохранительным клапаном и диафрагмой в линии LSP. Клапан сброса давления устанавливается на требуемое максимальное значение. При повышении давления в насосе до этой величины клапан открывается и приводит к снижению давления в правой камере клапана на пути открытия А-П. Привод перемещается вправо до тех пор, пока давление не вернется к заданному значению.
Модель клапана, воспринимающего нагрузку, построена с использованием блоков 3-Way направленного клапана, гидравлического привода клапана двойного действия, клапана сброса давления и фиксированной диафрагмы, как показано на схеме модели (рис. 6 и 7).
Рисунок 6. Модель блока регулирования давления/расхода
Рисунок 7. 3 Модель с регулируемым давлением клапана
Перепад давления устанавливается равным 20 бар. Путь Распределительного клапана С 3 путями A-T должен быть первоначально открыт, чтобы вынудить насос увеличить свое смещение в начале операции. Для выполнения функции измерения нагрузки увеличение давления в порту B (порт измерения нагрузки) должно открыть тракт A-T и закрыть тракт A-P. Именно по этим причинам были определены соединения отверстий клапанов с системой. Остальные параметры регулирующего клапана для измерения нагрузки, такие как жесткость пружины, ход клапана, площадь отверстия клапана и т.д., настраиваются в модели для обеспечения требуемой точности, стабильности и численной эффективности.
Функция ограничения давления реализуется с помощью комбинации блоков фиксированного отверстия и предохранительного клапана. Клапан установлен на 250 бар. При этом давлении повышенный поток через неподвижное отверстие вызывает падение давления в отверстии Y гидравлического привода клапана двойного действия (привод стопорного клапана на рис. 7), что в конечном итоге уменьшает рабочий объем насоса.
Моделируемый цикл состоит из шести элементов, характеризующихся различными условиями нагрузки с блоком прорези переменной площади.
Цикл начинается с нулевого сигнала открытия с последующим открытием 2,8, 5,2, 1, -0,8 и, наконец, 2,45 мм. В начале цикла вал насоса начинает вращаться со скоростью 260 рад/с (~ 2500 об/мин), при этом исходное положение хомута насоса установлено на 5 мм. Сервоцилиндр начинает увеличивать рабочий объем насоса, давление в насосе медленно увеличивается, и процесс оседает на ~ 0,35 с после того, как перепад давления на клапане управления потоком становится близким к заданному значению 20 бар. Нагрузочный клапан открыт в этот момент на ~ 1,2 мм.
В течение следующих трех частей цикла насос поддерживает практически одинаковую подачу, несмотря на изменения открытия загрузочного клапана.
Через 1 с нагрузочный клапан практически полностью закрыт, что приводит к повышению давления в насосе. Функция ограничения нагрузки становится доминирующей, когда давление достигает 270 бар. Насос возвращается в режим измерения нагрузки после того, как давление упадет ниже заданного значения.
На графике ниже показан расход внутри поршней насоса и при нагрузке. Можно видеть циклическую природу поршневых давлений, а также общее поведение насоса, который остается близким к номинальному расходу.
Графики показывают измерение нагрузки и контроль ограничения давления. Насос поддерживает номинальный расход 1,1 м ^ 3/с даже при изменении нагрузки, как показано на графике выходного давления насоса. Однако, когда выходное давление насоса повышается до максимального номинального давления, регулятор ограничения давления регулирует положение хомута и расход падает ниже его номинального расхода.
